CC BY
169
Особенности динамики трения стали Гадфильда
Е.А. Колубаев, А.В. Колубаев, О.В. Сизова, В.Е. Рубцов, И.Н. Вагин, В.Л.Попов1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Берлинский технический университет, Берлин, D-10623, Германия
Исследована генерация звука при трении скольжения стали Гадфильда в отсутствие смазки. Одновременно с параметрами звука измеряли коэффициент трения, изучали структуру подповерхностного слоя и морфологию частиц износа. Установлена корреляция между силой звука, спектром звучания трибоузла и коэффициентом трения. Показано, что устранение упругих колебаний в сопряжении приводит к снижению коэффициента трения. Дается интерпретация взаимосвязи динамического поведения пары трения и триботехнических характеристик.
Peculiarities of friction dynamics of Hadfield steel
E.A. Kolubaev, A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, V.E. Rubtsov, I.N. Vagin, and V.L. Popov1
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Berlin Technical University, Berlin, D-10623, Germany
Consideration is given to sound generation in sliding friction of Hadfield steel in the absence of lubrication. Together with sound parameters we measure the friction coefficient and study the subsurface layer structure and debris morphology. It is found that there is a correlation between sound intensity, acoustic spectrum of a tribological system and the friction coefficient. The elimination of elastic oscillations in the system is shown to cause a decrease in the friction coefficient. The relation between the dynamic behavior of the friction pair and friction characteristics is interpreted.
1. Введение
Упругие колебания в том или ином проявлении всегда присущи трению скольжения. Наиболее привлекательны с научной точки зрения колебания ультразвуковой частоты, которые возбуждаются при пластической деформации и появлении трещин в поверхностном слое при трении, адгезионном схватывании и отделении частиц износа. Эти колебания можно регистрировать и по ним судить о характере трения. В работе [1] было установлено, что пики акустической эмиссии ультразвуковой частоты связаны с периодическим разрушением упрочненных слоев металла на поверхностях трущихся тел. В процессе трения структура поверхностных слоев претерпевает изменения, металл проходит стадии упрочнения и разрушения. Последняя стадия сопровождается возрастанием акустической эмиссии. Затем процесс повторяется вновь — чередуются стадии упрочнения поверхностного слоя и его разрушения. Такое со-
ответствие акустической эмиссии характеру трения позволяет применять ее в качестве метода диагностики контактных узлов, который дает информацию о состоянии поверхностей трения по интенсивности и частотному спектру ультразвукового сигнала.
Иначе обстоит дело с изучением звука, генерируемого деталями узла трения в области частот, воспринимаемых органами слуха человека. Исследования причин возникновения скрипа или визга при сухом трении скольжения направлены на их устранение при конструировании машин и механизмов, поскольку шумовое излучение является источником дискомфорта для человека.
Появление звука при трении обусловлено фрикционными автоколебаниями, которые в ряде случаев препятствуют равномерному движению сопряженных деталей и могут вызвать их повышенный износ. Из публикаций, в которых представлены результаты исследова-
© Колубаев Е.А., Колубаев А.В., Сизова О.В., Рубцов В.Е., Вагин И.Н., Попов В.Л., 2005
ний вибраций и акустической эмиссии при трении, следует, что возникновение упругих колебаний обусловлено уменьшением коэффициента трения при увеличении скорости скольжения [2-4]. В трибологии рассмотрены разные примеры колебательных процессов в сопряжениях, вызванные такой зависимостью силы трения [5], и нет сомнений в справедливости данных представлений. Но они не раскрывают природу наблюдаемого некоторыми исследователями порогового эффекта, когда ниже определенного значения коэффициента трения вибрации и звук отсутствуют. Так, например, в статье [6] на основе теоретических расчетов показано, что звук при трении может появляться даже при стабильном коэффициенте трения, но при этом сам коэффициент трения должен достичь определенной величины. Было получено критическое значение коэффициента трения, ниже которого звук не генерируется, при этом небольшое превышение этого порога приводит к очень сильному звучанию. В работе [7] рассматривают генерацию звука при фреттинге и приходят к выводу, что уровень звука напрямую связан с износом. Чем больше износ, тем выше уровень звука. На связь акустической эмиссии с износом указано и в работах [1, 8]. В книге В.Д. Кузнецова [9] упоминается о возникновении звука при трении медного образца после приработки поверхностей трения и начала интенсивного изнашивания. В.Д. Кузнецов связывает данный процесс с окислением поверхностного слоя и его износом.
Высказываются предположения о том, что за возникновение упругих колебаний ответственна флуктуирующая сила трения, которая обусловлена деформацией шероховатостей или их адгезией, появлением и отслоением оксидных пленок, отделением частиц износа [10]. В работе [11] обсуждается влияние топографии поверхности трения на генерацию звука. Показано, что формирование акустического сигнала зависит от скорости скольжения, коэффициента трения, условий окружающей среды. При этом изучение поверхности трения свидетельствует об удалении металла в результате адгезионного взаимодействия, то есть в акустическом излучении доминировала адгезионная составляющая. Возможность появления фрикционных автоколебаний в чисто упругой среде при отсутствии разницы между статическим и динамическим коэффициентами трения объясняется шероховатостью и наличием вертикальных колебаний ползуна [12]. Но и здесь, как сказано в статье, при относительном сдвиге поверхностей интегральная сила контактирования изменяется при перемещении от точки к точке. Поэтому сила трения флуктуирует.
В работе [13] на примере автомобильного дискового тормоза показано, что на возникновение звука оказывает существенное влияние размер пятна контакта. Чем больше размер, тем меньше склонность трибосопря-жения к генерации звука. Вместе с этим размер пятна
контакта зависит от степени шероховатости сопряженных поверхностей и от нагрузки.
Таким образом, из краткого анализа литературы следует, что природа возбуждения упругих колебаний при трении скольжения имеет в своей основе падение силы трения с увеличением скорости скольжения, вызванное, главным образом, ростом температуры и изменением физико-механических свойств материалов пары трения вблизи поверхности трения. Кроме того, отмечается влияние и других факторов на процесс фрикционных колебаний, которые связаны как с упругими свойствами материала деталей, так и с геометрическими параметрами узла трения. Однако сведения о влиянии упругих колебаний на триботехнические свойства сопряжений отсутствуют. По нашим сведениям лишь в работе [8] выявлено снижение величины износа при устранении ультразвуковых колебаний в паре трения. Кроме того, автоколебания, возникающие в трибосопряжении, наряду с тепловым воздействием ответственны за модификацию структуры и разрушение поверхностного слоя в области контакта [14]. Но остается открытым вопрос о степени влияния того и другого воздействия на поверхностные слои контактирующих материалов.
В предлагаемой читателю статье представлены результаты исследований сухого трения скольжения стали Гадфильда (Г13) и генерации звука при этом. Изучали особенности деформирования поверхностного слоя стали, силу звука, спектр звучания и коэффициент трения в зависимости от конструктивных особенностей трибо-сопряжения. На основе модельных представлений дано объяснение возможных причин возникновения упругих колебаний при трении и влияния данных колебаний на процесс изнашивания.
2. Материал и методика исследований
Испытания проводили на машине трения 2168 УМТ по схеме «вал-втулка» при нагрузках от 250 до 2500 Н с частотой вращения 0.7 с-1 и продолжительностью 6 ч. Втулки из стали Г13 имели внутренний диаметр 31.1, 31.2, 31.3 мм и высоту 10, 20 и 30 мм; сопряженный вал 031.0 мм был изготовлен из стали 42ХМ4Ф, термически обработанной на твердость 56 НЯС. Низкая скорость скольжения, равная 0.068 м/с, и давление, немного превышающее 1 МПа, не приводили к перегреву деталей сопряжения, которое могло бы вызвать фазовые превращения и изменение структуры контактирующих материалов на значительной глубине от поверхности трения.
Кроме втулок испытывали цилиндрические образцы диаметром 15 и 20 мм, высотой 20 мм по схеме «диск-палец». Давление в этом случае задавалось равным 1 МПа, скорость скольжения — 0.4 м/с. Анализ звукового сигнала при трении проводили с использованием
стандартной программы цифровой обработки, запись звука и его параметры регистрировали на компьютере. При записи применяли микрофон Behringer ХМ8500, у которого неравномерность амплитудно-частотной характеристики составляет +5 дБ в интервале частот от 100 до 1.5 • 104 Гц. Информация о величине момента силы трения считывалась с датчика через каждую секунду.
В исходном состоянии твердость стали Гадфильда не превышала 3 500 МПа. У части цилиндрических образцов структуру слоя на торцевой поверхности модифицировали ультразвуковым ударным воздействием по методике, описанной в [15]. В результате ультразвуковой обработки поверхностный слой стали Г13 пластически деформировался и упрочнялся за счет наклепа аусте-нита. Микротвердость на поверхности при этом возрастала до 8 400 МПа.
Для определения влияния колебаний звуковой частоты на триботехнические характеристики нами было смонтировано специальное устройство для крепления образца и контртела. Устройство допускало установку демпфирующих втулок с внешней, с внутренней или с обеих сторон сопряжения, что позволяло изменять параметры колебаний трибоузла при испытании. При этом звук являлся индикатором работы сопряжения, по нему судили об эффективности демпфирования. Основной целью исследований с использованием такого узла было стремление обеспечить варьирование параметров колебаний трибосопряжения при сохранении режимов и условий контактирования. Исследуемые при данных испытаниях втулки имели диаметр 31.2 мм, высоту L = 10 и 20 мм. Нагрузку задавали 300 и 250 Н соответственно.
После выплавки заготовок с поверхности снимали слой толщиной до 1 мм для задания образцам определенных геометрических размеров. Кроме того, такая подготовка поверхности исключала металлургические дефекты поверхностного слоя — неоднородность состава, повышенную шероховатость, которые неизбежны при выплавке. Структуру стали изучали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-УМ1 с использованием СоКа-излучения, металлографические исследования проводили на микроскопах Neophot и Axiovert.
3. Структура стали Гадфильда в исходном состоянии и после испытаний на трение
В исходном состоянии сталь Гадфильда имеет структуру крупнозернистого аустенита ((d} = 120 мкм) и по данным рентгеноструктурного анализа является однофазной (рис. 1, кривая 1). После триботехнических испытаний фазовый состав поверхностного слоя изменился. На рентгенограмме (рис. 1, кривая 2) появились рефлексы, принадлежащие новым фазам. Рефлексы вблизи угла 28 = 40°, скорее всего, принадлежат цементиту (FeMn)3 С, выделившемуся при фазовом превращении
Рис. 1. Рентгенограммы поверхностного слоя стали Г адфильда: в исходном состоянии (7); после трения (2); после ультразвуковой ударной обработки (5)
в результате деформации и нагрева тонкого поверхностного слоя при трении. Кроме того, наблюдающаяся асимметрия рефлекса (111)у уоснованияипоявление слабовыраженного рефлекса вблизи угла 29 = 77°, по-видимому, обусловлены образованием a-фазы при трении. Микротвердость, измеренная на поверхности трения, оказалась равной 8200-8600 МПа, что сравнимо с величиной микротвердости после ультразвукового воздействия.
Совпадение микротвердости поверхностного слоя после трибологических испытаний и ультразвукового ударного воздействия позволяет думать о существовании единого механизма деформирования данного слоя, который обусловлен импульсным взаимодействием сопряженных поверхностей в пятнах касания. Именно такой характер контактирования при трении был положен в основу теоретического анализа процессов трения, позволившего объяснить деградацию структуры поверхностного слоя и ряд других явлений при трении [16]. Однако рентгенограмма поверхностного слоя (рис. 1, кривая 3) указывает на более значительные изменения структуры после ультразвукового воздействия. Кроме рефлексов, которые характерны для структуры стали Г13 после испытаний на трение, рентгенограмма, полученная после ультразвукового воздействия, имеет вид, свидетельствующий о диффузном рассеянии рентгеновских лучей. По-видимому, оно обусловлено формированием на поверхности либо нанокристаллической структуры, либо аморфной, которые ранее также обнаруживали на поверхности после ультразвуковой обработки [17]. Отсутствие диффузного рассеяния на рентгенограммах поверхности, несмотря на импульсное воздействие в пятнах касания при трении [5], можно объяснить фрикционным нагревом, который препятствует стабилизации неравновесной нанокристаллической или аморфной структуры в поверхностном слое.
Рис. 2. Рельеф боковой поверхности втулки из стали Гадфильда в зоне трения скольжения: исходное состояние (а); после предварительного отжига при температуре 600 °С (б)
И все же, как показали результаты испытаний, импульсный характер механического воздействия при трении проявляется при образовании деформированной структуры стали Гадфильда. На рис. 2, а показана предварительно полированная боковая поверхность втулки в зоне трения скольжения после испытаний в течение 6 часов. Наблюдаемый рельеф характерен для деформации, которая осуществляется двойникованием и внутри-зеренным скольжением, присущей стали Г13. Толщина деформированного слоя в наиболее нагруженной области составляет —700 мкм. Подобный рельеф на боковой поверхности наблюдали при всех испытаниях, лишь толщина деформированного слоя была различной и зависела от нагрузки. Очевидно, что подобная деформация не может быть вызвана статическим нагружением той же величины, что и при испытании на трение. Фрикционный нагрев также не может обусловить изменение физико-механических свойств стали Г13, которые бы привели к такой деформации. Во-первых, потому, что мощность трения чрезвычайно мала и может вызвать нагрев только очень тонкого поверхностного слоя, во-вторых, если данная сталь будет нагреваться выше 400 °С при трении, то это приведет к фазовым превращениям, которые кардинально изменят характер деформирования. Это видно по рельефу на боковой поверхности предварительно отожженной при 600 °С стали Гадфильда после испытаний на трение (рис. 2, б).
Наиболее вероятной причиной деформации поверхностного слоя на глубину до 700 мкм, являются упругие возбуждения [16]. Упругие волны, зарождаясь на поверхности трения, распространяются вглубь материала, вызывая деформирование в локальных областях. Со временем таких областей становится больше, что видно на представленных рисунках.
4. Коэффициент трения и звуковые колебания
Прежде чем обсуждать взаимосвязь коэффициента трения с колебаниями, сопровождающимися звуком, укажем на имеющиеся в литературе данные о том, что
уровень звукового сигнала, излучаемого трибосисте-мой, всегда снижается, если коэффициент трения скольжения уменьшается [6]. Этот факт нашел подтверждение и в наших исследованиях. Независимо от того, как достигалось снижение коэффициента трения при испытаниях, сила звука уменьшалась.
При испытании цилиндрических образцов по схеме «диск-палец» мы регистрировали высокий уровень шума и неявно выраженный резонансный пик на частоте 2000 Гц (рис. 3, а), который может быть связан с возбуждением резонансных колебаний в системе «контртело-держатель образцов». Высокий уровень шума, который перекрывает резонансные звуковые сигналы, обусловлен большими размерами узла трения (диаметры дисков держателя образцов и контртела составляют 300 мм) и взаимным расположением его элементов, что усиливает звуковые волны в атмосфере. Ультразвуковая обработка торцевой поверхности цилиндрических образцов привела к снижению уровня шума при испытании, особенно, в области высоких частот (рис. 3, б). Из-за этого в спектре появился еще один резонансный пик на частоте 9000 Гц, который был слабо выражен в предыдущем случае. Значительное снижение шума, которое имело место после ультразвуковой обработки поверхности трения, по-видимому, связано с уменьшением адгезионного взаимодействия поверхностей сопряжения. Как было отмечено во введении, в ряде случаев в звуковом спектре при трении может доминировать адгезионная составляющая [11]. Коэффициент трения, как и следовало ожидать, в этом случае был ниже, чем при трении исходных образцов (рис. 3, е, г). При этом флуктуации коэффициента трения в том и в другом случаях практически одинаковы.
На первый взгляд, полученный результат может показаться очевидным, но если напомнить, что твердость поверхностного слоя после испытаний на трение и после ультразвуковой обработки одинакова, то окажется, что различия в звучании и коэффициенте трения не связаны с высокой твердостью поверхностного слоя после
—\-
-I------------------1
дь о -12 -г*
■36
АО
вл
■56
гяоо 5мо 1смо г«оа 1йсо^ Ги
20(И £ОД0 ИЮЮ 14ИМ ГЙС02
О ^
./ а *С- -
а.эб
«од
*4оа
■15И
[1рсы? с.
Г' 4-1 ■
^ 0 40
ш
440й
В[;ем:- С
Рис. 3. Спектр акустического излучения (а, 6) и коэффициент трения (в, г) при испытании цилиндрических образцов в исходном состоянии (а, в) и после обработки ультразвуком (б, г)
ультразвукового воздействия. Можно предположить, что формирование нанокристаллической структуры в результате ультразвукового воздействия, о чем говорилось выше, вызывает изменение характера контактирования поверхностей и износа. Это и влияет на коэффициент трения и генерацию звука. Однако, учитывая низкий износ данной стали при трении скольжения и незначительные отличия в регистрируемых параметрах, особенностей процесса изнашивания в данном случае не выявили.
Согласуются с литературными данными и исследования влияния нагрузки на силу звука при трении. Испытания образцов по схеме «вал-втулка» показали, что увеличение нагрузки приводит к снижению и коэффициента трения и интегрального акустического сигнала (рис. 4). Следует также отметить особенность, которая характерна для трения втулок, — регистрируются ярко выраженные резонансные частоты звучания на фоне слабого шума, вызванного работой двигателя машины трения, тогда как при испытаниях по схеме «палец-диск» преобладал шум. Обусловлен низкий уровень шума формой резонатора—узла крепления вала и втулки. Поэтому на фоне невысокого шума и проявляются ха-
рактерные звуковые частоты, связанные с колебаниями отдельных элементов трибосопряжения.
Подобный спектр акустического сигнала был и при испытании втулок, имеющих другие диаметры. При одной и той же нагрузке на начальной стадии трения звук отсутствовал для втулок с бульшим диаметром. Объяснить это можно бульшим давлением в зоне трения. По мере приработки втулок с повышенным зазором площадь контактирования увеличивалась, давление в сопряжении уменьшалось, что вызывало появление звука. Причем, возбуждение звукового сигнала происходило периодически с частотой, в ряде случаев отличной от частоты вращения вала. Связано это может быть с длительностью цикла деформирования и разрушения поверхностного слоя, которая не совпадает со временем одного оборота вала.
Существует мнение [18], что процесс возникновения фрикционных колебаний (сопровождающийся, в том числе, акустической эмиссией) связан с изменением параметров трения за счет тепловых процессов, особенно при сухом трении. В случае адгезионного схватывания нарушается устойчивость трения — возникают колебания, в результате чего разогрев поверхностей трения
Интенсивность звука, % Интенсивность звука, % Интенсивность звука, %
Рис. 4. Интенсивность звука, издаваемого трибосопряжением, и коэффициент трения при испытании втулки (031.1 мм;Ь = 30 мм) в зависимости от нагрузки
на этапе относительного скольжения приводит кумень-шению коэффициента трения, а на этапе относительного покоя поверхность охлаждается, и коэффициент трения возрастает. Изменение коэффициента трения и приводит к фрикционным колебаниям. Поскольку средняя температура поверхностного слоя в результате фрикционных колебаний непрерывно растет [19], то коэффициент трения может снизиться настолько, что колебания прекратятся. Затем температура снижается, ко-
Рис. 5. Отношение скорости смещения слоев образца V к скорости контртела Ук {Ь — расстояние до поверхности трения): до начала пластического деформирования (7); при пластическом сдвиге поверхностного слоя (2)
лебания вновь возникают. Таким образом, процесс возбуждения колебаний носит циклический характер. Механизм генерации фрикционных колебаний рассмотрен в работе [20], в которой показано, что причиной возбуждения колебаний является пластический сдвиг поверхностных слоев в зоне трения. Пластическая деформация «запускает» в системе колебания (рис. 5, кривая 2). Они не постоянны, так как пластический сдвиг в поверхностном слое идет не непрерывно, а скачкообразно. Каждый новый акт пластической деформации ведет к зарождению в нижележащем материале упругой волны сдвига, которая распространяется вглубь со скоростью, соответствующей скорости поперечной звуковой волны. Частота таких колебаний равна собственной частоте колебаний резонатора. Тот же эффект должен наблюдаться и при отрыве частицы износа, т.к. механизм относительного перемещения плоскостей одинаков в обоих случаях. Тот факт, что при увеличении давления звук, издаваемый трибосистемой, исчезает, объясняется увеличением температуры на поверхности трения, которое приводит к снижению коэффициента трения ниже порогового значения [6], когда фрикционные колебания отсутствуют.
5. Демпфирование фрикционных колебаний
Сравнение триботехнических характеристик при испытании на трение с использованием демпфирующего устройства и без него проводили для втулок диаметром
а в и 1в га к. Гч
0.60.2-------------------1-----------------=----------
4230 4220 *24-а Г, с
Рис. 6. Зависимость интенсивности звуковой волны от времени (а), спектр звука (б) при трении втулки 031.2 мм и соответствующий им коэффициент трения (в)
31.2 мм и Ь = 20 мм при нагрузке 250 Н и втулок того же диаметра с £ = 10 мм при нагрузке 300 Н.
На рис. 6 представлены параметры звука и значения коэффициента трения &тр при испытании втулки с Ь = = 20 мм. Звуковые сигналы (рис. 6, а) возбуждаются последовательно, следуя друг за другом с интервалами различной длительности, не совпадающими с частотой вращения вала. Такое звучание трибоузла связано с характером взаимодействия сопряженных плоскостей, который определяется последовательностью актов схватывания, деформирования поверхностного слоя и отделения частиц износа. Все эти акты способны вызвать высокочастотную вибрацию пары трения, передающуюся всему узлу крепления образцов и вызывающую его резонансные колебания. Спектр звучания состоит из набора гармоник, один из которых для примера показан на рис. 6, б. Видимое на рисунке наложение звуковых сигналов с близкими частотами может свидетельствовать о различном взаимодействии поверхностей в зоне трения. Деформирование поверхностного слоя и отделение частиц износа одинаково возбуждают колебания, но из-за различий в характере контактирования частоты колебаний могут несколько различаться. Это подобно
2 0 1Л [4 1й к, Гц
0.0 -----:---------------------------------------
■1?С0 4230 4240 1, с.
Рис. 7. Зависимость интенсивности звуковой волны от времени (а) в том же масштабе, что и на рис. 6, спектр звука (б) и коэффициент трения (в) при испытании втулки (031.2 мм) с устройством, снижающим интенсивность звука при трении
изменению упругости связи в связанных маятниках. На рис. 6, в показана зависимость коэффициента трения от времени; ктр изменяется около среднего значения, равного 0.76, случайным образом с малой амплитудой.
Применение специального демпфирующего узла крепления значительно снизило силу звука (рис. 7, а) и изменило спектр звучания данной пары трения (рис. 1,6) — в нем отсутствуют резонансные частоты. Звук соответствует шуму установки, незначительно превышающему порог слышимости (-120 дБ). Такое изменение параметров звучания трибоузла при сохранении условий испытаний сопровождается изменением величины ктр в зависимости от времени. Действительно, его среднее значение (рис. 7, е) снизилось по сравнению с показанным на рис. 6, ей стало равным 0.62. Кроме того, зависимость коэффициента трения от времени имеет ярко выраженный периодический характер с амплитудой, значительно превышающей флуктуации данной величины, показанной на рис. 6, в. Сравнение зависимости коэффициента трения, представленной на рис. 7, е, с аппроксимирующей синусоидальной кривой показало их хорошее совпадение; коэффициент корре-
Рис. 8. Частицы износа: трение без демпфирующего устройства (а); трение с устройством, устраняющим звук (б)
ляции оказался равным г = 0.87. Подсчитанный таким же образом коэффициент корреляции (г = -0.25) для кривой, представленной на рис. 6, е, свидетельствует об отсутствии совпадения данной зависимости с синусоидой. Период колебаний & на рис. 7, в в несколько раз превосходит время одного оборота втулки, поэтому такое изменение нельзя связать с частотой вращения вала испытательной машины и с ее конструкционными особенностями. Подобное периодическое изменение коэффициента трения, наблюдавшееся нами и в ряде других испытаний износостойких сталей, скорее всего, обусловлено периодичностью процесса изнашивания, на которое указывают и в других работах [1]. Изнашивание характеризуется стадией накопления дефектов в поверхностном слое, когда деформация приводит купроч-нению материала, и стадией интенсивного разрушения этого слоя с отделением частиц износа. Каждой стадии может соответствовать свой коэффициент трения.
Отсутствие периодичности в изменении коэффициента трения при испытаниях с обычным креплением трибоузла связано с иным характером трения и изнашивания. В этом случае на каждой стадии в процесс изнашивания значительный вклад вносят упругие напряжения, вызванные колебаниями элементов трибосопряже-ния. Износ носит стохастический характер, при этом случайным образом изменяется и коэффициент трения. О возможности подобного влияния упругой волны можно судить по результатам математического моделирования процесса трения [20], когда элементарный акт пластического сдвига в зоне трения происходил при достижении фронтом упругой волны поверхности. В этом случае напряжение трения и напряжение, связанное с упругой волной, складываются, вызывая пластическую деформацию на поверхности.
Иное поведение ктр отмечено при испытании втулок диаметром 31.2 мм и Ь = 10 мм при нагрузке 300 Н. В этом случае также имело место снижение среднего значения коэффициента трения при применении демпфи-
рующего устройства, но периодичности, подобно показанной на рис. 7, е, не наблюдали. Звук, как и в описанном выше случае, исчезал, когда устанавливали демпферы. То, что при изменении условий контактирования наблюдали иные закономерности, лишь подчеркивает сложность процесса трения, который зависит от многих факторов.
Что касается деформационного рельефа на боковой поверхности, о котором говорилось выше, то при всех испытаниях вид его был аналогичен показанному на рис. 2, а. Толщина деформированного слоя зависела только от нагрузки, применялись демпфирующие втулки или нет. То, что глубина деформационного рельефа оказалась одинаковой как при применении демпфера, так и без него, подтверждает существование единого механизма деформирования поверхностного слоя, о чем говорилось в работе [16]. В ней подчеркивалось, что статические нормальные и тангенциальные напряжения не могут привести к подобной деформации, причиной ее являются высокочастотные (ультразвуковые) возбуждения поверхности трения.
Так как звуковые сигналы отражают вибрации трибоузла, влияющие на величину коэффициента трения, то можно ожидать и влияния этих вибраций на износ. В данной работе износ втулок после испытаний с применением демпфера или без него определяли по площади контактирования, точнее по длине дуги, по которой контактировали вал и втулка. Например, длина данной линии у втулок высотой 10 мм (при нагрузке 300 Н) была в пределах 25-30 мм и никакой закономерности влияния демпфирующего устройства выявлено не было. Однако особенности обнаружились при сравнении частиц износа (рис. 8). Прежде всего, обращает на себя внимание определенное различие в морфологии этих частиц независимо от режима испытаний. Одна группа частиц имеет сферическую форму и малые размеры, другая состоит из плоских частиц с размерами, достигающими 500 мкм и больше. Микрорештеноспекгральный анализ
Рис. 9. Распределение частиц износа по размерам: при трении без демпфирующего устройства (7); при трении с устройством, устраняющим звук (2)
показал, что плоские частицы являются частицами стали Гадфильда, сферические частицы состоят из окислов и их нельзя отнести к какой-либо одной стали исследуемого сопряжения. Поэтому сравнительному анализу были подвергнуты только те частицы износа, которые можно достоверно отнести к стали Г13. На рис. 9 показано распределение частиц износа по размерам. Отметим общее увеличение размеров частиц износа, полученных при испытании, когда при трении возбуждался звук. В случае изнашивания в отсутствие генерации звукового сигнала подавляющее число частиц износа стали Гад-фильда имело малые размеры. Объяснить столь разную морфологию частиц износа в настоящее время затруднительно, так как не проводились наблюдения эволюции структуры поверхностного слоя от начала деформирования до отделения частиц износа. Кроме того, при выбранных режимах испытаний износ и, следовательно, объем частиц износа были чрезвычайно малы, что затруднило интерпретацию данного результата.
6. Заключение
Основной результат данной работы заключается в установлении взаимосвязи динамики трения, выраженного упругими колебаниями элементов трибосопряже-ния, с особенностями деградации структуры поверхностного слоя и поведением коэффициента трения. Есть основание считать, и это подтверждают результаты моделирования, что причины, вызывающие появление упругих колебаний, связаны с пластическим сдвигом материала в пятнах касания или отделением частицы износа. Устранение колебаний в системе, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения, свидетельствует
о смене механизма трения, который может быть обусловлен как изменениями процесса изнашивания (на это указывает морфология частиц износа), так и изменением собственно динамики трения.
Литература
1. ФадинЮЛ., ЛексовскийАМ., ГинзбургБ.М., Булатов В.П. Периодичность акустической эмиссии при сухом трении пары сталь-латунь II Письма в ЖТФ. - 1993. - Т. 19. - № 5. - С. 10-13.
2. Крагелъсшй И.В., ГитисН.В. Фрикционные автоколебания. - М.: Наука, 1987. - 181 с.
3. Справочник по триботехнике: В 3 т. / Под ред. М. Хебды, А.В. Чи-чинадзе. - М.: Машиностроение, 1989. - Т. 1. - 400 с.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов вузов. - М: Машиностроение, 1985. - 424 с.
5. Браун Э.Д., БушеН.А., Буяновский И.А. и др. Основы трибологии I
Под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. -778 с.
6. Bergman К, Eriksson М., Jacobson S. Influence of disk topography on generation of brake squeal 11 Wear. - 1999. - V. 225-229. - P. 621628.
7. Jibiki Т., Shima М., .Akita H., Tamura M. A basic study of friction noise caused by fretting 11 Wear. - 2001. - V. 251. - P. 1492-1503.
8. Гриценко Б.П., Круковскии K.B., Кашин O.A. Деформационное по-
ведение ионно-имплантированных a-железа и стали 45 при трении и износе в условиях подавления акустических колебаний II Физ. мезомех. - 2004. - Спец. вып. - Ч. 1. - С. 415-418.
9. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. - Томск: Красное знамя, 1947,-Т. 4.- 539 с.
10. Chen G.X., Zhou Z.R. Correlation of negative-velocity slope with squeal generation under reciprocating sliding conditions II Wear. -
2003. -V. 255. - P. 376-384.
11. Guangxiong C., Zhongrong Z., KapsaP, Vincent L. Effect of surface topography on formation of squeal under reciprocating sliding 11 Wear. - 2002. - V. 253. - P. 411-423.
12.Бородич Ф.М., КрюковаИ.В. Фрикционные автоколебания, обусловленные деформированием шероховатостей контактирующих поверхностей // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23. - № 6. - С. 67-73.
13. Eriksson М., Bergman F, Jacobson S. Surface characterization of brake pads after running under silent and squealing conditions II Wear. - 1999. - V. 232. - P. 163-167.
14. Колубаев A.B., Попов В.Л., Сизова O.B., Тарасов С.Ю. Особенности структуры поверхностных слоев металлов при трении с высокими нагрузками II Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. -Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 265-275.
15. Сизова О.В., Колубаев Е.А. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства перлита II Изв. вузов. Физика. - 2003. -№ 2. - С. 27-30.
16. Попов В.Л. КолубаевА.В. Анализ механизмов формирования поверхностных слоев при трении II Трение и износ. - 1997. - Т. 18.— № 6. - С. 818-826.
17. КолобовЮ.Р, Кашин О.А., Дударев Е.Ф. и др. Влияние ультразвукового деформирования поверхности на структуру и механические свойства поликристаллического и наноструктурного титана// Изв. вузов. Физика. - 2000. - Т. 43. - № 9. - С. 45-50.
18.БерковичП.П., ГромаковскийД.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов I Под ред. Д.Г. Громаковского. - Самара: Изд. Самар, гос. техн. ун-та, 2000. - 268 с.
19. РубцовВ.Е., КолубаевА.В., ПоповВ.Л. Численное исследование температурного режима в пятне контакта при трении со схватыванием // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 42. - № 9. - С. 58-64.
20. Рубцов В.Е., КолубаевА.В. Пластическая деформация и квазипе-риодические колебания в трибологической системе II ЖТФ. -
2004. - Т. 74. - № 11. - С. 63-69.
