Материал: Основы создания полимерных композитов

и1, и2

Рис. 2. Зависимость износа низкоуглеродистой стали в сухом воздухе от частоты колебаний и амплитуды скольжения при Р = 3,7 кГ/мм2.

А (в мм) равно: 1- 0,23, 2 - 0,091, 3 - 0,91, 4 - 0,01. N4(в циклах) равно: I - 67800; 2 - 457800; 3,4 - 67800

-0-

-8-

Частота колебаний, Гц

Рис. 3. Зависимость глубины повреждений (7, 2, 3) и коэффициента трения (/', 2\ 3 ) от: а) величины взаимного перемещения (Р = 750 кГ/см2, v= 30 Гц); 6) частоты колебаний (Р = 150 кГ/см2, А = 0,3 мм): 1 - сталь 45 закаленная; 2 - сталь 45 отожженная; 3 - армко-железо

466

Проведенные исследования влияния вибрации на процесс трения износа при разных скоростях относительного скольжения показали, что с увеличением частоты и амплитуды колебаний интенсивность изнашивания возрастает, максимальное значение для образцов из стали 45 при амплитуде 1 мм и частоте 50 - 700 Гц наблюдается при малых скоростях - до 0,01 м/с. Введение смазки значительно умень­ шает износ сопряжения в условиях вибрационного нагружения [96].

Анализ зависимости глубины повреждения и коэффициента тре­ ния от амплитуды вибрации показывает (рис. 3,а) [97], что с ростом амплитуды увеличивается глубина повреждения исследуемого мате­ риала, а при А = 400 мкм - уменьшается (для стали 45 отожженной и армко-железа), для стали 45 закаленной коэффициент трения возрас­ тает, и при А = 400 мкм наступает стабилизация роста. Увеличение износа и уменьшение коэффициента трения армко-железа и стали, нормализованной при А = 700 мкм, авторы объясняют изменением температуры в зоне трения. Исследования зависимости износа от час­ тоты вибрации (рис. 3,6) показывают, что наибольшие изменения указанных характеристик процесса трения и износа наблюдаются при частоте в пределах 10 - 35 Гц, а снижение и стабилизация - в диапа­ зоне 35 - 100 Гц.

Установлено, что в условиях низкочастотных вибраций преобла­ дающими являются процессы схватывания. С повышением частоты схватывание сменяется окислительными процессами и процессами абразивного изнашивания, что уменьшает глубину повреждения по­ верхности трения.

При изучении трения в случае реверсивного движения установ­ лено [90], что реверсивность приводит к увеличению износа рабочих поверхностей по сравнению с односторонним трением. Многие ав­ торы в работах по исследованию влияния вибраций на микрогеомет­ рию и деформацию фрикционного контакта [98 - 101] показывают, что вибрации способствуют интенсивному движению и увеличению числа дислокаций, приводящих к повышению пластической деформа­ ции поверхностных слоев, усталостным явлениям и интенсивному разрушению материалов. Например, при увеличении частоты колеба­ ний (v) до 20 Гц деформация поверхности трения изменяется незна­ чительно, а начиная с 20 - 30 Гц происходит увеличение дислокаци­ онной зоны. В пределах частоты от 30 до 70 Гц ширина дислокаци­ онной зоны увеличивается в 17,4 раза, а глубина - в 15 раз [98].

С увеличением частоты вибраций изменяется соотношение ме­ жду упругой и пластической деформациями [101]. Так, если при отсут­ ствии вибрации пластическая деформация в 11 раз меньше упругой, то при наличии вибрации с частотой v = 40 Гц пластическая де­ формация равна упругой, с увеличением частоты более 40 Гц пласти­ ческая деформация значительно больше.

В работах [99, 100] приводятся результаты исследований харак­ теристик фрикционного контакта при наличии нормальных и танген­

467

циальных вибраций в условиях пластического контактирования. Ус­ тановлено, что при наложении нормальных вибраций скорость роста деформаций повышается с увеличением амплитуды, а влияние час­ тоты на рост деформаций незначительно. При наложении тангенци­ альных вибраций с ростом амплитуды также возрастает скорость де­ формации, при этом деформации в 5 - 15 раз больше, чем при нор­ мальных вибрациях.

Из анализа результатов проведенных исследований можно сде­ лать вывод, что вибрации значительно влияют на износостойкость трущихся сопряжений металл - металл, приводят к снижению уста­ лостной прочности фрикционного контакта и интенсивному разру­ шению материалов. Поэтому важным направлением в повышении долговечности пар трения в условиях вибрации является применение полимерных материалов, которые, обладая хорошими демпфирую­ щими свойствами, способствуют снижению вибрации [102].

Исследования трения и износа в условиях вибрации и реверсив­ ного трения металлополимерных пар показали, что вибрация способ­ ствует значительному увеличению износа и повышению коэффици­ ента трения. Кроме того, было определено влияние отдельных пара­ метров вибрации (частота, амплитуда, направление) на износ и коэф­ фициент трения металлополимерных пар. Наиболее перспективно при работе в условиях вибрации применение подшипников скольже­ ния с улучшенными антифрикционными и демпфирующими свойст­ вами. Использование полимерных покрытий на поверхности трения уменьшает износ: он на 1,5 - 2 порядка ниже по сравнению с трением пар металл - металл [103,104].

Таким образом, установлено, что вибрации оказывают сущест­ венное влияние на процесс трения и износ и приводят к снижению усталостной прочности фрикционного контакта, тем самым умень­ шая долговечность сопряжения. Одним из способов повышения изно­ состойкости узлов трибосопряжения, работающих без смазки в усло­ виях вибрации, является использование в подшипниках скольжения материалов с демпфирующими свойствами.

1.3.Теоретические предпосылки к созданию высокопрочных ориентированных композиционных материалов

Пути создания высокопрочных композиционных материалов мало изучены, при этом доминируют эмпирические методы, которые связаны с большими материальными затратами и не позволяют тео­ ретически оценить возможный уровень показателей. Это приводит к неполному использованию высокой прочности армирующих волокон композита. Однако оценить реальную картину в полимерном компо­ зиционном материале очень трудно из-за существенной неоднородно­ сти системы, нерегулярности укладки и натяжения волокон.

468

В последние годы в работах многих ученых было показано [105 - НО], что решение этой проблемы возможно лишь на основе исследования напряженно-деформированного состояния и устойчи­ вости армированной системы, приводящей к некоторой гипотетиче­ ской модели. В основе такого подхода лежит предположение о введе­ нии понятия "сплошность композитов" [111]. Условия сплошности могут быть получены из анализа совместной деформации всех ком­ понентов композиционных материалов. Полное решение такой за­ дачи чрезвычайно сложно, поэтому обычно используют приближен­ ные расчеты, основанные на исследовании некоторых моделей мно­ гослойных ортогонально армированных композиционных материа­ лов. Одной из первых механических моделей для аналитического описания совместной работы стеклянного волокна и полимерной матрицы при одноосном растяжении была модель Аутвотера [112], представляющая собой стеклянный стержень с постоянным натяже­ нием, находящийся в полимерном цилиндре и заключенный в упругое тело больших размеров.

Существующие работы посвящены проблеме деформации од­ ного слоя, а также срезам из двух-трех слоев. В работах [ИЗ, 114] в общей постановке задача была решена. Одними из первых исследо­ ваний по расчету трехслойных систем были работы [115, 116]. Изуче­ нию трехслойных систем посвящены работы [117 - 122], где приведе­ ны аналитические исследования пространственных и ассиметричных задач теории упругости с помощью преобразований Ханкеля.

Несколько позже многослойная система была представлена как совокупность отдельных слоев ветвей составного слоя, которые со­ единены между собой связями сдвига. Жесткие поперечные связи обеспечивали равное расстояние между слоями, а толщина прослоек между слоями считалось бесконечно малой. Исходя из такой модели была получена система линейных дифференциальных уравнений от­ носительно Th по которому можно определить напряжения и дефор­ мации во всех ветвях стержня.

Б. Розен вводит понятие "неэффективная длина волокна", пони­ мая под этим часть длины 8 у места разрыва, не способную передать нагрузку. Волокно представляется как цепь, состоящая из звеньев длиной 8, прочность которых подчиняется статистическому распре­ делению и описывается функцией распределения Вейбулла.

Ю.М. Тарнопольский и А.В. Розе считают, что в полимерной матрице отсутствуют нормальные напряжения, а в поперечных сече­ ниях действуют продольные и перерезывающие силы.

В.В. Болотин исследовал модель как неоднородную среду, кото­ рая образована армирующими элементами со связующим. Он пред­ полагал, что жесткость арматуры во много раз выше жесткости свя­ зующего, а толщины прослойки и арматуры очень малы по сравне­ нию с размерами тела. Армирующие элементы рассматривались в виде пластин, к которым применима гипотеза Кирхгофа - Лява. Они

469

считали, что гипотеза нормального элемента приемлема для объеди­ ненного слоя. Также объединялись мягкие слои, для которых приме­ нялась гипотеза о равномерном распределении нормальных и каса­ тельных напряжений по толщине слоя.

Проведенный анализ показал, что условия создания композита справедливы только для однонаправленного элементарного слоя со строго регулярным расположением волокон в полимерной матрице. В действительности конструкционные стеклопластики имеют слои­ стое строение; они состоят из множества слоев, которые при намотке или прессовании нарушаются в расположении волокон. В рассмот­ ренных выше условиях монолитности существенным параметром яв­ ляется величина относительной длины зоны краевого эффекта, кото­ рая не является независимым параметром, а определяется модулем упругости волокна, модулем сдвига связующего, диаметром волокна, толщиной прослойки связующего и может изменяться в широких пределах.

Таким образом, ни одна из рассмотренных выше теорий не мо­ жет использоваться для инженерных приложений.

1.4. Цели и задачи исследования

На основе анализа имеющихся теоретических представлений и экспериментальных данных о природе трения и механизме изнашива­ ния можно заключить, что не только температура, но и физико-меха­ нические характеристики являются ключевыми при оценке фрикци­ онных свойств металлополимерных трибосистем.

Кроме того, сегодня производственники и исследователи-трибо- логи не могут ограничиваться лишь определением физико-механиче­ ских явлений в узлах трения и констатацией фактов их влияния на трибологические характеристики. Необходимо знать механизм этого влияния с целью направленного использования, а не подавления при­ родных специфических свойств полимерных материалов - их значи­ тельной трибоэлектризации и деструкции с образованием активных продуктов. Ограниченный объем исследований влияния физико-ме­ ханических явлений на трибомеханические, трибоэлектрические и трибохимические процессы на контакте полимер - металл сдерживает применение полимерных композиционных материалов фрикцион­ ного и антифрикционного назначения. Это одна из причин отсутст­ вия научно обоснованных критериев создания таких материалов.

Предстояло установить теоретические и экспериментальные за­ кономерности влияния температуры на трибомеханические процессы, протекающие на фрикционном металлополимерном контакте, и раз­ работать на этой основе способы повышения износостойкости узлов трения, а также методы управления их фрикционными свойствами. Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

470