Содержание к диссертации
Введение
1. Основные закономерности трения и изііашивания металлических материалов 12
1.1. Структура поверхностных слоев при трении 12
1.2. Основные механизмы изнашивания и виды износа 40
1.3. Морфология поверхностей трения 50
1.4. Классификация частиц изнашивания 53
2. Ионная имплантация поверхности мипіеііи для повышения физико-механических свойств металлов 59
2.1. Применение ионных пучков для модификации физико-механических свойств металлов 59
2.2. Виды ионной имплантации 63
2.3. Взаимодействие ускоренных ионов с твердым телом 66
2.4. Структурно-фазовые изменения в мишени при ионной имплантации 74
2.5. Повышение износостойкости металлов и сплавов методом ионной имплантации 84
3. Постановка задач. выбор материалов и методики исследований 91
3.1. Постановка задач 91
3.2. Материалы исследований и подготовка образцов 95
3.3. Методики экспериментальных исследований 96
3.3.1. Ионная обработка 96
3.3.2. Триботехнические испытания 98
3.3.3. Исследования развития пластической деформации при трении на мезоуровне 102
3.3.4. Исследование микроструктуры 112
3.3.5. Измерение концентрационных профилей 115
3.3.6. Определение фазового состава 115
3.3.7. Измерение микротвердости 116
3.3.8. Измерение морфологии поверхностей трения 116
3.3.9. Исследование морфологии частиц износа 117
4. Влияние высокодозовои имплантации ионов молибдена на формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях стали при трении 118
4.1. Формирование градиентной структуры в приповерхностных ионно-имплантированных слоях стали 45 и ее влияние на трение и износ 118
4.1.1. Структурно-фазовое состояние стали 45 118
4.1.2. Формирование градиентной микроструктуры при ионной имплантации стали 45 125
4.1.3. Влияние ионной имплантации на кривые износа стали 45 145
4.2. Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях неимплантированной и ионно-имплантированной стали 45 в процессе трения 148
4.2.1. Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения на стадии приработки 150
4.2.2. Развитие пластической деформации при трении и формирование микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях ионно- имплантированной стали 45 159
5. Влияние высокодозовои имплантации ионов молибдена на закономерности разрушения градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях стали 45 при трении и формирование частиц износа 169
5.1. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения 169
5.2. Формирование частиц износа и разрушение градиентной микро- и мезоструктуры в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 при трении 174
5.3. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях ионно-имплантированной стали 45 в процессе трения 185
5.4. Формирование частиц износа и разрушение приповерхностного слоя ионно-имплантированной стали 45 при трении 192
5.5. Основные закономерности формирования структуры в приповерхностных слоях стали 45 при трении и механизмы изнашивания 198
6. Влияние высоинтенсивнои имплантации ионов азота на формирование и разрушение градиентных структур в приповерхностных слоях стали 40х в процессе трения ...206
6.1. Микроструктура, фазовый состав и микротвердость имплантированных ионами азота приповерхностных слоев стали 40х 206
6.2. Влияние высоинтенсивной ионной имплантации на кривые износа стали 40Х 210
6.3. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях стали 40Х в процессе трения 212
6.4. Основные закономерности формирования структуры в приповерхностных слоях стали 40Х при трении и закономерности изнашивания 217
Выводы 223
Литература 225
- Основные механизмы изнашивания и виды износа
- Повышение износостойкости металлов и сплавов методом ионной имплантации
- Исследования развития пластической деформации при трении на мезоуровне
- Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения на стадии приработки
Введение к работе
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий об эффективном использовании различных видов ионной имплантации для повышения износостойкости изделий различного назначения [1-11]. При оптимизации технологических режимов ионной обработки, а также при разработке новых технологий, необходим анализ реальных условий работы изделий, находящихся в трибоконтактах, и причин выхода их из строя. В связи с этим, исследование механизмов изнашивания, а также путей повышения износостойкости различных деталей, является актуальной задачей.
Большое разнообразие сложных процессов в трибоконтактах затрудняет построение единого подхода к описанию изнашивания тел. Поэтому, как правило, исследователи ограничиваются общей классификацией механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением отдельных механизмов и т.д., не выявляя общих закономерностей разрушения поверхности при трении. Несмотря на многочисленные работы, опубликованные по трению и износу [12-22], до сих пор в полной мере нет необходимых знаний для создания долговечных и надежных узлов трения.
В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения, которые изменялись по мере углубления взглядов о природе твердых тел. Так, в эпоху развития механики абсолютно жестких тел развивались геометрические теории (17-18 век), в эпоху развития молекулярной физики - молекулярные теории (18-нач.20 века), а в эпоху разработки теории упругости - механические теории (19-нач.20 век.) [23]. На смену им пришла более универсальная молекулярно- механическая теория, выдвинутая практически одновременно русским ученым И.В. Крагельским [23-27] и английскими учеными Ф. Боуденом и Д. Тейбором [28-31]. Впервые И.В. Крагельским была предложена концепция «третьего тела», основанная на представлении, что при трении между контактирующими телами формируется пленка с новыми свойствами, которые и определяют фрикционные характеристики пары трения. Появление концепции «третьего тела» и молекулярно-механической теории связано с новым этапом двадцатипятивековой истории развития трибологического анализа.
На формирование теорий трения повлияло открытие эффекта избирательного переноса или «эффекта безызносности» при трении [12-14, 32, 33], который заключается в образовании пластичной пленки, реализующей малое сопротивление сдвигу в результате трибохимических реакций, приводящих к изменению структур и состава поверхностных слоев. В середине 50-х гг. при исследовании технического состояния самолета ИЛ-28 на разных этапах эксплуатации Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский обнаружили явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на трущихся поверхностях деталей тяжелонагруженных пар трения сталь-бронза, смазываемых спиртоглицериновой смесью. Пленка меди, толщиной 1...2мкм, резко снижала интенсивность изнашивания поверхностей и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.
Таким образом, открытие «эффекта безызносности» вызвало новый толчок многочисленным исследованиям физико-химических явлений в зоне трения, в частности, исследованиям структуры поверхностного слоя. Исследование структурных изменений в поверхностных слоях фрикционного контакта стало возможным с развитием методов анализа поверхности (рентгеноструктурный анализ, растровая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и т.д.). Исследование структуры и строения поверхностных слоев металла при трении стало одной их основных проблем современного трибоанализа. В этой области хорошо известны работы Л.М. Рыбаковой [33-40], Л.И. Куксеновой [33, 38, 39], Д. Ригни [40-44], Р. Хэльмана [43, 44], И.И. Гарбара [45-50], В.Ф. Пинчука [51-54] и др.
Развитие термодинамики неравновесных процессов, информативной механики, а также синергетики позволило по-новому взглянуть на эффект избирательного переноса при трении. В 70-х г. Б.И. Костецким и Л.И. Бершадским с коллегами была создана теория структурно-энергетической приспосабливаемости материалов при трении [55-63]. Согласно данной теории трибологическая система самопроизвольно адаптируется к действию внешних факторов. Для описания природы трения используются такие понятия как саморегулирование, адаптивность, самоорганизация трибосистем и т.д., а также вводятся понятия диссипативной структуры и принципа диссипативной гетерогенности. Для определения состояния трансформированного поверхностного слоя материала в узле трения была использована концепция вторичных структур. Однако, данный подход потребовал изменения трибологических концепций и классификаций и первоначально был воспринят учеными-трибологами критически [62, 63]. Впоследствии теория структурно — энергетической приспосабливаемости трансформировалось в новое научное направление, базирующие на энергетическом подходе. В данной области хорошо известны работы А.А. Полякова [64-66], Н.А. Буше [67-71], Г. Польцера [72, 73], Г. Фляйшера [74], И. С. Гершмана [75] и других.
В 80-х годах получил развитие новый подход к описанию процессов пластической деформации и разрушения твердых тел на основе представлений о структурных уровнях пластической деформации [76-78], который нашел свое отражение в соответствующих теориях трения. В. И. Владимиров [79] пытался поставить основные вопросы теории трения в свете последних достижений физики дефектов и термодинамики неравновесных процессов, а именно, объединить принципы самоорганизации диссипативных структур при трении и ротационные процессы, фрагментированные структуры и дисклинации, многомасштабность дефектов и процессов пластической деформации и разрушения. Впервые процессы трения и изнашивания твердых тел рассматривались как" взаимосвязанные многостадийные процессы, развивающиеся на различных масштабных уровнях в работах Н. М. Алексеева [80-83]. В настоящее время концепция структурных уровней нашла свое отражение в новом научном направлении «физическая мезомеханика материалов» [84-88]. Физическая мезомеханика описывает нагруженное твердое тело как иерархическую систему, в которой процессы деформации и разрушения развиваются самосогласованно на микро-, мезо- и % макромасштабных уровнях [84]. ^ На микромасштабном уровне пластическая деформация твердого тела осуществляется зарождением и движением дислокаций с формированием дислокационных субструктур [89]. Одним из основных методов исследования деформации на микроуровне является просвечивающая электронная микроскопия. В ходе деформации плотность дислокаций в образце возрастает, и при некоторой ее критической плотности происходят структурные перестроения в зонах значительной протяженности, формируя фрагментированную структуру [90]. На этом этапе пластическое течение ' осуществляется по схеме «сдвиг+поворот» [84]. Этот масштабный уровень
3 классифицируется как мезоуровень [84]. Оптическая микроскопия, растровая | микроскопия и специальные методы, например, оптико-телевизионная измерительная система TOMSC [91], могут эффективно использоваться для изучения деформации на мезомасштабном уровне. Отметим, что на мезомасштабном уровне информация о деформации и разрушении в условиях трения и износа может также быть получена при исследовании морфологии поверхностей трения и частиц износа. Анализ кривых течения, кривых износа и т.д. позволяет получать информацию о пластической деформации образца как і единого целого. Это соответствует макромасштабному уровню.
Целью работы являлось комплексное сравнительное экспериментальное 4 исследование закономерностей развития пластической деформации и разрушения на микро- и мезомасштабных уровнях при трении сталей различной прочности с ионно-модифицированным поверхностным слоем.
Для реализации указанной цели в работе решались следующие экспериментальные задачи:
Изучение влияния ионной имплантации (высокоинтенсивная и высокодозовая ионная имплантация) на интенсивность изнашивания стали 45 в феррито-перлитном состоянии и стали 40Х в мартенситном состоянии.
Экспериментальное исследование структурно-фазового состояния и элементного состава поверхностных слоев ионно-имплантированных сталей 45 и 40Х.
Сравнительное исследование структурно-фазового состояния и элементного состава, формирующегося в приповерхностных слоях неимплантированных и имплантированных сталей 45 и 40Х в процессе трения.
Исследование эволюции пластической деформации на мезомасштабном уровне в приповерхностных слоях неимплантированных и имплантированных сталей 45 и 40Х в процессе трения.
Исследование кинетики формирования частиц изнашивания и их морфологии; исследование морфологии поверхностей трения.
При решении поставленных задач были использованы современные методы структурных исследований (просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, Оже-электронная спектроскопия), различные методы механических испытаний (измерение микротвердости, испытания на износ). Для исследования характера развития пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных при трении была разработана и впервые применена специальная методика с использованием оптико-телевизионного комплекса "TOMSC" на базе оптического микроскопа "EPIQUANT".
На защиту выносятся следующие положения:
При трении на стадии приработки в стали 45 с феррито-перлитной структурой происходит фрагментация материала на микро- и мезомасштабных уровнях, формируя в приповерхностном слое градиентные микро- и мезоструктуры. Подобная градиентная модифицированная микроструктура формируется в поверхностном слое при ионной имплантации, что, в конечном итоге, обеспечивает существенное сокращение стадии приработки в случае ионно-имплантированных образцов.
Пластическая деформация в приповерхностных слоях стали 45 с феррито-перлитной структурой при трении на стадии установившегося изнашивания имеет "вихреподобный" характер, определяющий образование частиц износа и разрушение приповерхностного слоя. Целенаправленно сформированная высокодозовой ионной имплантацией градиентная модифицированная структура приводит к локализации пластической деформации в тонком поверхностном слое, что существенно затрудняет развитие "вихреподобных" структур деформации, следствием чего является повышение износостойкости.
Необходимым условием включения "вихреподобного" характера мезоструктуры в условиях трения металлических материалов является относительно высокая пластичность материала (сталь 45 с феррито-перлитной структурой). Формирование поверхностного упрочненного слоя толщиной в десятки микрометров при переходе от высокодозовой ионной имплантации стали 45 к высокоинтенсивной ионной имплантации стали 40Х подавляет "вихреподобный" характер развития пластической деформации и снижает интенсивность изнашивания.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и Международных конференциях и семинарах: 4-ом
Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», г. Нижний Новгород, 1998 г.; 1-ой, 2-ой, 3-ей Всероссийских конференциях молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», г. Томск, 1998-2000 г.; 1-ой Всероссийской научной молодежной школе «Радиационная физика и химия неорганических материалов», г. Томск, 1999 г.; 5-ом Российско-китайском международном симпозиуме «Новые материалы и технологии», г. Байкальск, 1999 г.; 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов, г. Томск, 1999 г.; 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков, г. Томск, 2000 г.; 6-ой Международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии", г. Томск, 2000 г.; 1-ом международном конгрессе "Радиационная физика, Сильноточная электроника и Модификация материалов", г. Томск, 2000 г.; Международной школе "Мезомеханика: основы и применения", г. Томск, 2001 г.; 3-ей Международной конференции «Физика и промышленность», г. Голицино, Московская область, 2001 г.; 12-ой Международной конференции "Поверхностная модификация материалов ионными пучками", г. Марбург, Германия, 2001 г.; 6-ой Всероссийской (международной) конференции "Физикохимия Ультрадисперсных (нано-) систем", г. Томск, 2002 г.; Международном симпозиуме «О природе трения твердых тел», г. Гомель, Беларусь, 2002 г.; 6-ой Международной конференции "Модификация материалов ионными пучками и потоками плазмы", г. Томск, 2002 г.
По результатам диссертации опубликовано 25 работ, из них 6 статей в центральных российских и зарубежных журналах и 8 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 234 наименования. Диссертация содержит 248 страниц, в том числе 92 рисунка и 16 таблиц.
Основные механизмы изнашивания и виды износа
При решении поставленных задач были использованы современные методы структурных исследований (просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, Оже-электронная спектроскопия), различные методы механических испытаний (измерение микротвердости, испытания на износ). Для исследования характера развития пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных при трении была разработана и впервые применена специальная методика с использованием оптико-телевизионного комплекса "TOMSC" на базе оптического микроскопа "EPIQUANT". На защиту выносятся следующие положения: 1. При трении на стадии приработки в стали 45 с феррито-перлитной структурой происходит фрагментация материала на микро- и мезомасштабных уровнях, формируя в приповерхностном слое градиентные микро- и мезоструктуры. Подобная градиентная модифицированная микроструктура формируется в поверхностном слое при ионной имплантации, что, в конечном итоге, обеспечивает существенное сокращение стадии приработки в случае ионно-имплантированных образцов. 2. Пластическая деформация в приповерхностных слоях стали 45 с феррито-перлитной структурой при трении на стадии установившегося изнашивания имеет "вихреподобный" характер, определяющий образование частиц износа и разрушение приповерхностного слоя. Целенаправленно сформированная высокодозовой ионной имплантацией градиентная модифицированная структура приводит к локализации пластической деформации в тонком поверхностном слое, что существенно затрудняет развитие "вихреподобных" структур деформации, следствием чего является повышение износостойкости. 3. Необходимым условием включения "вихреподобного" характера мезоструктуры в условиях трения металлических материалов является относительно высокая пластичность материала (сталь 45 с феррито-перлитной структурой). Формирование поверхностного упрочненного слоя толщиной в десятки микрометров при переходе от высокодозовой ионной имплантации стали 45 к высокоинтенсивной ионной имплантации стали 40Х подавляет "вихреподобный" характер развития пластической деформации и снижает интенсивность изнашивания.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и Международных конференциях и семинарах: 4-ом Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», г. Нижний Новгород, 1998 г.; 1-ой, 2-ой, 3-ей Всероссийских конференциях молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», г. Томск, 1998-2000 г.; 1-ой Всероссийской научной молодежной школе «Радиационная физика и химия неорганических материалов», г. Томск, 1999 г.; 5-ом Российско-китайском международном симпозиуме «Новые материалы и технологии», г. Байкальск, 1999 г.; 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов, г. Томск, 1999 г.; 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков, г. Томск, 2000 г.; 6-ой Международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии", г. Томск, 2000 г.; 1-ом международном конгрессе "Радиационная физика, Сильноточная электроника и Модификация материалов", г. Томск, 2000 г.; Международной школе "Мезомеханика: основы и применения", г. Томск, 2001 г.; 3-ей Международной конференции «Физика и промышленность», г. Голицино, Московская область, 2001 г.; 12-ой Международной конференции "Поверхностная модификация материалов ионными пучками", г. Марбург, Германия, 2001 г.; 6-ой Всероссийской (международной) конференции "Физикохимия Ультрадисперсных (нано-) систем", г. Томск, 2002 г.; Международном симпозиуме «О природе трения твердых тел», г. Гомель, Беларусь, 2002 г.; 6-ой Международной конференции "Модификация материалов ионными пучками и потоками плазмы", г. Томск, 2002 г.
По результатам диссертации опубликовано 25 работ, из них 6 статей в центральных российских и зарубежных журналах и 8 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 234 наименования. Диссертация содержит 248 страниц, в том числе 92 рисунка и 16 таблиц.
При изучении закономерностей трения и изнашивания металлических материалов основное внимание уделяется исследованию структуры, формирующейся в поверхностном слое при трении, морфологии поверхностей трения и частиц изнашивания. На основании анализа полученных данных рассматриваются механизмы изнашивания и виды износа. Рассмотрим литературные данные, касающиеся вышеуказанных вопросов.
В настоящее время известно много работ, посвященных исследованию структуры поверхностных слоев, формирующихся при трении [33-54]. Так в работе [10] приведена достаточно подробная классификация моделей, относящихся к понятию «третьего тела». Классификация выполнена А. В. Белым и соавторами и приведена в таблице 1.1. Ниже будут рассмотрены некоторые работы, которые по нашему мнению, наиболее ярко отражают основные направления исследования поверхностных слоев при трении.
Первыми работами, в которых было обращено внимание на структурные превращения при фрикционном контакте, можно считать исследования Бэйль-би, обнаружившего существование трансформированной структуры на поверхности полированного металла [10].
Повышение износостойкости металлов и сплавов методом ионной имплантации
Процесс эволюции дислокационной структуры и кинетика массопереноса в твердом теле определяются также и другой характеристикой кристаллической структуры - межатомным расстоянием а. Его роль в комплексе физических процессов проявляется главным образом с двух сторон. Во-первых, межатомный масштаб непосредственно связан с характерным сдвигом, производимым элементарными носителями пластической деформации (дислокациями) и фактически соответствует вектору Бюргерса. Во-вторых, в легированных металлических системах величина а характеризует количественный элементный состав твердых тел и является идентификатором фазового состава.
Особое внимание в исследованиях Л. М. Рыбаковой уделено явлению избирательного переноса. Так, исследование структуры поверхностных слоев в режиме избирательного переноса позволило выявить несколько особенностей реализации эффекта безызносности [33, 38-40]. Первая особенность заключается в том, что в условиях реализации избирательного переноса структурные превращения в приповерхностных слоях приводят к формированию пленки меди с особыми свойствами, определяющими низкой плотностью дислокаций и высокой плотностью вакансий. Такая структура материала обусловливает малое сопротивление сдвигу и облегчение условий формоизменения в зоне контактирования. Послойный рентгенографический анализ скользящим пучком выявил вторую важную особенность формирования структуры поверхностных слоев при трении в условиях избирательного переноса. На рентгенограмме выявлены не одна, как обычно для однофазного материала, а две системы линий, соответствующие интерференции кристаллических плоскостей двух материалов: медной пленке и основного материала. Две системы линий свидетельствуют о существовании дискретной границы между сформировавшейся пленкой и основой материала, которая представляет собой слой окислов. Исследования диффузионных процессов в зоне контакта (глубины диффузионной зоны, скорости диффузии, энергии активации процесса) выявило третью особенность, положенную в основу критерия избирательного переноса, - в условиях градиента плотности дислокаций и вакансий по глубине зоны деформации формирование определенной структуры и свойств защитного поверхностного слоя определяются кинетикой совокупности диффузионных потоков различных по своей природе и свойствам легирующих элементов медных сплавов.
Накопление данных о морфологии, размерах и механизме образования частиц разрушения поверхностного слоя дало толчок к созданию теории фрикционного взаимодействия на основе описания процессов массопереноса при трении. Одним из механизмов фрикционного взаимодействия является предложенный Д. Ригни механизм фрикционного перемешивания продуктов изнашивания [41, 45]. Для исследования структуры трения были использованы следующие методы: оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия (в том числе, с использованием методики «cross-section»), оже-спектроскопия, измерение ЭДС, спектроскопия дисперсии длин волн, анализ микротвердости. Механизм фрикционного взаимодействия основывается в этих работах на следующих положениях [41]: 1. Неровности вызывают пластические деформации, и развивается "тонкая" деформационная структура. Эта структура включает в себя неоднородности, которые делают материал неустойчивым при локальных сдвигах. 2. Нестабильности сдвигового сопротивления поверхностного слоя позволяют переносить фрагменты материала к противоположной поверхности. Причем перенос может осуществляться в обоих направлениях, но обычно в одном направлении он больше, чем в другом. 3. Перенос начинается на самых разных стадиях скольжения до того, как обнаруживаются частицы изнашивания. 4. При непрерывном скольжении происходит механическое перемешивание и уменьшение размера зерен перемешанного материала. Пленка переноса состоит из фрагментов (микрокристаллитов) диаметром 3-30 нм. Для некоторых материалов размер этих кристаллитов совпадает с размером зерен в структуре поверхностного слоя, развивающейся при трении. 5. Вторая фаза, которая может поступить с противоположной поверхности благодаря реакции с окружающей средой или из самого смазочного материала, необходима для стабилизации очень малых размеров зерен. 6. При трении разнородных материалов перенесенный слой имеет композиционную структуру и состоит из фрагментов обоих материалов. 7. Частицы изнашивания, обнаруженные вне зоны трения, состоят, как правило, из фрагментов обоих материалов. 8. Смазочные масла снижают размер частиц изнашивания вследствие того, что они разделяют мелкие частицы, мешая их агломерации. 9. Механизм отделения элементарных фрагментов является адгезионным и реализуется в первую очередь за счет среза материала с меньшей когези-онной энергией. Частички износа образуются из механически перемешанного материала, возможно, когда на поверхности достигается критическая толщина. Используя данные работ, выполненные Д. Ригни с сотрудниками [44, 45], В. И. Владимиров предложил схему строения ротационных структур при трении, которая приведена на рис. 1.6. Согласно В. И. Владимирову [79], ротационные процессы начинаются с неустойчивости, приводящей к созданию полосовых структур - последовательности ротационных полос, зарождающихся последовательно под действием напряжений от уже имеющихся полос (слой 5).
Исследования развития пластической деформации при трении на мезоуровне
Таким образом, цикл: пластический сдвиг (разрыхление) - ротация - пластический сдвиг (намазывание), можно рассматривать как элементарный цикл массопереноса в пограничном слое. Ротация может быть завершенной (образование "молей") или незавершенной (изгиб-кручение элементов структуры). В любом случае она играет существенную роль в массопереносе и влияет на дис-сипативные свойства пограничного слоя, а, следовательно, и на потери в сопряжении на трение, тепловыделение и т.п. Поэтому важной характеристикой движения является коэффициент перемежаемости у, оцениваемый из соотношения продолжительностей ротационной и трансляционной фаз движения 0 у 1. В случае отсутствия ротационной или трансляционной составляющих движения у=0 или у=1, соответственно.
На стадии пластического сдвига, являющейся начальной в рассмотренном цикле, вещество подслоя затягивается в пограничный слой, а на стадии намазывания отжимается из него обратно в подслой. Вследствие этого в подслое возникают нестационарности, обусловленные периодическим локальным движением в нем малотурбулированных масс. Основная часть вещества переходит в подслой и лишь меньшая удаляется из зоны трения. Именно она и определяет износ сопряжения.
В случае такого сложного движения материал подповерхностного слоя претерпевает существенные структурные изменения. В основном они наблюдаются в фазе намазывания вследствие свойственных ей больших локальных давлений, пластических деформаций, и скоростей деформаций пористого конгломерата фрагментов разрушения. Температура фрагментов конгломерата может существенно превышать температуру разогрева материала на предшествующей ее стадии пластического разрыхления. Намазывание тонкой пленки на остывший в период ротации подслой приводит к высокой скорости охлаждения. Такие термомеханические условия формирования мелкодисперсной смеси фрагментов разрушения и элементов окружающей ее среды могут привести к существенным структурным изменениям в намазанной пленке. Такие структуры называются вторичными структурами. Образованные по такой схеме, вторичные структуры имеют резкую границу раздела с нижележащим материалом. Граница является мощным дефектом его структуры и задает направление развития трещины. Это приводит к усталостному отслаиванию пленки вторичной структуры. Отделяющая пленка дробится на фрагменты разрушения. Дальнейшее их движение аналогично описанному выше. Таким образом, процесс разрушения вторичной структуры содержит те же три стадии (пластический сдвиг- ротация -пластический сдвиг). Основное различие заключается лишь в том, что первая стадия определяется усталостным, а не пластическим разрыхлением.
Описанное движение в [79, 81] вещества в пограничном слое, характеризуемое достаточно высоким значениями у, обычно проявляется при умеренных нагрузках на трущиеся "моли" и делает понятным микромеханизм трения скольжения. При малых и высоких нагрузках значение у мало и чистое вращение не вносит существенного вклада в массоперенос. В этих случаях стадия пластического разрыхления не завершается образованием "молей", а неограниченный сдвиг в пограничном слое реализуется по иной схеме. Суть ее сводится к тому, что в материале возникают "бегущие трещины" [81], которые разрезают матрицу на части, смещая их друг относительно друга на малые, но конечные величины.
"Бегущие трещины" возникают в результате потери сдвиговой устойчивости материала в микронеоднородном поле больших пластических деформаций сдвига при высоких гидростатических давлениях. Распространяясь, они способны огибать препятствия, переползать на другие поверхности своего распространения, образуя уступы, размножаться или сливаться, разрыхляя материал системой разрезов, ориентированных вдоль направления скольжения. Геометрическое сходство берегов "бегущих трещин" различных размеров, отсутствие заметных признаков их взаимного трения, большеугловая разориентация участков ломаной линии контура берегов и следа от ее прохождения, а также наблюдаемая поверхность берегов с признаками хрупкого разрушения свидетельствуют, что относительный тангенсальный сдвиг поверхности при трении скольжения происходит в основном в момент разведения "бегущих трещин".
"Бегущие трещины" можно рассматривать как проявление незавершенного вращения. Это позволяет заключить, что схемы движения «опоры на катках» и "бегущие трещины" по существу являются двумя ветвями развития единого "волнового" механизма разрушения, реализующего неограниченный сдвиг в пограничном слое, т.е. трение скольжения.
Таким образом, при трансляционном движении вещества в пограничном слое трение скольжения определяется не путем сдвига, как принято считать, а путем локального отрыва, и носит "волновой" характер. Иными словами понятие трения скольжения в его традиционном понимании применимо при рассмотрении явления лишь на макроуровне. На микроуровне в его основе лежит "волновой" процесс локального нормального отрыва, а на мезоуровне - транс-ляционно-ротационное движение. В более поздних работах Н. М. Алексеев рассматривает задачи об эволюции структуры границы контакта упругих тел при трении в результате разрушения поверхностных слоев.
В работе [83] вводится понятие трещины скольжения, которые классифицируются по виду разрушения материала при продвижении концевой зоны на трещины скольжения хрупкого и вязкого разрушения. К трещинам первого типа относятся такие трещины скольжения, когда продвижение концевой области зоны проскальзывания осуществляется за счет выкалывания частичек материала вследствие развития поверхностных микротрещин, ориентированных вдоль нормали к поверхности. Схема хрупкого продвижения трещины скольжения изображена на рис. 1.10 а. К вязким трещинам скольжения относятся трещины, продвижение концевых зон которых происходит путем сдвига по поверхности скольжения, ориентированных вдоль направления их распространения.
Рассмотрим некоторые закономерности эволюции структуры фрикционного течения при хрупком разрушении (рис. 1.10). Динамическое движение хрупкой трещины скольжения сопровождается разрыхлением материала вследствие выкалывания частиц произвольной формы и размеров. Оказываясь в зоне проскальзывания, такие частицы приобретают вращательное движение, испытывая давление со стороны сжимающих ее берегов трещины скольжения, ориентировочно составляющее
Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения на стадии приработки
Успехи в исследовании физической стороны процесса трения, привлечение современных методов физического эксперимента к изучению процесса, тщательное физико-химическое исследование природы поверхностных слоев твердого тела и большой экспериментальный материал позволили глубже понять механизм изнашивания.
Разрушение поверхностей трения происходит в результате отдельных элементарных процессов, вид и сочетание которых зависят от свойств материалов и условий трения. При этом основными процессами будет образование частиц износа и пластическая деформация поверхностных слоев соприкасающихся тел. Д.Н. Гаркунов выделяет следующие элементарные виды разрушения [13]:
Микрорезание. При внедрении на некоторую глубину твердая частица абразива или продукта износа может произвести микрорезание материала обоих пар трения с образованием микростружки. Микрорезание при трении проявляется редко, так как глубина внедрения при заданных нагрузках в большинстве случаев недостаточна для резания.
Царапанье. Образовавшаяся или появившаяся на поверхности трения частица при скольжении перемещается и подминает материал, оставляя царапину. Образовавшаяся царапина обрывается либо при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, либо при раздроблении частицы, либо при ее впрессовании или уносе за пределы трения. Поверхность трения покрывается царапинами, расположенными почти параллельно направлению скольжения, а между царапинами располагается материал, претерпевший многократную пластическую деформацию и неоднократный наклеп. При нагружении в таком участке, исчерпавшем способность пластически деформироваться, легко образуются трещины, с развитием которых материал отделяется от основы.
Отслаивание. Материал при пластическом течении может оттеснится в сторону от поверхности трения и после утраты способности к дальнейшему пластическому течению отслаиваться. В процессе течения материал наплывает на оксидные пленки и теряет связь с основой. Если при линейном и точечном контакте тел напряжения по глубине слоя больше сопротивления усталости материала, то при работе образуются трещины, приводящие к чешуйчатому отделению материала.
Выкрашивание. Для выкрашивания характерна произвольная форма раковинок, язвинок с рваными краями, образующихся в местах отделения частиц материала. Выкрашиваться могут твердые структурные составляющие (фазы) сплава после того, как износится или деформируется его мягкая основа, частицы белого слоя, частицы основной массы серого чугуна, окаймленные включениями свободного графита, твердые оксидные пленки или частицы металлизированного покрытия и т.п.
Выкрашиванию способствуют растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое после механической обработки, трещины после химико-термической обработки и закалки, а также значительные термические напряжения, возникающие при трении вследствие неудовлетворительной смазки. Непосредственно выкрашиванию предшествуют образование и развитие трещин в поверхностном слое, отделяющие единичные малые объемы от остального материала.
Глубинное вырывание возникает при относительном движении твердых тел, когда образовавшийся вследствие молекулярного взаимодействия «спай» (схватывание микронеровностей) оказывается прочнее одного или обоих взаимодействующих материалов. Разрушение в этом случае происходит на некоторую глубину одного из тел. Поверхности разрушения пластичных материалов представляют собой выступающие, вытянутые в направлении движения гребни и суживающиеся в глубь материала конусы. При этом прилегающие к местам вырывов участки подвергаются в большей или меньшей степени пластической деформации. Вырванная часть материала, будучи прочно закрепленной на сопряженной поверхности, образует слой перенесенного материала. Может происходить процесс схватывания и переноса отдельных структурных составляющих сплава, в то время как остальные составляющие будут уходить из зоны трения или уноситься в смазочный материал.
Перенос материала характерен для всех видов трения, кроме трения при жидкостной смазке, и обнаруживается при таких технологических операциях как резание, клепка и сборка резьбовых соединений. При выполнении этих операций металл переносится с резца на обрабатываемую поверхность (и в обратном направлении), например, с пневматического молотка на заклепки, с ключа на гайки болтов. Перенос материала происходит отдельными частицами, средний размер которых имеет определенную величину для данных условий трения.
Перенос материала не определяет и не характеризует степень износа поверхностей трения, поскольку перенесенная частица может многократно переходить с одной поверхности трения на другую и обратно. Износ проявляется в том случае, когда перенесенные частицы уносятся из зоны трения. Это определяется процессами прямого и обратного переноса и зависит от конечного механизма отрыва перенесенной частицы, в частности, от ее окисления или же возникновения неблагоприятных напряжений на границе раздела между частицей и подложкой.
Описанные механизмы элементарных актов разрушения при трении металлических материалов отражают процессы изнашивания независимо от видов трения и режимов смазки. Несмотря на общность основных этапов механизмов изнашивания металлических материалов, конкретные виды изнашивания имеют свои особенности, которые рассмотрены ниже.
