2.7. Экспериментальное определение некоторых характеристик контакта.

Для изучения площади контакта используются следующие методы:

1) основанные на применении тонких пленок наносимых на одну из контактирующих поверхностей;

2) оптические;

3) основанные на измерении контактной проводимости.

Рис. 17. Фактическая площадь контакта определенная по методу разрушения тонких угольных пленок.

Простым и удобным методом измерения фактической и контурной площади шероховатых непрозрачных поверхностей является метод тонких угольных пленок, напыляемых в вакууме на одну из контактирующих поверхностей. Такие пленки весьма однородны, имеют малую толщину (0,03-0,05 мм) и легко разрушаются в местах контакта. На рис.17 показана площадь контакта, полученная по этому методу [5]. Имеются телевизионные планиметры, которые автоматически подсчитывают площадь контакта, в частности такой прибор разработан И.И.Берковичем.

При ручной обработке фотографии площади берется ряд сечений, по которым определяется вероятность контакта и на основании этого рассчитывается площадь.

Используются также пленки, содержащие люминесцентные добавки. При контактировании материал пленки, за счет адгезии переносится на сопряженную поверхность и зоны контакта определяются при облучении поверхности ультрафиолетовыми лучами. Метод обладает высокой чувствительностью.

Оптическим методом, часто используемым для определения фактической площади контакта, является метод нарушения полного внутреннего отражения. При этом шероховатая поверхность контактирует со стеклянной или алмазной призмой. На призму падает пучок света, испытывающий на грани АВ (рис.18) полное внутреннее отражение, в местах контакта выступов с поверхностью призмы отражение нарушается, и наблюдатель видит на зеркальном фоне темные пятна фактического контакта.

Рис. 18. Принципиальная схема определения ФПК по методу нарушения полного внутреннего отражения.

При экспериментальном измерении площади контакта по его электропроводности обыкновенно пользуются формулами Р. Хольма. Полное сопротивление дискретного контакта складывается из сопротивления, зависящего от числа и размера пятен фактического касания (ситочное сопротивление) и сопротивления растекания обусловленного размером контурной площади. Таким образом, полное сопротивление выражается суммой:

(50)

Здесь n_r - число пятен фактического контакта, ρ - средний радиус пятен, λ - удельная проводимость материала, ρ_с - радиус контурной площадки контакта. Преимущество этого метода состоит в том, что его можно применять для движущихся образцов. Недостатком метода является трудность определения числа контактов и сильное влияние поверхностных пленок окислов и загрязнений, которые весьма меняют величину переходного сопротивления. Практически данная методика требует тарировки с помощью другого метода.

На рис.19 показаны кривые зависимости фактической площади контакта A_r от контурного давления q_c для различных металлов. Отклонение зависимости от линейной связано с упрочнением материала и влиянием упругих деформаций.

Рис.19. Зависимость фактической площади контакта от контурного давления

для различных материалов.

Рис.20 Схема прибора для измерения контактных деформаций.

При экспериментальном измерении деформации контакта шероховатых поверхностей необходима большая точность ввиду малости измеряемых величин.

На рис. 20 изображена принципиальная схема прибора. Нижний образец 2 изготовлен в виде кольца с центральным каналом и пазом в верхней части. В канал вставлена труба 3, имеющая в верхней части выступ в виде кольца. Труба с натягом упирается в паз нижнего образца, натяг осуществляется с помощью пружины 6. Через трубку пропущен толкатель 4, который упирается в верхний образец 1. Нижний конец толкателя соединен с индукционным датчиком 8. На нижнем конце трубки 3,проходящем в отверстие, жестко укреплена траверса 7, служащая основанием для крепления корпуса датчика. При приложении нагрузки к верхнему образцу 1 шток 4 смещается по отношению к трубке 3. Это смещение измеряется с помощью датчика. Описанная конструкция позволяет исключить из отсчета ошибку за счет сближения между нижней поверхностью образца 2 и станиной и свести к минимуму ошибку за счет упругого деформирования образца.

Рис. 21. Зависимость деформации контакта от контурного давления: АВ - кривая нагружения, ВС - кривая разгрузки, АС - остаточная пластическая деформация.

На рис.21 показана зависимость сближения от давления (стальные шлифованные поверхности Rz = 20 мкм, ОВ - первое приложение нагрузки к контакту, ВС - разгружение). При повторном приложении нагрузки деформация списывается кривой СВ.

Объем межконтактного пространства исследовался В.М.Алексеевым последующей методике. Две грубо шероховатые пластины небольшой толщины тщательно взвешивались, затем одна из них покрывалась слоем консистентной смазки. Поверхности приводились в контакт и нагружались. Излишки смазки удалялись и поверхности снова взвешивались. Зная плотность смазки легко рассчитать объем.