Модель взаимосвязи коэффициентов трения Кулона и Зибеля для пластичных материалов

Работа посвящена сравнительному анализу параметров напряженного состояния микровыступов поверхностей контактирующих материалов в области низких контактных давлений, характерных для закона трения Амонтона–Кулона, и в области высоких давлений, характерных для модели пластического трения Зибеля, используемой в теории обработки материалов давлением. Цель статьи – на основе микромеханического моделирования параметров упруго-пластического контактного взаимодействия выступов шероховатости поверхностей с использованием адгезионной теории трения произвести теоретическое обоснование и расчетную оценку взаимосвязи коэффициентов трения Кулона и Зибеля для пластичных материалов. Шероховатости деформируемого поверхностного слоя моделировались сферическими микровыступами. При анализе исходили из того, что деформирование микронеровностей происходит в виде трех последовательных стадий. Вначале материал деформируется упруго, затем в приповерхностном слое зарождается область пластического состояния, окруженная упруго-деформируемым материалом, а на конечной стадии происходит свободное пластическое течение. Принято в первом приближении, что для малых стесненных упруго-пластических деформаций применим закон Гука. В основной части работы на основе предложенной модели микроконтактного взаимодействия определены силовые параметры перехода от стесненного упруго-пластического деформирования микровыступов к свободному пластическому течению с учетом действия контактного трения, по Зибелю, на модельных пятнах касания. В дальнейшем выполнен переход от осредненных контактных давлений и удельных сил трения на единичных пятнах касания к номинальным давлениям и удельным силам трения. Получены аналитическая зависимость, связывающая коэффициенты трения Кулона и Зибеля, а также коэффициент Пуассона подвергаемого пластическому деформированию материала. На примере углеродистых и легированых сталей, а также цветных металлов и сплавов произведена расчетная оценка взаимосвязи коэффициентов трения Кулона и Зибеля для широкого диапазона изменения коэффициента Пуассона. Рассчитанные значения согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе, а также в инженерной и научно-исследовательской практике.

1. Оценка работоспособности ПТФЭ-композитов в качестве антифрикционных слоев опорных частей с шаровым сегментом. / А. А. Адамов, И. Э. Келлер, Д. С. Петухов [и др.] // Трение и износ, 2023. Т. 44, № 3. С. 201–211. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2023-44-3-201-211.

2. Мышкин, Н. К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии / Н. К. Мышкин, М. И. Петроковец. М.: Физматлит, 2007. 368 с.

3. Wagoner, R. H. Fundamentals of Metal Forming / R. H. Wagoner, J.-L. Chenot. NY: John Wiley, 1997. 389 p.

4. Метод определения коэффициента трения при холодной прокатке особо тонких листов / В. А. Томило, С. В. Пилипенко, А. В. Дудан [и др.] // Трение и износ. 2024. Т. 45, № 3. С. 220–226. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2024-45-3-220-226.

5. Худяков, А. Ю. Анализ известных зависимостей и разработка новых уравнений прессования мелкофракционных материалов горно-металлургического комплекса / А. Ю Худяков, С. В. Ващенко // Новые огнеупоры. 2019. № 12. С. 37–46.

6. Isherwood, D. P. Some Observation of die Wall Friction Effects on the Compaction of Polymer / D. P. Isherwood // Powder Technology, 1987. Vol. 48, No 3. Р. 253–262.https://doi.org/10.1016/0032-5910(86)80050-x.

7. Методика экспресс-оценки параметров внутреннего трения в брикетах пресс-материала / В. В. Барсуков, В. Тарасюк, В. М. Шаповалов, Б. Крупич [и др.] // Трение и износ. 2017. Т. 38, № 1. С. 41–48.

8. Kendal, K. Inadequacy of Coulomb`s Friction Law for Particle Assemblies / K. Kendal // Nature. 1986. Vol. 319. Р. 203–205. https://doi.org/10.1038/319203a0.

9. Барсуков, В. Г. Технологическое трение при экструзии композитов / В. Г. Барсуков, А. И. Свириденок. Гродно: ГРГУ, 1998. 201 с.

10. Mróz, Z. Consitutive model of Adhesive and Ploughing Friction in Metal – Forming Processes / Z. Mróz, S. Stupkiewicz // International Journal of Mechanical Sciences. 1998. Vol. 40, № 2–3. P. 281–303. https://doi.org/10.1016/s0020-7403(97)00055-6.

11. Лаптев, А. М. Построение диаграммы для определения коэффициента трения в формуле Леванова по методу осадки кольца / А. М. Лаптев, Я. Ю. Ткаченко, В. И. Жабин // Обработка материалов давлением. 2011. № 3 (28). С. 129–132.

12. Siebel, E. Grundlagen und Begriffe der Bildsamen Formgebung / E. Siebel // Werkstatttechnik und Maschinenbau. 1950. No 40. S. 373–380.

13. Писaренко, Г. С. Справочник по сопротивлению материалов / Г. С. Писaренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. Киев: Наукова думка, 1988. 736 с.

14. Bowden, F. P. Friction and Lubrication of Solids / F. P. Bowden, D. Tabor. London: Oxford University Press. 1954. 424 p. https://doi.org/10.1093/oso/9780198 507772.001.0001

15. Свириденок, А. И. Механика дискретного фрикционного контакта / А. И. Свириденок, С. А. Чижик, М. И. Петроковец. Минск: Наука и техника, 1990. 272 с.

16. Крупич, Б. Моделирование микроконтактных взаимодействий при газоабразивном изнашивании сталей с учетом деформационного упрочнения / Б. Крупич, В. Г. Барсуков, А. И. Свириденок // Трение и износ. 2019. Т. 40, № 6. С. 644–653.

17. Johnson, К. L. Contact Mechanics / К. L Johnson. Cambridge: Cambridge University Press, 1985. 414 p. https://doi.org/10.1017/cbo9781139171731.

18. Енохович, А. С. Справочник по физике и технике / А. С. Енохович. М.: Просвещение, 1989. 224 с.

19. Stachowiak, G. W. Engineering Tribology / G. W. Stachowiak, A. W. Batchelor. 4th ed. Elsevier Science: Butterworth-Heinemann, 2016. 884 p.

20. Триботехнические характеристики покрытий на основе бронзы БрА7Н6Ф после оплавления оптоволоконным лазером / О. Г. Девойно, Е. Э. Фельдштейн, А. Я. Григорьев [и др.] // Трение и износ. 2023. Т. 44, № 1. С. 12–19. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2023-44-1-12-19.