CC BY
0УДК 550.34 Цвигун В.Н., Цвигун С.В., КойновР.С., Цвигун А.С.
Цвигун В.Н.
канд. технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк, Россия)
Цвигун С.В.
коммерческий директор ООО РТК (г. Москва, Россия)
Койнов Р.С.
главный разработчик Главный научный инновационный внедренческий центр (г. Новокузнецк, Россия)
Цвигун А.С.
менеджер продукта
ООО ТЦР (г. Москва, Россия)
РАЗОГРЕВ МАТЕРИАЛА ПО ЛИНИИ СДВИГА.
ЛИНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ И ТРЕЩИНЫ
Аннотация: в работе рассматриваются механизмы образования линий скольжения и трещин при контактном нагружении в контактной механике разрушения. Представлены экспериментальные данные, подтверждающие локальный разогрев в зонах сдвига и его влияние на формирование структурных дефектов, включая белые слои механического мартенсита в рельсах и подшипниках качения. Исследованы аналогии с геологическими процессами, такими как трение в зонах субдукции и лавинные потоки. Обнаружены новые закономерности формирования дефектов при контактных взаимодействиях, включая
появление трещин по линиям сдвига, образование пор и ступенчатых разломов. Полученные результаты могут иметь практическое значение для материаловедения, геомеханики и инженерии.
Ключевые слова: контактная механика разрушения, контактная усталость, линии скольжения, контактное нагружение, мартенсит, трение, разогрев, трещины, субдукция, лавинные потоки, геология, дефект Цвигуна.
Введение.
Тематика проблем линий скольжения и трещин, которые появляются при контактном нагружении в контактной механике разрушения остается суперсложной и эксперименты, которые посвящены этой тематике актуальны.
В рельсах, подшипниках качения уже 70 лет ученые при изучении трещин контактной усталости находят на берегах трещин белые слои - механический мартенсит с высоким углеродом. При механическом трении за десятки микросекунд быстро выделяется много тепла, но теплоотвод физически быстро невозможен, теплоотвод медленный процесс, т.к. плоскость сдвига имеет очень небольшую площадь. Даже при осадке кубика из твердого материала размером 10 мм, образуются диагональные линии сдвигов, которые уже описаны в литературе (исследования с помощью тепловизора дают точность лучше 0,1°).
Схожий результат показали японские геологи, просверлив скважину в море, на глубине 300м точно в том месте, где одна океанская плита задвигается под другую. Взяли керн из точки линии контакта (линия сдвига). Керн был уложен в желоб на столе и имел черный, оплавленный вид, хотя рядом базальт был обычного цвета. Температура при таком контакте достигает 800 и более градусов (Телеканал ДИСКАВЕРИ)
Подобный результат мы получили в 2007 году, в лаборатории. В гранитный блок размером 0,5м*0,5м*0,3м вдавливали шарик 08 мм из карбида вольфрама. Под шарик положили сетку из латуни, чтобы измерить деформации с точностью 0,01 мм. Однако в нашем опыте сетка при медленном нагружении
разрушилась и оплавилась - при увеличении в 30 раз видно много латунных шариков (это 800 градусов).
В обработке металлов давлением чем ниже скорость деформации, тем больше коэффициент трения, но при высоких скоростях деформации начинается разогрев заготовки при высокоскоростной прокатке (у мелких профилей линии сдвига сосредоточены вблизи поверхности) и необходимо охлаждать прокат между прокатными клетями.
Аналогично, снежная лавина, начиная движение, быстро разогревается от трения в полосах сдвига, потому что в полосах скольжения появилась смазка -капельки воды от давления и трения снег плавится при деформации, но когда она останавливается, мгновенно застывает т.к. вокруг минусовая температура снега.
Наличие воды на склонах холмов также приводит к падению трения и в рамках задачи Прандтля: дома, деревья и т.д. сползают вниз по линиям сдвигов, во время движения грунт ведет себя как псевдо-жидкость в плоскостях сдвига. Эти оползни обычно происходят под углом около 30°, а толщина их часто десятки метров.
Поскольку сдвиги проходят при вибрациях с большими амплитудами, когда линии скольжения проходят за несколько миллисекунд (экспериментальные данные), есть разогрев до 900°, а теплопроводность зависит от площади нагретого элемента, теплопроводности материала и перепада температур. Таким образом, проходят необратимые структурные изменения в локальных полосах сдвигов (обычное явление, когда они выглядят как две параллельные линии на очень близком расстоянии - в реальных кристаллах, металлах это десятки мкм).
Мы определили экспериментально под шаром-индентором, что в 5-6 слоях полимера образуется от 5 до 8 типов разных трещин при однократном нагружении [1]. При усталостном индентировании или при качении шара картина усложняется. В работе показано, что есть разогрев при индентировании, плавление льда и мгновенное его замерзание при разгрузке. В работе описаны
трехмерные дефекты-поры, которые образуются при вскрытии линий скольжения.
Если шар (сталь НВ400) нормально внедряем в пакет из полипропиленовых пластин (пачка из 8 сжатых струбциной пластин, толщиной 1 мм), которые после нагружения позволяют рассмотреть контактные деформации по оси шара. На рис. 1 видно, что непосредственно под шаром есть зона прилипания (5), слева (0) и справа (не показано), образуются короткие конические трещины Герца (0). На глубине, около 0,5 Н зона (2) - трещины на линиях сдвига, есть продольные трещины (1), между (1) слева и справа (1) проходит граница упругой и пластической зон, по которой может при контакте качения вырасти продольная, латентная трещина, вдоль поверхности - это трещина от эффекта Маннесмана и глубина ее около 0,4а.
Зона (3) - глубокая вертикальная трещина от наведенных напряжений растяжения.
Рисунок 1. Внедрение (нормальное) шара 08мм в полиэтилентерефталат с выявлением линии сдвигов и трещин (тёмные линии). Контактная площадка 2а, W - ширина, Н - глубина.
<-
V л
-> Т Дефект Цвигуна
Рисунок 2. Дефекты В.Н. Цвигуна. Упруго - пластические сдвиги кубиков ведут к появлению пор (серые квадраты) и трещин по их граням. За счёт этого увеличивается объём материала (ЗД) при наклёпе металлов и твёрдых пород при разрушении. Такой конгломерат не сопротивляется растяжению и похож на гранитную брусчатку.
Возможно, открытие новой закономерности: произведение напряжений в каждой клетке на ее площадь есть постоянная величина. На каждом перекрестке в верхней части рисунка образуются поры и трещины, назовем их дефекты В.Н. Цвигуна (рис.2).
Зона 4 - ступенчатые трещины между плоскостями сдвигов. На поверхности Земли такие объекты - ступенчатые сдвиги и трещины встречаются часто.
При внедрении холодного шара в лед (-20°, рис. 3) он плавится (зона 5, мелкая клетка), но только стоит разгрузить шар и поднять его на 5 мм, мгновенно замерзает сталагмит от шара до зоны 5.
Рисунок 3. Явление замерзания сталагмита после испытания льда на твердость.
Явление таяния охлажденного льда под охлажденным шаром 08 мм происходит при нагрузке на индентор 10 кг, диаметр отпечатка 5 мм и тогда твердость льда по Бринелю 0,23 кг/мм2. Мгновенное замерзание после плавления и прилипание льда к индентору в виде сталагмита говорит о том, что нечто подобное наблюдается при росте от мокрых колес зимой прямо на ледяном асфальте (при оттепели) в виде появления периодических образований -конических сталагмитов диаметром около 10 мм и высотой до 30 мм (намораживание капель воды на сосульках). В горах, когда есть слой снега толщиной более 15 м, создаются условия - начинает плавиться лед. В условиях наклона под высоким давлением ледовые потоки скользят по склону более 10 градусов со скоростью около 1 км/год. Таяние от давления, образование трещин, их заполнение водой и замерзание воды в трещинах приводит к появлению полосчатого льда. Подобные гравитационные потоки образуются из каменных обломков (генезис): был старый вулкан, его вертикальные стенки обрушаются под весом льда и выносятся потоками льда из чашевидного цирка. Течение каменных и ледяных потоков при землетрясениях ускоряется в несколько раз, т.к. снижаются силы трения. Все геоматериалы на поверхности земли имеют сетки тонких трещин, заполненных водой. Поэтому гранит под весом льда иногда легче разрушается, чем лёд.
Стальной шар (-20° С)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Изучение механизмов контактно-усталостных дефектов в рельсах: монография / В.Н. Цвигун, Е.А. Шур, В.Н. Кузнецов, Р.С. Койнов, Сиб. гос. индустр. ун-т. -Новокузнецк: Изд. центр Сиб
Tsvigun V.N., Koinov R.S., Tsvigun S.V., Tsvigun A.S.
Tsvigun V.N.
Ph.D. in Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Metal Forming Siberian State Industrial University (Novokuznetsk, Russia)
Koinov R.S.
Lead Developer of Chief Scientific Innovation Implementation Center
(Novokuznetsk, Russia)
Tsvigun S.V.
CEO of RTK Basis (Moscow, Russia)
Tsvigun A.S.
Product Manager of T-Bank (Moscow, Russia)
HEATING OF MATERIAL ALONG THE SHEAR LINE: SLIP LINES AND CRACKS
Abstract: study examines the mechanisms of slip lines and crack formation under contact loading in the fracture contact mechanics. Experimental data confirm local heating in shear zones and its impact on the formation of structural defects, including white layers of mechanical martensite in rails and rolling bearings. Analogies are drawn with geological processes such as friction in subduction zones and avalanche flows. New patterns of defect formation in contact interactions have been identified, including crack formation along shear lines, pore generation, and steppedfractures. The findings have practical implications for materials science, geomechanics, and engineering.
Keywords: fracture contact mechanics, contact fatigue, slip lines, contact loading, martensite, friction, heating, cracks, subduction, avalanche flows, Tsvigun defects.
