Трибология. Структурные аспекты внешнего трения

1 Краткий анализ состояния вопроса и перечень решаемых задач

1.1 Структурные аспекты внешнего трения

Трибология является одной из важных прикладных наук, так как ее достижения используются во всех областях техники, практически не существующих без подвижных сопряжений. В многочисленных исследованиях теоретические и прикладные вопросы внешнего трения решались, в основном, в аспекте механики контактного взаимодействия поверхностей. К ним можно отнести: представление о дискретном характере и фактической площади фрикционного контакта; положительный градиент механических свойств по глубине приповерхностного слоя; влияние фрикционного переноса металла на характер трения и изнашивания; влияние предыдущего фактора на характер упруго-напряженного состояния приповерхностного слоя; деформационно-усталостный характер разрушения поверхностей трения; адсорбционное действие сред на процессы трения.

В связи с современными требованиями по реализации высокой надежности и долговечности триботехнических систем в настоящее время необходим качественно новый уровень знаний о процессах, протекающих на поверхностях трения. Первостепенное значение в этом плане имеет проблема изнашивания материалов. Согласно работы [1] состояние этой проблемы на данном этапе познания определяется "как переходный период между накоплением опытных данных» осмысливанием их в категориях механики, физики и химии и обосновыванием конкретных целенаправленных исследований фрикционного взаимодействия, реализуемого в элементах машин".

Решение проблемы изнашивания материала при трении базируется на физических закономерностях упрочнения и разрушения поверхностного слоя, которые практически были не изучены. Существующие же познания процессов разрушения относились к обычным видам нагружения - растяжению, сжатию и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что любому процессу разрушения предшествует подготавливающая его пластическая деформация в объеме, главным и определяющим итогом участия которой является формирование нарушений сплошности материала - очагов будущего разрушения. Эта гипотеза, впервые обоснованная в [2, 3], в дальнейшем была достаточно подтверждена экспериментально и дополнена представлениями, согласно которым в основе трещинообразования лежит дислокационный механизм. В соответствии с этим разработан ряд дислокационных механизмов образования трещин, большинство из которых наблюдалось экспериментально. При блокировании препятствием плоского скопления дислокаций микротрещины могут зарождаться двояко - в результате достижения уровня теоретической прочности материала при концентрации напряжений в фокусе [4, 5] и за счет слияния головных дислокаций скопления [6, 7]. Дальнейшие теоретические исследования данного механизма утвердили критерий о недостаточности изолированного одиночного дислокационного скопления для образования неравновесных микротрещин и необходимости для этого кооперативного действия нескольких линий скольжения, образующих полосу скольжения [8-11]. Одновременно возможно действие других механизмов трещинообразования: за счет раскола по полосе скольжения [12, 13]; при пересечении двойников деформации [14, 15] и полос скольжения [16, 17]; при пересечении субграниц наклона полосами скольжения [18, 19]; на поверхности большеугловых границ, "атакованных" полосами скольжения [20–22].

Анализ существующих экспериментальных и теоретических данных в области металлофизических представлений процессов разрушения поверхностных слоев при трении отмечает серьезное отставание от вышеперечисленных достижений в этой области при обычных способах нагружения (одноосное растяжение или сжатие). Отдельные результаты по этой проблеме имеются в трудах отечественных авторов В. Д. Кузнецова, Б. И. Коетещого, П. В. Назаренко, Е. А. Марченко [23-28] и зарубежных Г. Фляйшера, А. Шилинга, Н. П. Су [29-32].

Наибольшее развитие отдельных прикладных задач триботехники на основе современных дислокационных представлений было осуществлено Киевской школой ученых. Так, Б. И. Костецким с сотрудниками [33, 34] впервые было выдвинуто положение о более сильном течении процессов пластической деформации и упрочнения в поверхностных слоях при трении по сравнению с объемными способами нагружения всего материала (растяжением, сжатием, прокаткой). Согласно этого подхода должно существовать две формы напряженно-деформированного состояния кристаллической решетки, первая из которых обусловлена сильным текстурированием поверхностного слоя и последующей его аморфизацией под влиянием многократных воздействий и вторая - связана с протеканием волновых процессов распространения упругих деформаций. Этот подход позволил авторам работы [33] сделать предположение о формировании на контактирующих поверхностях специфической структуры с особыми свойствами, определяющими аномальное поведение материала поверхностных слоев.