Раздел II
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ
Глава 3
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ, РАБОТАЮЩИЕ БЕЗ СМАЗКИ
- Факторы, определяющие характер контакта металлов
Характер контакта твердых тел существенно зависит от геометрии и физико-механических свойств поверхностных слоев [119, 123]. Известно, что поверхности реальных тел всегда имеют отклонения от идеальной геометрической формы, которые можно подразделить на следующие виды [81]: макроотклонения (нерегулярные макроскопические изменения поверхности детали); волнистость поверхности (периодические макроотклонения от идеальной геометрической формы детали); шероховатость поверхности (микроотклонения геометрического профиля волнистой поверхности); субмикрошероховатость поверхности (отклонения от геометрической формы поверхностей микронеровностей).
Отклонения от идеальной формы поверхностей реальных тел приводят к тому, что в пределах номинальных контактирующих поверхностей касание происходит только в отдельных зонах. Суммарная площадь их образует фактическую площадь касания (ФПК). Пятна касания группируются на участках, образующихся вследствие деформирования волн, и площадь этих участков называется контурной площадью касания. Принято считать контурные площади совпадающими с площадями контакта гладких тел, вычисленными по формулам Герца для соответствующих конфигураций, взаимодействующих тел. В зонах контакта отдельных микронеровностей могут наблюдаться упругие, упругопластические и пластические деформации, смятие и внедрение. Смятие происходит тогда, когда более мягкое тело, имеющее шероховатую поверхность, контактирует с более твердым телом, шероховатость поверхности которого хотя бы на два класса выше. Как показывает анализ работ [160, 347], внедрение — наиболее распространенный вид деформирования микронеровностей. Оно обусловлено неоднородностью механических и геометрических характеристик поверхностей твердых тел или отдельных их участков [160].
Средние нормальные напряжения на фактическом контакте зависят от глубины внедрения. Для их оценки в процессе внешнего трения используются механические характеристики более мягких из контактирующих тел [160, 286]. При этом, как показывает анализ напряженного состояния в зонах фактического касания металлов, процессы деформации при упругом деформировании сосредоточены в слоях толщиной до нескольких микрометров, а при пластическом — до десятков микрометров [160].
В настоящее время при оценке взаимодействия поверхностей полагают [81, 123], что при пластических деформациях в зонах касания средние нормальные напряжения одинаковы для всех микронеровностей. Это предположение приближенно, так как вершины микронеровностей распределены по высоте по определенному закону. Однако оно достаточно хорошо соответствует эксперименту в диапазоне относительных внедрений 0,02<h/R<0,17 [298, 360].
Расчет ФПК — важнейшая часть оценки любой из характеристик контактного взаимодействия, в том числе фрикционных и электрических. В электрическом контакте роль адекватного реальности расчета ФПК еще более возрастает, так как на части этой площади сосредоточивается практически весь поток энергии, передаваемой от одного контактирующего тела к другому.
В настоящее время наиболее распространенным методом расчета ФПК является метод опорных кривых. Этот метод, детально разработанный Н. Б. Демкиным, И. В. Крагельским, Н. М. Михиным [81, 123, 160], позволяет прогнозировать ФПК по профилограммам поверхностей. Модель шероховатой поверхности при таком методе предусматривает следующие допущения.
- Шероховатости заменяются сферическими сегментами равного радиуса, расположенными на жестком основании. При этом сближение двух тел определяется лишь деформациями гладкого тела и шероховатого слоя.
- Соседние контакты не влияют друг на друга, и предполагается существование однозначной связи между нагрузкой и деформацией.
Расчет ФПК по методу опорных кривых требует определения ведущего вида деформации контакта и введения соответствующих критериев перехода от одного вида деформации к другому. Эти критерии вводятся следующим образом.
Устанавливается диапазон контурных давлений, в пределах которых будут наблюдаться упругие деформации в зонах касания. Первые признаки пластических деформаций в зоне касания единичной микронеровности, имеющей сферическое очертание, появятся, когда максимальные напряжения, определенные по Герцу, достигнут твердости материала по Бринеллю. Контурное давление Pc=N/Ас, ниже которого в зонах касания будут происходить только упругие деформации, находим по формуле [160]:
где — постоянная интегрирования, зависящая от показателя кривой опорной поверхности; Рс — контурное давление; b, v— параметры опорной кривой; Е, μ — модуль упругости и коэффициент Пуассона;
— комплексный параметр шероховатости поверхности, значения которого для различных видов обработки и классов шероховатости приведены в [107].
Пластические деформации в зоне контакта будут иметь место, когда средние напряжения на контакте равны твердости материала по Бринеллю. По данным работы [160], контурное давление равно:
В расчете ФПК по методу опорных кривых используется большой массив данных, накопленных о параметрах микрогеометрии шероховатых поверхностей, связанных с видом их механической обработки, типом материала и т. д. [258]. Из этого массива могут быть получены такие важные характеристики ФПК, как среднее давление на контакте, средняя площадь и диаметр пятна контакта, среднее расстояние между пятнами.
В последние годы М. Н. Добычиным [87] выполнена оценка взаимовлияния напряжений под соседними пятнами в зависимости от плотности пятен на поверхности.
Переходя к рассмотрению электрического контакта металлов, необходимо отметить следующее.
1. Площадь электрического контакта в общем случае реальных металлов (пленки окислов или загрязнений на поверхности) меньше ФПК, стремясь к ней в пределе (например, в случае контакта благородных металлов).
2. Существует вероятность прохождения части потока энергии по механизму туннельной проводимости через контактный зазор при его малых толщинах в непосредственной близости от пятен реального контакта [86, 293].
3. Эффекты взаимовлияния соседних пятен контакта проводящих ток могут стать важным фактором, требующим оценки в расчете контактной проводимости [168].
В связи с изложенным выше анализ имеющихся данных по существующим методам расчета ФПК применительно к электрическим контактам приводит к выводу о необходимости их развития с тем, чтобы обеспечить учет не только средних характеристик (число пятен, средний размер, среднее расстояние), но и структуры ФПК, размеров прилегающей к ней зоны действия туннельного эффекта и т. д. В связи с этим привлекает внимание развитие в последние годы вероятностных методов оценки параметров микротопографии поверхностей и, в частности, применение к такой оценке теории случайных полей (ТСП), развитое в работах [139, 169, 257, 264, 265, 299, 384].
При описании поверхности по методу ТСП учитывают следующее положение [257, 265]: поверхность описывается нормальным однородным случайным полем z(x, у), а корреляционная функция поля и ее производные до 4 порядка включительно непрерывны. Геометрическое описание свойств микровыступов требует знания вида случайной функции, ее первых и вторых производных. Вероятностные свойства случайной поверхности оцениваются с помощью совместного распределения вероятностей переменных
Плотность вероятности распределения выражается через элементы корреляционной матрицы, которые являются производными корреляционной функции, определенными через статистические моменты т0, т2, т4. Статистические моменты в свою очередь находятся по данным измерения и расчета характеристик реальной микротопографии поверхности (например, по данным профилографирования). При этом они могут быть связаны некоторыми соотношениями с стандартными и шаговыми параметрами, используемыми в расчетах по методу опорных кривых.
Несмотря на громоздкость математического аппарата ТСП и необходимость получения для расчета, кроме стандартных, ряда дополнительных параметров шероховатости, фактором, способствующим применению данной теории, является использование компьютеризированных систем оценки шероховатости и распространение ЭВМ с большой памятью. В перспективе возможно прямое соединение ЭВМ с растровым электронным микроскопом (РЭМ) и использование последнего в качестве бесконтактного быстродействующего датчика параметров микротопографии с пределом разрешения на уровне размеров субмикрошероховатостей [248, 297].
Для расчетов электрического контакта металлов перспективными предпосылками применения ТСП является возможность снятия допущений на форму контактирующих неровностей и доминирующий вид деформации контакта, переход от средних характеристик контактных пятен к оценке реальной конфигурации ФПК, возможность расчета величины и формы околоконтактных областей (что играет важную роль при рассмотрении контакта через пленки и применении контактных смазок с различными электрическими характеристиками). Все изложенное выше обусловливает целесообразность выбора метода расчета ФПК и проводимости контакта шероховатых металлов на основе теории случайных полей.
