Моделирование и экспериментальное исследование изнашивания материалов контактирующих тел в условиях их циклического нагружения

Автор: Ирина Георгиевна Горячева

Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

 Разрушение поверхностных слоев материалов контактирующих тел (их изнашивание) в условиях фрикционного взаимодействия происходит в результате высокой концентрации внутренних напряжений вблизи области контакта. В зависимости от величины напряжений разрушение может наблюдаться как в результате однократного взаимодействия контактирующих тел, когда напряжения достаточно велики, чтобы удовлетворить критерию разрушения (абразивный и адгезионные виды изнашивания), так и в результате их циклического нагружения, когда в поверхностных слоях происходит интенсивное накопление дефектов, что приводит к их разрушению по усталостному механизму. Как показывают многие экспериментальные исследования, усталостный износ,  имеющий место при фрикционном взаимодействии поверхностей, является наиболее частой причиной их разрушения.

 Для моделирования усталостного изнашивания часто используется макроскопический подход, заключающийся в построении функции поврежденности материала Q. При этом скорость накопления поврежденности предполагается зависящей от амплитудных значений некоторых критериальных напряжений внутри поверхностных слоев контактирующих тел (например, от амплитудных значений максимальных касательных напряжений). С целью учета влияние температурных эффектов на процесс подповерхностного разрушения используются также и более сложные модели, основанные, в частности, на  термокинетической теории разрушения материала [1].

 Несмотря на применения различных моделей для исследования накопления поврежденности, можно выделить общие закономерности усталостного износа, а именно наличие инкубационного периода, возможность одновременного протекания непрерывного поверхностного изнашивания и отделение частиц конечных размеров, а также наличие стационарного режима изнашивания, наступающего при определенных условиях контактного взаимодействия. В качестве примера на Рис. представлена функция поврежденности Q, рассчитанная при скользящем контакте для различного числа циклов N [2]. После первого акта подповерхностного разрушения (1) эта функция является монотонно убывающей (2, 3), что соответствует поверхностному износу. С увеличением количества циклов N появляется перегиб и происходит следующее подповерхностное разрушение (4), после чего функция Q снова становится монотонно убывающей по глубине изнашиваемого тела (5, 6).

 Таким образом, теоретическое исследование процесса накопления усталостной поврежденности позволяет спрогнозировать не только момент разрушения, но также место начало разрушения и параметры частиц износа.