Нестационарный износ двухслойного покрытия с учётом тепловыделения от трения
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.1.8Ключевые слова:
износ, скользящий контакт, двухслойное покрытие, фрикционное тепловыделение, квазистатика, математическое моделированиеАннотация
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.
Скачивания
Библиографические ссылки
Колесников В.И., Иваночкин П.Г. Двухслойные композиции триботехнического назначения для тяжелонагруженных узлов трения. Ростов-н/Д: РГУПС, 2009. 124 с.
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">https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.059
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">https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.01.007
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">https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.07.126
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">https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.06.019
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">https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.076
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">https://doi.org/10.3103/S1068366616050056)
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.
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">https://doi.org/10.3103/S0025654407010190)
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">https://doi.org/10.3103/S002565440803014X)
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.
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">https://doi.org/10.18720/MPM.3512018_20
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">https://doi.org/10.1201/9781315166605-39
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">https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.03.041
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">https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14
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">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.3.26
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">https://doi.org/10.1177/1081286519898878
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">https://doi.org/10.1063/1.5034712
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">https://doi.org/10.1007/BF00913191)
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">https://doi.org/10.1016/0021-8928(82)90117-4)
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">https://doi.org/10.1016/0021-8928(94)90103-1)
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">https://doi.org/10.3103/S0025654419010059)
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.
Евтушенко А.А., Пырьев Ю.А. Влияние изнашивания на развитие термоупругой неустойчивости фрикционного контакта // Изв. РАН. МТТ. 1997. № 1. С. 114-121.
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">https://doi.org/10.1093/imamat/hxy061
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">https://doi.org/10.3103/S1068366619060229)
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">https://doi.org/10.1016/0257-8972(93)90171-J
###
Kolesnikov V.I., Ivanochkin P.G. Dvukhsloynyye kompozitsii tribotekhnicheskogo naznacheniya dlya tyazhelonagruzhennykh uzlov treniya [Bilayered composites of tribotechnical purposes for heavily loaded frictional joints]. Rostov-on-Don, RGUPS, 2009. 124 p.
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, pp. 103-108. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.059">https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.059
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, pp. 473-479. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.01.007">https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.01.007
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, pp. 5681-5685. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.07.126">https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.07.126
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, pp. 352-365. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.06.019">https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.06.019
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, pp. 7736-7742. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.076">https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.076
Feldshtein E.E., Devojno O.G., Kardapolava M.A., Lutsko N.I., Żurek D., Michalski M. Tribological characteristics of composite coatings formed by laser cladding of powders of nickel self-fluxing alloy and bronze. J. Frict. Wear, 2016, vol. 37, pp. 454-461. https://doi.org/10.3103/S1068366616050056">https://doi.org/10.3103/S1068366616050056
Kozarez I.V., Mikhal'chenkova M.A., Lavrov V.I., Sinyaya N.V. Increase of abrasive wear resistance of parts by means of variation of welding technique of double-layer coatings with hard surface. Traktory i sel'khozmashiny – Tractors and Agricultural Machinery, 2016, no. 10, pp. 38-40.
Ivanochkin P.G., Kolesnikov V.I., Flek B.M., Chebakov M.I. Contact strength of a two-layer covering under friction forces in the contact region. Mech. Solids, 2007, vol. 42, pp. 157-165. https://doi.org/10.3103/S0025654407010190">https://doi.org/10.3103/S0025654407010190
Goryacheva I.G., Torskaya E.V. Modeling the contact wear fracture of a two-layer basement. Mech. Solids, 2008, vol. 43, pp. 426-436. https://doi.org/10.3103/S002565440803014X">https://doi.org/10.3103/S002565440803014X
Azojan A.I., Ivanochkin P.G. The XVIIIth Int. Conf. “Current problems of continuum mechanics”, 7-10 November 2016, Rostov-on-Don, Southern Federal University, 2016. Pp. 20-24.
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, pp. 175-180. https://doi.org/10.18720/MPM.3512018_20">https://doi.org/10.18720/MPM.3512018_20
Vasiliev A.S., Volkov S.S., Aizikovich S.M. 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">https://doi.org/10.1201/9781315166605-39
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, pp. 127-142. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.03.041">https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.03.041
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, pp. 254-260. https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14">https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14
Goldstein R.V., Ustinov K.B., Chentsov A.V. Influence of substrate compliance on stresses generating stability loss of a delaminated coating. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2011, vol. 4, no. 3, pp. 48-57. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.3.26">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.3.26
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, pp. 1011-1037. https://doi.org/10.1177/1081286519898878">https://doi.org/10.1177/1081286519898878
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">https://doi.org/10.1063/1.5034712
Babeshko V.A., Vorovich I.I. Calculation of contact temperatures generated by the rotation of a shaft in a bearing. J. Appl. Mech. Tech. Phys., 1968, vol. 9, pp. 221-222. https://doi.org/10.1007/BF00913191">https://doi.org/10.1007/BF00913191
Lifanov I.K., Saakian A.V. Method of numerical solution of the problem of impressing a moving stamp into an elastic half-plane, taking heat generation into account. J. Appl. Math. Mech., 1982, vol. 46, pp. 388-394. https://doi.org/10.1016/0021-8928(82)90117-4">https://doi.org/10.1016/0021-8928(82)90117-4
Vorovich I.I., Pozharskii D.A., Chebakov M.I. The thermoelasticity of a moving punch when the heat release from friction is taken into account. J. Appl. Math. Mech., 1994, vol. 58, pp. 539-544. https://doi.org/10.1016/0021-8928(94)90103-1">https://doi.org/10.1016/0021-8928(94)90103-1
Zelentsov V.B., Mitrin B.I. Thermoelastic instability in the quasi-static coupled thermoelasticity problem dealt with the sliding contact with frictional heating. Mech. Solids, 2019, vol. 54, pp. 58-69. https://doi.org/10.3103/S0025654419010059">https://doi.org/10.3103/S0025654419010059
Alexandrov V.M., Annakulova G.K. Interaction between coatings of a body with deformation, wear, and heat release due to friction. Soviet J. Frict. Wear, 1992, vol. 13, no. 1, pp. 154-160.
Evtushenko A.A., Pyr’yev Yu.A. Vliyaniye iznashivaniya na razvitiye termouprugoy neustoychivosti friktsionnogo kontakta [Influence of wear on the development of thermoelastic instability of a frictional contact]. Izv. RAN. MTT – Mechanics of Solids, 1997, no. 1, pp. 114–121.
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, pp. 345-365. https://doi.org/10.1093/imamat/hxy061">https://doi.org/10.1093/imamat/hxy061
Al-Ethari H., Al-Dulaimi K.Y., Warcholinski B., Kuznetsova T.A. Interrelation of surface temperature and tribological characteristics of a protective coating on a tool. J. Frict. Wear, 2019, vol. 40, pp. 603-608. https://doi.org/10.3103/S1068366619060229">https://doi.org/10.3103/S1068366619060229
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, pp. 29-35. https://doi.org/10.1016/0257-8972(93)90171-J">https://doi.org/10.1016/0257-8972(93)90171-J
Zelentsov V.B., Mitrin B.I., Lubyagin I.A. Effect of wear on frictional heating and thermoelastic instability of sliding contact. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2016, vol. 9, no. 4, pp. 430-442. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.36">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.36
Vestyak A.V., Igumnov L.A., Tarlakovskii D.V., Fedotenkov G.V. The influence of non-stationary pressure on a thin spherical shell with an elastic filler. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2016, vol. 9, no. 4, pp. 443-452. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.37">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.37
Kovalenko A.D. Thermoelasticity: Basic Theory and Applications. Groningen, Wolters-Noordhoff, 1970. 251 p.
Ditkin V.A., Prudnikov A.P. Operatsionnoye ischisleniye [Operational calculus]. Moscow, Vishaya shkola, 1975. 407 p.
Hurwitz A., Courant R. Vorlesungen über allgemeine Funktionentheorie und elliptische Funktionen [Lectures on general function theory and elliptic functions]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1964. 706 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-00750-1">https://doi.org/10.1007/978-3-662-00750-1
Pontryagin L.S. Ordinary Differential Equations. Pergamon, 1962. 304 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2020 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
