Нестационарный износ двухслойного покрытия с учётом тепловыделения от трения

  • Владимир Борисович Зеленцов Донской государственный технический университет
  • Борис Игоревич Митрин Донской государственный технический университет
  • Татьяна Анатольевна Кузнецова Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси
  • Василина Александровна Лапицкая Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси
Ключевые слова: износ, скользящий контакт, двухслойное покрытие, фрикционное тепловыделение, квазистатика, математическое моделирование

Аннотация

Применение двухслойных покрытий является одним из распространённых путей повышения работоспособности высоконагруженных узлов трения. Проектирование двухслойных покрытий и прогнозирование их эффективности в условиях сухого трения скольжения требуют разработки математических моделей скользящего контакта, учитывающих износ и разогрев вследствие трения. Для этого в статье рассматривается нестационарная квазистатическая контактная задача несвязанной термоупругости в случае скольжения с постоянной скоростью жёсткого штампа, имеющего вид полуплоскости, по поверхности двухслойного упругого покрытия, сцепленного по нижней грани с плоской недеформируемой подложкой. Во время процесса жёсткий штамп не только скользит по поверхности термоупругого покрытия, но и внедряется в него по нормали. Трение штампа о покрытие описывается законом Амонтона-Кулона. Возникающий тепловой поток от трения направлен вглубь покрытия. Фрикционный скользящий контакт приводит к изнашиванию двухслойного покрытия. Решение поставленной задачи осуществляется с помощью интегрального преобразования Лапласа, а найденные основные характеристики каждого слоя - смещения, температура, напряжения - представляются в виде контурных квадратур мероморфных функций. После анализа свойств полюсов подынтегральных функций в комплексной плоскости интегрирования, определения областей термоупругой неустойчивости в пространстве параметров задачи вычисляются контурные квадратуры. Изучено влияние параметров задачи на основные характеристики скользящего контакта - температуру, износ, напряжения. В качестве примера рассмотрено изнашивание двухслойного покрытия, верхний слой которого состоит из нитрида титана, а нижний - из титана (TiN/Ti). Численные результаты показывают, что за счёт подбора толщин слоёв можно добиться улучшения износостойкости и уменьшения контактной температуры покрытия.

Литература


  1. Колесников В.И., Иваночкин П.Г. Двухслойные композиции триботехнического назначения для тяжелонагруженных узлов трения. Ростов-н/Д: РГУПС, 2009. 124 с.

  2. Liu L., Shen H.H., Liu X.Z., Guo Q., Meng T.X., Wang Z.X., Yang H.J., Liu X.P. Wear resistance of TiN(Ti2N)/Ti composite layer formed on C17200 alloy by plasma surface Ti-alloying and nitriding // Appl. Surf. Sci. 2016. Vol. 388. P. 103-108. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.059

  3. Shi C.-M., Wang T.-G., Pei Z.-L., Gong J., Sun C. Effects of the thickness ratio of CrN vs Cr2O3 layer on the properties of double-layered CrN/Cr2O3 coatings deposited by arc ion plating // J. Mater. Sci. Tech. 2014. Vol. 30. P. 473-479. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.01.007

  4. Zhang J., Sun K., Wang J., Tian B., Wang H., Yin Y. Sliding wear behavior of plasma sprayed Fe3Al–Al2O3 graded coatings // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. P. 5681-5685. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.07.126

  5. Murray J.W., Cook R.B., Senin N., Algodi S.J., Clare A.T. Defect-free TiC/Si multi-layer electrical discharge coatings // Mater. Des. 2018. Vol. 155. P. 352-365. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.06.019

  6. Sharifahmadian O., Mahboubi F. A comparative study of microstructural and tribological properties of N-DLC/DLC double layer and single layer coatings deposited by DC-pulsed PACVD process // Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 7736-7742. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.076

  7. Фельдштейн Е.Э., Девойно О.Г., Кардаполова М.А., Луцко Н.И., Журек Д., Михальски М. Трибологические характеристики композиционных покрытий, сформированных лазерной наплавкой порошков никелевого самофлюсующегося сплава и бронзы // Трение и износ. 2016. Т. 37, № 5. С. 588-596. (English version https://doi.org/10.3103/S1068366616050056)

  8. Козарез И.В., Михальченкова М.А., Лавров В.И., Синяя Н.В. Повышение абразивной износостойкости деталей варьированием техники наплавки двухслойных покрытий с твердой поверхностью // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 10. С. 38-40.

  9. Иваночкин П.Г., Колесников В.И., Флек Б.М, Чебаков М.И. Контактная прочность двухслойного покрытия при наличии сил трения в области контакта // Изв. РАН. МТТ. 2007. № 1. С. 183-192. (English version https://doi.org/10.3103/S0025654407010190)

  10. Горячева И.Г., Торская Е.В. Моделирование контактно-усталостного разрушения двухслойного упругого основания // Изв. РАН. МТТ. 2008. № 3. С. 132-144. (English version https://doi.org/10.3103/S002565440803014X)

  11. Азоян А.И., Иваночкин П.Г. Плоская контактная задача для тонкой двухслойной упругой полосы при неполном сцеплении слоев с учетом тепловыделения в зоне контакта // Современные проблемы механики сплошной среды: тр. XVIII Междунар. конф., Ростов-на-Дону, 7-10 ноября 2016 г. Ростов-н/Д: Изд-во ЮФУ, 2016. С. 20-24.

  12. Vasiliev A.S., Volkov S.S., Aizikovich S.M. Approximated analytical solution of contact problem on indentation of elastic half-space with coating reinforced with inhomogeneous interlayer // Mater. Phys. Mech. 2018. Vol. 35. P. 175-180. https://doi.org/10.18720/MPM.3512018_20

  13. Vasiliev A.S., Volkov S.S., Aizikovich S.M. Torsion of an elastic transversely isotropic half-space with a coating reinforced by a functionally graded interlayer // Proc. of the 11th Int. Conf. “Shell structures: Theory and applications”. SSTA 2017, Gdansk, Poland, October 11-13, 2017. Vol. 4. P. 185-188. https://doi.org/10.1201/9781315166605-39

  14. Yilmaz K.B., Comez I., Yildirim B., Guler M.A., El-Borgi S. Frictional receding contact problem for a graded bilayer system indented by a rigid punch // Int. J. Mech. Sci. 2018. Vol. 141. P. 127-142. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.03.041

  15. Vasiliev A.S., Volkov S.S., Aizikovich S.M., Litvinenko A.N. Indentation of an elastic half-space reinforced with a functionally graded interlayer by a conical punch // Mater. Phys. Mech. 2018. Vol. 40. P. 254-260. https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14

  16. Гольдштейн Р.В., Устинов К.Б., Ченцов А.В. Оценка влияния податливости подложки на напряжения, вызывающие потерю устойчивости отслоившегося покрытия // Вычисл. мех. сплош. сред. 2011. Т. 4, № 3. С. 48-57. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.3.26

  17. Kudish I., Pashkovski E., Volkov S.S., Vasiliev A. S., Aizikovich S.M. Heavily loaded line EHL contacts with thin adsorbed soft layers // Math. Mech. Solid. 2020. Vol. 25. P. 1011-1037. https://doi.org/10.1177/1081286519898878

  18. Volkov S.S., Vasiliev A.S., Aizikovich S.M., Sadyrin E.V. Contact problem on indentation of an elastic half-plane with an inhomogeneous coating by a flat punch in the presence of tangential stresses on a surface // AIP Conf. Proc. 2018. Vol. 1959. 070037. https://doi.org/10.1063/1.5034712

  19. Бабешко В.А., Ворович И.И. К расчету контактных температур, возникающих при вращении вала в подшипнике // ПМТФ. 1968. № 2. С. 135-137. (English version https://doi.org/10.1007/BF00913191)

  20. Лифанов И.К., Саакян А.В. Метод численного решения задачи о вдавливании движущегося штампа в упругую полуплоскость с учётом тепловыделения // ПММ. 1982. Т. 46, № 3. С. 494-501. (English version https://doi.org/10.1016/0021-8928(82)90117-4)

  21. Ворович И.И., Пожарский Д.А., Чебаков М.И. Задача термоупругости о движущемся штампе при учете тепловыделения от трения // ПММ. 1994. Т. 58, № 3. С. 161-166. (English version https://doi.org/10.1016/0021-8928(94)90103-1)

  22. Зеленцов В.Б., Митрин Б.И. Термоупругая неустойчивость в связанной квазистатической задаче термоупругости о скользящем контакте с разогревом от трения // Изв. РАН. МТТ. 2019. № 1. С. 72-87. (English version https://doi.org/10.3103/S0025654419010059)

  23. Александров В.М., Аннакулова Г.К. Взаимодействие покрытий тел с учетом деформируемости, износа и тепловыделения от трения // Трение и износ. 1992. Т. 13, № 1. С. 154-160.

  24. Евтушенко А.А., Пырьев Ю.А. Влияние изнашивания на развитие термоупругой неустойчивости фрикционного контакта // Изв. РАН. МТТ. 1997. № 1. С. 114-121.

  25. Zelentsov V.B., Mitrin B.I., Lubyagin I.A., Kudish I.I. Diagnostics of wear thermoelastic instability based on sliding contact parameter monitoring // IMA J. Appl. Math. 2019. Vol. 84. P. 345-365. https://doi.org/10.1093/imamat/hxy061

  26. Аль-Эхари Х., Аль-Дулайми К.Ю., Вархолински Б., Кузнецова Т.А. Взаимосвязь температуры поверхности и трибологических характеристик защитного покрытия на инструменте // Трение и износ. 2019. Т. 40, № 5. С. 623-630. (English version https://doi.org/10.3103/S1068366619060229)

  27. Broszeit E., Matthes B., Herr W., Kloos K.H. Tribological properties of r.f. sputtered Ti–B–N coatings under various pin-on-disc wear test conditions // Surf. Coating Tech. 1993. Vol. 58. P. 29-35. https://doi.org/10.1016/0257-8972(93)90171-J

Опубликован
2020-03-30
Как цитировать
Зеленцов, В. Б., Митрин, Б. И., Кузнецова, Т. А., & Лапицкая, В. А. (2020). Нестационарный износ двухслойного покрытия с учётом тепловыделения от трения. Вычислительная механика сплошных сред, 13(1), 98-107. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.1.8
Раздел
Статьи