5.4. Развитие усталостных трещин при трении
Из большого многообразия микродефектов поверхности твердых тел (рис. 5.5) можно выделить наиболее характерные клиновидные трещины в виде плоской трещины (а), клинообразной трещины двойного заострения (б) и полуэлептического сечения (в). Из них наиболее распространенными можно считать плоскую клинообразную трещину, имеющую некоторое закругление в ее устье с радиусом . При приложении внешних сил к хрупким твердым телам мы сталкиваемся с фактором, когда вблизи устья трещины и в плоскости ее сечения наблюдается резкое увеличение напряженного состояния материала мол в несколько раз превышающее среднее напряжение , приложенное к внешней поверхности тела (рис. 5.6).
Рис. 5.5. Геометрические формы микротрещин
В тех случаях, когда энергия, приложенная внешними силами к материалу устья трещины, превышает энергию, необходимую для образования новой поверхности, происходит развитие трещины. Если этого превышения не происходит, трещина после некоторого своего увеличения в момент приложения внешней силы, после снятия нагрузки приходит в исходное состояние. В условиях же реальных тел, не обладающих абсолютной упругостью, может происходить и постепенное развитие трещины. Особенно это может проявляться при многоцикловых нагружениях твердых тел.
Помимо развития внешних трещин в твердом теле могут развиваться и внутренние трещины (рис. 5.7), получившие название трещины Гриффитса по имени автора, теоретически исследовавшего
механизмы их развития. Гриффитс установил, что напряжение Р,
Рис. 5.6. Напряженное состояние материала вблизи устья микротрещины
при достижении которого трещина начинает быстро расти, связано с начальной длинной трещины С, поверхностной энергией и модулем упругости Е материала
.
Большое влияние на развитие трещины и на разрушение тел оказывает внешняя среда и прежде всего эффект Ребиндера.
Рис. 5.7. Трещина Гриффитса
В условиях внешнего трения, под действием нормальных нагрузок и сил трения на материал трущихся тел воздействуют периодические усилия с достаточно высокой частотой воздействия. Подобные силы в сочетании с действующей достаточно активной средой (газовой и материала смазочных веществ) способствуют развитию усталостного механизма разрушения трущихся тел.
5.5. Работа сил трения. Температура на поверхностях трения
Под воздействием внешних сил при относительном смещении двух контактирующих тел в зоне их трения одновременно реализуется большое множество элементарных фрикционных связей с разными типами взаимодействия продолжительностью 10-2...10-4 с. Каждый выступ одного тела за время нахождения в зоне трения реальных тел испытывает многократное воздействие со стороны другого тела, деформируется, воспринимает эту энергию и тут же излучает и передает ее близлежащим телам.
В общем случае интегральную характеристику фрикционного взаимодействия - работу (энергию) трения между твердыми телами можно представить вить в виде
,
где F - сила трения; l - путь трения, равный длине зоны трения;
- коэффициент трения; Е - энергия.
А мощность, теряемую во фрикционном контакте, - в виде
,
где t – время фрикционного контакта; Vck - скорость скольжения.
Согласно 1- му закону термодинамики работа трения расходуется на образование новой поверхности S и на изменение внутренней энергии Е системы, т.е.
.
В большинстве случаев 95...99 % от затрачиваемой работы трения расходуется на изменение внутренней энергии трущихся тел. До 95 % из них расходуется на нагрев непосредственно контактирующих поверхностей трения, а оставшаяся доля - на возбуждение низко- и высокочастотных колебаний выступов поверхности, являющихся источниками звуковых и электромагнитных волн, начиная от низких и до более высоких, приближающихся к легкому рентгеновскому излучению.
При деформировании, микрорезании, оттеснении и отделении частиц материала трущихся тел, а также при развитии внешних и внутренних трещин происходит увеличение поверхности твердых тел с присущей для нее нескомпенсированной свободной поверхностной энергией. На это расходуется от 1 до 5 % от затраченной работы трения.
Энергия, генерируемая на выступах поверхности трущихся тел, во время свершения фрикционного взаимодействия в дальнейшем переносится как в окружающую среду, так и внутрь тел трущейся пары. При этом важное влияние на перераспределение потоков энергии и их абсолютную величину оказывают теплофизические характеристики среды, поверхности и самого материала трущегося тела, а также форма контактирующих тел и закономерности подвода энергии в зону трения.
Реальный контакт трущихся твердых тел (рис. 5.1) весьма неоднороден по напряженному состоянию материалов трущихся тел. Это обстоятельство является причиной и того, что выделяющаяся при трении энергия далеко неравномерно распределяется по объему контактирующих тел. Тепловая динамика трения твердых тел, опираясь на молекулярно-механическую теорию трения, теплофизические исследования и специальные эксперименты, выделяет объемную температуру тела V, среднюю температуру поверхности трения ср и температуру вспышки всп. Для ряда видов трения температура поверхности может быть в 2...3 раза выше объемной температуры трущихся тел, а температура вспышки еще на 100 градусов и более превышать температуру поверхности трения. В общем случае максимальная температура трения на фактическом пятне контакта может быть представлена в виде
.
А это означает, что возникающие на реальном контакте трущихся тел температуры могут оказывать существенное влияние на состояние и свойства поверхностных слоев, а также и на свойства самих трущихся тел, вплоть до фазовых превращений, тем самым оказывая существенное влияние на трение и износ трущихся тел.
На основании изложенного выше наибольшее внимание при решении большинства триботехнических задач в настоящее время уделяется влиянию тепловой динамики трения на развитие фрикционных процессов, а также на трение и изнашивание узлов трения машин и оборудования.