Упругое предварительное смещение при наличии промежуточного слоя Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 183 1968

УПРУГОЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ СМЕЩЕНИЕ ПРИ НАЛИЧИИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ

Б. П. МИТРОФАНОВ, В. И. МАКСАК

(Представлена научным семинаром кафедры сопротивления материалов)

При взаимодействии шероховатых тел, как известно, наблюдается деформация поверхностного слоя в зоне дискретного соприкосновения. В зависимости от характера действующих сил наблюдаемые при этом перемещения называют сближением или предварительным смещением [1,2].

Обычно поверхности контактирующих тел разделены тонкими адсорбционными слоями различной природы и происхождения, имеют частицы основного материала, оставшиеся при обработке поверхности следы масла и т. д. При экспериментальном исследовании деформаций поверхностных слоев используют различные методы очистки поверхностей [1,3].

С другой стороны, исследование деформаций дискретного контакта при наличии тонкого промежу! очного слоя представляется теоретически интересным и практически важным, так как этот слой существенно влияет на развитие многих явлений и технических процессов.

Вещество, распределенное тонким слоем на поверхности твердого тела, приобретает свойства, отличные от обычных наблюдаемых в большом объеме. Так, например, жидкость в тонком слое на поверхности твердого тела обладает упругостью формы, переходя в иное агрегатное состояние — квазитвердое [3].

С целью выяснения влияния тонкого промежуточного слоя на характер деформации дискретного контакта была проведена серия опытов с контактами из следующих пар материалов: закаленная сталь — закаленная сталь, медь — медь, закаленная сталь —свинец.

Образцы и прибор для измерения перемещений описаны в [4]. В качестве промежуточных слоев использовались следующие материалы: солидол, вода, машинное масло, дисперсный мел, канифоль и графит. Контактирующие поверхности образцов обрабатывались абразивной бумагой. В опытах измерялось сближение и упругое -предварительное смещение.

Анализ опытных результатов позволяет сделать следующее утверждение:

1. Жидкие промежуточные слои весьма слабо влияют на величину сближения контактирующих тел (рис. 1).

2. Наличие промежуточного слоя не изменяет характера зависимости сила сдвига — смещение, но сильно сказывается на величине предельной силы сдвига, т. е. на коэффициенте трения покоя (рис. 2).

лгс

Рис. 1. Зависимость между сближением б и силой сжатия N для контакта закаленных образцов из стали 45. 1 — без промежуточного слоя; 2—слой канифоли; 3—слой солидола; 4 — слой воды; 5 — слой мела; 6 — слой графита; 7 — слой масла

Рис. 2. Зависимости между предварительными смещениями Д и сдвигающими силами Р для контакта закаленных образцов из стали 45. Сила сжатия 45 кг. Образцы соприкасались по кольцевой плоскости шириною 2 мм и средним диаметром 20 мм. I — без промежуточного слоя; 2—слой канифоли; 3 — слой солидола; 4 — слой воды; 5 — слой меди; 6 — слой графита; 7 — слой масла

Характерно, что при малы* усилиях сдвига величина смещения не зависит от наличия промежуточного слоя.

Перечисленные здесь утверждения позволяют следующим образом представить особенности упругого предварительного смещения с промежуточными слоями.

Величина деформации тонких промежуточных слоев жидких материалов, находящихся в квазитвердом состоянии, незначительна по сравнению с деформацией поверхности контактирующих тел. Однако влияние этих слоев на деформацию поверхности велико и проявляется по-видимому через пластифицирующее воздействие [5] на объемы металла, испытывающие локальную пластическую деформацию [6]. В опытах это фиксировалось как уменьшение коэффициента трения. Тогда для анализа упругого предварительного смещения при наличии промежуточного слоя можно использовать зависимости, изложенные в работе [6], учтя влияние промежуточного слоя через изменение коэффициента трения.

Проанализируем некоторые теоретические зависимости, используя формулу сдвига для единичного выступа [6]

р

Л = 3<2.-*> /;У

8 ва

1-

где А — относительное касательное перемещение единичного выступа контактирующих тел, •

р. — коэффициент Пуассона, О — модуль сдвига,1 а — радиус круга давления, /—коэффициент трения, А^ —сжимающее усилие, Р — сдвигающее усилие.

^ ¿л 2 —г' Отсюда податливость - будет

йР йР 40а

1

Следова-

тельно, начальная податливость, равная 50 = ^-не зависит от коэф-

4 Оа

фициента трения, т. е. от наличия промежуточного слоя, что подтверждается опытами, (рис. 2).

Величина предельного предварительного смещения будет пропорциональна коэффициенту трения:

р та

Этот факт так же согласуется с опытами.

В заключение отметим, что влияния промежуточных слоев из материалов типа графит, мел, канифоль и т. п. на предварительное смещение и сближение могут быть иными, чем рассмотренное выше. Это объясняется тем, что в данном случае толщина слоев может быть больше. Величина деформации таких слоев будет так же большей, соизмеримой с деформацией поверхности металла или даже превышать ее.

ЛИТЕРАТУРА

1. Н. Б. Демк'ин. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. Изд. АН СССР, 1962.

2. И. В. К 'р а г е л ь с к (И й, 'В. С„ Щедро в. Развитие науки о трении. Изд. АН СССР, 1955.

3. А. С. Ах матов. Молекулярная физика граничного трения, Физматгиз, • 1963.

4. И. Р. Кон я хил. Теория предварительных смещений применительно к вопросам контактирования деталей. Изд. Томского университета, 196'5.

5. В. И. Лихтман, П. А. Реб.индер, Г. В. Карпенко. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформации металлов. Изд. АН СССР, 1954.

6. Б. П. Митрофанов. Упругое предварительное смещение. Изв. вузов, Машиностроение, № 5, 1965.