CC BY
42
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 г. Выпуск 2 (29). С. 54-59
УДК 681.586.773
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПОКРЫТИЙ
В. Н. Седалищев, С. П. Пронин, Е. М. Крючков, М. Ю. Ларионов, А. В. Новичихин
Введение
Для определения физико-механических и трибологических поверхностных слоёв твёрдых тел используют различные методы [1-4]. Однако для материалов с высокой долей упругой деформации существующие метод контроля приводят к завышенным значениям твердости [1, 2], так как происходит уменьшение размеров отпечатка при снятии нагрузки. При малых нагрузках размер отпечатка настолько мал, что часто его невозможно наблюдать в оптический микроскоп, а большие нагрузки вызывают образование трещин. Поэтому для твёрдых и сверхтвёрдых покрытий материалов достаточно трудно корректно определять твёрдость, используя только традиционные методы измерения параметров отпечатка. Также вызывает определённые трудности использование традиционных методов (оптических, щуповых, электронно-микроскопических и др.) для исследования трибологических характеристик современных материалов и покрытий, основанных на оценке степени шероховатости поверхностных слоёв [3,4]. Например, методы, основанные на измерении сил сопротивления относительному движению соприкасающихся тел при трогании с места, скольжении, качении, вращении, в условиях наличия и отсутствия смазки, мало пригодны для применения в области нанотрибологии. Для этой цели в настоящее время применяют атомную микроскопию трения, что позволяет проводить исследования поверхностей вплоть до атомных масштабов. Но такие методы и средства исследований являются достаточно трудоёмкими и дорогостоящими, а операции измерения и обработки полученной информации требуют много времени.
Постановка задачи
В связи с этим представляет интерес поиск новых методов определения физикомеханических и трибологических характеристик поверхностей твердых тел и покрытий. Одним из возможных подходов к решению данной проблемы может служить разработка метода измерения, основанного на определении параметров акустического контакта между исследуемыми поверхностями, совершающими согласованные или противоположно направленные колебания. Для обеспечения высокой чувствительности измерительных устройств такого типа предлагается использовать резонансные режимы связанных (соответственно, синфазных и противофазных) колебаний составных пьезорезонаторов (ПР). Как показали проведённые исследования, к достоинствам данного метода можно отнести высокую чувствительность и возможность измерения как физико-механических, так и трибологических характеристик твёрдых материалов и покрытий.
Разработка нового метода
Суть предлагаемого метода заключается в использовании резонансных режимов взаимодействий составных пьезорезонаторов для исследования влияния механических нагрузок и амплитуд колебаний резонаторов на характеристики акустического контакта между вибраторами, акустически связанными с пьезорезонаторами. В качестве взаимодействующих резонаторов использовались два металлических вибратора с согласованными размерами и закреплёнными на их поверхности пьезоэлектрическими трансформаторами (ПЭТ) (рисунок 1). Одна система обкладок ПЭТ подключается к генератору электрических колебаний, а вто-
рая - к измерительному прибору. При проведении исследований определялись характеристики акустического контакта между взаимодействующими поверхностями вибраторов.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.
Г - генератор, ИП - измерительный прибор, 1 - контактирующие поверхности,
2 - звукопроводы, 3 - обкладки пьезорезотрансформаторов, 4 - пьезоэлементы
На рисунке 2 приведены зависимости выходных напряжений ведущего и ведомого ПЭТ в функции напряжения возбуждающего генератора на первой и второй нормальных частотах синхронизации системы (1НЧС и 2НЧС) при различных значениях усилий сдавливания контакта и различном напряжении возбуждения колебаний в системе.
X
01234567
У*
01234567
А^— Г ' '
/ и и
/ ^
І/
—'г * *■
01234567
/
і -*-Ряд1
60 ■ !ЛГ * =|ядЗ
20 ■ —*—*—* *—* *
01234567
Рисунок 2. Зависимости выходных напряжений ПЭТ от уровня напряжения возбуждения и воздействующих усилий сжатия контакта: по оси абсцисс - напряжения возбуждения (в вольтах), по оси ординат - выходное напряжение ПЭТ (в милливольтах)
Графики, обозначенные как ряды 1, 2, 3, характеризуют нарастающие значения усилия сдавливания контакта. На рисунке 3 приведены зависимости, отражающие влияние уровня напряжения возбуждения колебаний в системе на коэффициент трансформации первого ПЭТ на 1 НЧС и 2НЧС и второго ПЭТ на 1 НЧС и 2НЧС, соответственно.
Рисунок 3. Влияние уровня напряжения возбуждения колебаний на коэффициенты трансформации ПЭТ при разных усилиях сдавливания контакта
Виды полученных зависимостей определяются влиянием ряда факторов. В частности, снижение коэффициента трансформации первого ПЭТ на НЧС обусловлено не только потерями энергии на трение в пьезоматериале и в месте контакта резонаторов, но также перераспределением энергии колебаний между ними. На 2НЧС коэффициент трансформации первого ПЭТ остаётся практически неизменным при изменении напряжения возбуждения. Это объясняется тем, что снижение добротности колебательной системы возбуждаемого ПЭТ компенсируется уменьшением оттока энергии во второй ПЭТ.
На частоте синфазных колебаний связь между резонаторами слабая, по физической природе - упругая, внутренняя. Коэффициент связи при этом определяется отношением продольной упругости контакта к упругости материала пьезорезонатора. На частоте противофазных колебаний ПЭТ связь более сильная, чем при синфазных колебаниях резонаторов. Это связано с появлением дополнительной составляющей механизма упругой связи, обусловленной наличием поперечных деформаций микронеровностей в результате противофазных радиальных движений резонаторов. При увеличении усилия сдавливания контакта связь между резонаторами возрастает. Это происходит из-за увеличения фактической площади акустического контакта между пьезорезонаторами. В результате возрастает амплитуда колебаний ведомого ПЭТ, увеличивается отношение выходного напряжения ведомого ПЭТ к выходному напряжению ведущего ПЭТ.
По полученным значениям коэффициента распределения амплитуд колебаний (КРАК) можно определить значения коэффициентов связи для соответствующих частот связанных колебаний осцилляторов, воспользовавшись для этого известным из теории колебаний соотношением [5]:
а
L £,
(1)
где а - коэффициент связанности; у - коэффициент связи; £, - относительная расстройка парциальных частот осцилляторов; А и В - амплитуды колебаний возбуждаемого и ведомого осцилляторов.
При слабой связанности резонаторов на частоте их синфазных колебаний (1НЧС) приближенно можно считать [6, 7]:
(2)
и1 и и2 - выходные напряжения ПЭТ, С1, С2- ёмкости элементов связи, и элемента связи, Со - ёмкость.
На частоте противофазных колебаний пьезорезонаторов (2НЧС) связанность высокая, поэтому:
(3)
На рисунке 4 приведены зависимости КРАК от величины напряжения возбуждения ПЭТ на первой и второй НЧС при разных усилиях сдавливания контакта.
Рисунок 4. Зависимости КРАК от величины напряжения возбуждения и усилия сдавливания контакта
Как следует из приведенных графиков, при увеличении сдавливающих усилий максимум графика, отражающего зависимость КРАК от амплитуды колебаний ПЭТ на 2НЧС, смещается вправо, в область больших амплитуд колебаний резонаторов. Это можно объяснить тем, что при увеличении амплитуд противофазных движений резонаторов появляется проскальзывание в месте их контакта. В результате возрастания потерь на трение уменьшается доля энергии, приходящая к ведомому ПЭТ со стороны возбуждаемого.
На основании полученных зависимостей можно сделать вывод о возможности использования отношение выходных напряжений на частое противофазных колебаний ПЭТ в качестве информативного параметра для регистрации момента появление проскальзывания между контактирующими поверхностями. Зависимость такого критического режима взаимодействия резонаторов от величины напряжения возбуждения колебаний в системе при постоянном усилии сдавливания контактирующих поверхностей может быть использована для определения коэффициентов трения покоя и скольжения материалов [8-9].
Появление проскальзывания контактирующих поверхностей приводит к существенному снижению коэффициента связи на частоте противофазных колебаний резонаторов. На рисунке 5 приведены зависимости коэффициентов связи от величины входного напряжения для первой НЧС и второй НЧС.
\ \ *РЯД2
уч
0 0 12 3 4 5 6 7
\
\
\ «
\ -РПДЗ
\
0 ■ 0 1 2 3 4 5 6 7
Рисунок 5. Зависимости коэффициентов связи от величины входного напряжения при различных усилиях сдавливания контакта
На рисунке 6 приведены графики изменения отношения коэффициентов связи на частотах противофазных и синфазных колебаний резонаторов в функции напряжения возбуждения при различных значениях усилий сдавливания контакта между резонаторами.
V =ядЗ
\
01234567
Рисунок 6. Изменения отношения коэффициентов связи в функции напряжения возбуждения ПЭТ и усилия сдавливания контактов
Заключение
На основании полученных зависимостей можно сделать вывод о том, что при противофазных колебаниях связь между резонаторами намного больше, чем при их синфазных колебаниях. Особенно сильно такое различие в механизмах взаимодействия контактирующих поверхностей проявляется при больших усилиях сдавливания контакта между резонаторами и малых амплитудах колебаний резонаторов. При появлении проскальзывания между резонаторами отношения коэффициентов связи на частотах синфазных и противофазных колебаний практически не зависят от напряжения возбуждающего генератора.
Таким образом, изменяя усилия сжатия контакта между резонаторами, напряжение возбуждения ПЭТ, режимы связанных колебаний в системе, можно реализовать различные механизмы взаимодействия контактирующих поверхностей. Измеряя выходные параметры взаимодействующих пьезорезонаторов, (например, выходные напряжения и резонансные частоты связанных колебаний ПЭТ) можно определить физико-механические и трибологические характеристики исследуемых материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Булычев, С. И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием. Машиностроение
[Текст] / С. И. Булычев, В. П. Алехин. - М., 1990. - 224 с.
2. Гуткин, М. Ю. Физическая механика деформируемых наноструктур. Янус [Текст] / М. Ю. Гуткин, И. А. Овидько. - Т. 1. - СПб., 200З. - 194 с.
3. Горячева, И. Г. Контактные задачи в трибологии [Текст] / И. Г. Горячева, М. Н. Добы-
чин. - М. : Машиностроение, 19BB. - 25б с.
4. Джонсон, Д. Механика контактного взаимодействия [Текст] / Д. Джонсон. - М. : Мир, 19B9. - 510 с.
5. Андронов, А. А. Теория колебаний [Текст] / А. А. Андронов, С. Э. Хайкин, А. А. Витт. -М. : Наука, 19B1. - 5бЗ с.
6. Седалищев, В. Н. Высокочувствительные пьезорезонансные датчики с использованием связанных колебаний для экстремальных условий эксплуатации [Текст] / В. Н. Седалщи-ев, О. И. Хомутов. - Барнаул : АлтГТУ, 200б. - 1B4 с.
7. Седалищев В. Н. Использование связанных колебаний пьезорезонаторов для исследования физико-механических и трибологических характеристик поверхностей твердых тел [Текст] / В. Н. Седалищев [и др.] // Ползуновский альманах. - 2012. - № 2. - С. б-10.
B. Гуляев, П. Ю. Контроль формовки МДМ-структур наноэлектроники в сильных электрических полях [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Зеленский, Ю. В. Сахаров, П. Е. Троян // Пол-зуновский вестник. - 2010. - № 2. - С. бВ-71.
9. Гуляев, П. Ю. Кластерный анализ и оптимизация параметров механоактивации в процессах СВ-синтеза [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова // Информационные системы и технологии. - 2009. - № З. - С. 9З-99.
10. Gulyaev, P. Yu. In-situ selfpropagating-hightemperature-synthesis controlled by plasma / Gulyaev I. P., Cui Hongzhi, Milyukova I. V. // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2. - С. 28-ЗЗ.
11. Госьков, П. И. Универсальный преобразователь изображений ПИУ-2 [Текст] /
П. И. Госьков, П. Ю. Гуляев, А. Г. Якунин // Приборы и техника эксперимента. - 19B7. -№ З. - С. 91.
