Неоднородности деформации в металле при скользящем контакте

УДК 539.3

Неоднородности деформации в металле

при скользящем контакте*

*, ,

(Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия)

(*Национальный исследовательский Томский Политехнический университет, Томск, Россия)

Проведено исследование подповерхностной деформации при трении методом цифровой корреляции изображений. Получены распределения компонент тензора деформаций, которые свидетельствуют о неоднородном характере деформации как по времени, так и по глубине от поверхности.

Ключевые слова: неоднородная деформация, локализация, цифровая корреляция, трение.

Strain Non-uniformity in subsurface of metal in sliding contact

S. Yu. Tarasov*, V. E. Rubtsov, V. V. Gorbatenko

(Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, Russia)

(*National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia)

Sliding induced subsurface strain has been studied using digital image correlation method. Strain tensor components distributions have been obtained to reveal strain non-uniformities both in time and depth below the worn surface. .

Keywords: non-uniform strain, localisation, digital image correlation, sliding.

Введение

Исследование процессов изменения материалов при трении имеет важное значение, как с точки зрения практической, так и для понимания процессов, протекающих  при очень больших степенях деформации. Одним из важнейших вопросов является то, как осуществляется переход от нормального к катастрофическому изнашиванию в режиме схватывания и то, какую роль в этом играют сильнодеформированные подповерхностные слои материалов.

Неоднородность распределения напряжений и деформаций на макроуровне заложена в самой природе фрикционного контакта, который осуществляется не по всей поверхности соприкосновения, а только в отдельных пятнах фактического касания. Поэтому при скользящем контакте материал поверхностного слоя постоянно подвергается чередующимся знакопеременным нагрузкам [l]. Распределение напряжений и деформаций внутри пятна контакта (на микроуровне) также неоднородно из-за наличия микрошероховатости.

Анализ результатов моделирования [2] с использованием одномерной модели показал, что при трении с высокими нагрузками пластический сдвиг в поверхностном слое развивается крайне неоднородно по глубине и нестационарно по времени, что, в определенных условиях, может привести к квазивязкому течению материала поверхностного слоя.

Экспериментальные данные показывают, что в скользящем контакте сдвиговая мода деформации является определяющей для структурных изменений и последующего формирования частиц износа [3, 4]. В результате структурных изменений материал переходит в неустойчивое состояние. В условиях перехода от нормального изнашивания к адгезионному наблюдается квазивязкое течение материала пятен контакта, которое обусловлено явлением сдвиговой неустойчивости, которая характеризуется резкими изменениями скорости пластического сдвига в процессе деформирования. [5]. Возникновение такой неустойчивости связанно с неоднородным характером деформации при трении, фрагментацией, материала, его термическим разупрочнением и наноструктурированием [5, 6]. Как было показано ранее, это явление протекает подобно образованию полос локализованного сдвига при динамическом нагружении [6-8]. 

В связи с этим, выявление видов неоднородностей и неустойчивостей деформации, развивающихся в материалах в скользящем контакте на различных масштабных уровнях и стадиях в зависимости от свойств материалов и условий нагружения является фундаментальной проблемой современного материаловедения и трибологии.

В работе [7] для визуализации деформации при трении использовался метод лазерной декорреляции спеклов и на основании построения хронограмм были выявлены стадии, характеризующиеся распределением зон деформации по боковой поверхности образца. На первой стадии, раcпределение носит случайный характер. При этом зоны локализации деформации могут возникать и исчезать либо двигаться как вдоль, так и поперек направления скольжения контртела. На второй стадии могут возникать стационарные во времени и локализованные в определенном месте зоны деформации, которые могут вновь начать двигаться в результате превышения сдвиговым напряжением предела текучести материала поверхностного слоя с модифицированной структурой, что соответствует моменту формирования поверхностной полосы локализованного сдвига и или потере сдвигового сопротивления (третья стадия). Использованная методика не позволяла количественно оценивать ни величину деформации, ни ее виды, что ограничивало ее использование качественным анализом. В связи с этим, была разработана усовершенствованная методика цифровой корреляции, которая и применялась в данной работе.

Методика

В качестве испытательной части экспериментальной установки использовали стенд, спроектированный и построенный в Юргинском технологическом институте [9]. Схема экспериментальной установки показана на рис.1. Скорость скольжения составляла 10 мм/мин. В качестве образца использовалась электролитическая медь.

Для регистрации полей смещений и деформаций в зоне контакта использовали метод цифровой корреляции изображений [10], однако отличие от традиционного способа,  когда систему реперных меток создают аэрозольной краской, в данном эксперименте в качестве реперов использовали спекл-структуру, сформированную при освещении поверхности когерентным светом лазера [11]. Это позволило избежать дополнительной обработки исследуемой поверхности и расширить допустимый температурный диапазон испытания. Кроме того,  данный метод, обеспечивая высокий уровень разрешения при измерении векторов смещений, не требует дополнительных мер по виброзащите, что делает его весьма удобным для применения совместно с испытательными машинами трения. Оптическая схема эксперимента приведена на рис.2а. 

Изображение испытуемого объекта, освещенного  красным полупроводниковым лазером, регистрировали цифровой монохромной CCD камерой PixeLink B741. Съемку производили с частотой до 30 кадров/сек и разрешением 1280x1024x10 bit, а изображения сохраняли в памяти компьютера для последующих вычислений полей смещений и деформаций.

Суть вычислительной процедуры при цифровой корреляции изображений заключается в следующем: из последовательности видеоизображений выбираются два кадра, соответствующих  моментам времени t1 и t2,  где t1 полагают временем, для которого производится расчет смещений. Величина временного сдвига t2 - t1  задается перед началом расчета исходя из максимально возможных скоростей перемещений поверхности в поле зрения в ходе эксперимента. Референсное изображение в кадре t1 разбивается на фрагменты  размером L (рис.2б), и для каждого из них производится поиск положения соответствующего ему фрагмента в кадре t2. Критерием поиска является максимально достижимый коэффициент корреляции между фрагментами. Таким образом, удается определить взаимное смещение областей изображения с точностью до целого пикселя. Для увеличения разрешения измерения вектора используют дополнительные методы интерполяции полученного корреляционного пика,  это позволяет достичь удовлетворительного уровня точности измерения векторов смещений (до 0,1 мкм) при исследовании областей площадью до 1000 кв. мм. Вычисленное поле векторов смещений дифференцируют стандартными методами для получения полей деформаций. Описанная вычислительная процедура производится последовательно для всех кадров видеозаписи.

Результаты

С помощью описанной выше экспериментальной установки были записаны in-situ последовательности спекл-картин с боковой поверхности неподвижного образца по торцевой поверхности которого скользил прижатый к нему своей цилиндрической поверхностью диск (рис.3). После обработки временной последовательности кадров были получены последовательности векторов смещения. Из Рис.3. видно, что под пятном контакта формируется поле векторов смещений, которое перемещается вместе с пятном контакта вдоль поверхности трения. Используя специально разработанное программное обеспечение, были построены распределения смещений и компонент тензора деформаций как вдоль, так и поперек направления скольжения в зависимости от времени. На рис. 4 показано распределение горизонтальных и вертикальных смещений в сечении, параллельном плоскости скольжения на расстоянии 1 мм от поверхности. При этом отрицательные значения смещений соответствуют областям сжатия, а положительные – областям растяжения.

Распределения компонент деформации εxx, εyy, εxy в горизонтальном сечении на глубине 1 мм от поверхности трения приведены на рис.5-7. Максимальные значения компонент εxx и εyy соответствуют центральной части пятна контакта, а ближе к периферии происходит смена знака напряжения. Распределение сдвиговой компоненты деформации носит другой характер. Смена знака напряжения происходит в центре пятна контакта (рис.5). Распределение компоненты εxx вдоль направления трения (ось х) имеет вид волны (рис. 5), при этом основной пик растяжения приходится на середину пятна контакта, там, где область сжатия переходит в область растяжения (рис.4), а компонента εyy имеет максимум (рис.6).

Перемещение контртела вдоль поверхности трения вызывает изменение напряженно–деформированного состояния в поверхностном слое. Для того чтобы проследить, как меняется та или иная компонента деформации в процессе испытания её можно представить в виде хронограммы. Каждое сечение хронограммы перпендикулярное оси времени представляет собой распределение компоненты деформации на заданной глубине в соответствующий момент времени. Анализ данных, представленных таким образом, дает возможность определить места локализации деформации и зарождения сдвиговой неустойчивости [4-6].

На рис. 8, а в виде трехмерного графика приведена хронограмма компоненты εxx на расстоянии 1 мм от поверхности трения. На примере показанной компоненты можно видеть, что деформация при трении протекает крайне неоднородно. В каждый момент времени в поверхностном слое присутствуют несколько попеременно расположенных зон растяжения и сжатия. С течением времени происходит их перемещение в направлении параллельном движению контртела (рис. 8, а).

Наиболее наглядно это можно показать на двумерной хронограмме, рассмотрев зоны, в которых достигаются максимальные растягивающие напряжения. Она представляет собой полутоновое отображение компоненты εxx (рис. 8, б). Эту хронограмму следует рассматривать как схематическую, так как контрастность изображения на ней была усилена для лучшего выделения именно зон максимальных растягивающих напряжений, которые, в данном случае, отображены белым цветом.

Анализ хронограммы (рис. 8,б) показал, что деформирование поверхностного слоя имеет свои особенности не выявленные ранее. В начальный момент времени под пятном контакта формируется одна достаточно большая область интенсивной деформации (Зона I), которая все время своего существования, до момента времени t1, остается практически неподвижной, наблюдаются лишь небольшие колебания её ширины. Далее, на промежутке времени Δt1, образуется некий переходной участок шириной Δх1, и величина деформации здесь существенно падает. Зона I исчезает, и появляется другая область локализации (Зона II) в новом положении x2. Зона II также не меняет своего пространственного положения до момента времени t3. На промежутке Δt2, на переходном участке, Зона II «размывается» и формируется новая область локализации - Зона III в положении x3. Зона III также остается неподвижной все время своего существования. Каждая последующая зона имеет меньший размер и более локализована по сравнению с предыдущей. Отношение пространственного размера переходного участка к его длительности можно трактовать как некоторую скорость перехода от одной зоны к другой. Ввиду того, что на хронограмме переходные участки можно выделить достаточно условно, не представляется возможным точно рассчитать величину скорости. Оценки по хронограмме (рис. 8,б) дают для первого переходного участка - Δх1/Δt1 ≈ 18мм/мин., для второго - Δх2/Δt2 ≈ 15мм/мин, что в полтора – два раза больше скорости контртела.

Выводы

Проведенные исследования показали, что метод цифровой корреляции изображений дает очень богатый материал для анализа деформации при контактировании.

Полученные в работе данные о распределении компонент деформации в поверхностном слое свидетельствуют о пространственной неоднородности деформации, a также о её нестационарности во времени на макроскопическом уровне. Такой характер деформирования определяется как сложной схемой нагружения, так и изменением формы и размеров пятен контакта в ходе эксперимента.

Из анализа хронограммы, построенной для компоненты εxx, можно заключить, что движение зон деформации в поверхностном слое на макроуровне, т. е. в масштабе всего образца, не является непрерывным и равномерным. Процесс деформирования состоит из последовательно сменяющих друг друга стадий интенсивного локализованного деформирования и переходных стадий, на которых деформация значительно меньше.

Работа выполнена по Проекту III.23.2.1 Разработка научных основ создания мультимодальных функциональных материалов и покрытий триботехнического назначения на основе динамики контактирования поверхностей и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор G25.31.0063) в рамках реализации Постановления  Правительства РФ № 000.

Литература

1.К. Джонсон Механика контактного взаимодействия. М., Мир, 1989.

2. , .C. Ю. Тарасов, Одномерная модель  неоднородного сдвига при трении скольжения. Физ. Мезомех. т.15, 2012,.№4, 103-108.

3. A. T. Alpas, H. Hu and J. Zhang Plastic deformation and damage accumulation below the worn surfaces Wear, 162-164 (1993).

4., , . Приповерхностная деформация в монокристаллах меди при возвратно-поступательном фрикционном контакте Физика твердого тела. - Санкт-Петербург: ФТИ им. РАН, 2012. т,54, вып. 10: - стр. 1909-1913.S. P. 5. Tarasov S., Rubtsov V., Kolubaev bsurface shear instability and nanostructuring of metals in sliding, Wear 268 (2010), 59-66.

6. S. P. Joshi, K. T. Ramesh Grain size dependent shear instabilities in body-centered and face-centered cubic materials Materials Science and Engineering A 493 (2008), 5–70.

7. C. Ю. Тарасов, . Формирование полос локализованного сдвига в поверхностных слоях металлов при трении. ФТТ, 2008, т.50, вып. 5. С.811-814.

8. Y. Xu, H.J. Yanga and M. A. Meyers Dynamic recrystallization in the shear bands of Fe–Cr–Ni monocrystal: Electron backscatter diffraction characterization Scripta Materialia 58 (2008) 691–694.

9. , Применение метода спекл-интерферометрии для исследования процесса резания металлов // Труды VI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Томск, 28 сентября – 2 октября 2011г., с.125-130.

10. M. tton, J.-J. Orteu, H. Schreier. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Basic Concepts, Theory and Applications. Springer, 2009. - 364 p

11. птика спеклов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. – 171 с.

12. , , Неоднородность деформации и сдвиговая неустойчивость материала  при трении. Изв. Вузов (Физика) 2011. т.54. №11/3. 215-220.

Рис. 1. Схема эксперимента.

Рис 2. Оптическая схема эксперимента (а) и схема вычислительной процедуры (б).

Рис.3. Поле векторов смещений в неподвижном образце.

Рис.4. Распределение горизонтальных и вертикальных смещений в сечении на глубине 1 мм от поверхности.

Рис.5. Распределение εxx компоненты деформации  в сечении на глубине 1 мм от поверхности.

Рис.6.Распределение εyy компоненты деформации в сечении на глубине 1 мм от поверхности.

Рис.7.Распределение εxy компоненты деформации в сечении на глубине 1 мм от поверхности.

а)

б)

Рис.8. Хронограмма распределения εxx в сечении на глубине 1 мм от поверхности в виде поверхности (а ) и в виде распределения яркости (б).  Ось ординат представляет собой длину боковой стороны образца, вдоль которой происходит трение.

Сведения об авторах

– д. т.н., старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН. Профессор Национального исследовательского Томского Политехнического университета. Тел. [phone]. E-mail: *****@***ru

Адрес для переписки: пр. Академический, 2/4, 634021.

– к. ф.-м. н., научный сотрудник ИФПМ СО РАН. Тел. [phone]. E-mail: *****@***ru

Адрес для переписки: пр. Академический, 2/4, 634021.

– к. ф.-м. н., старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН. Тел. [phone]. E-mail: *****@***tomsknet. ru

Адрес для переписки: пр. Академический, 2/4, 634021.