Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности контактирования и трения сопряженных поверхностей 12
1.1. Анализ контактирования поверхностей 12
1.2. Структура поверхностного слоя при трении 15
1.3. Общие сведения об изнашивании при трении скольжения 20
1.4. Особенности динамики трения 23
1.5. Некоторые аспекты трения и износа материалов с модифицированными поверхностными слоями в свете физической мезомеханики 27
2: Материалы и методы исследования 34
2.1. Материалы исследования. 34
2.2. Получение и химико-термическая обработка образцов 34
2.3. Ультразвуковая ударная обработка 36
2.4. Ионная обработка 36
2.5. Нанесение ионно-плазменных покрытий 39
2.6. Проведение структурных исследований 41
2.6.1. Металлографические исследования 41
2.6.2. Растровая электронная микроскопия 42
2.6.3. Рентгено-структурный анализ 42
2.7. Измерение микротвердости 42
2.8. Триботехнические испытания 43
2.9. Регистрация звука при трении 47
2.10. Исследование морфологии частиц износа 47
3. Особенности динамики трения стали гадфильда 48
3.1. Генерация звука при трении скольжения 49
3.2. Особенности деформирования стали Гадфильда при трении 55
3.3. Коэффициент трения и звуковые колебания 58
3.4. Демпфирование фрикционных колебаний 62
4. Моделирование контактного взаимодействия поверхностей при трении ультразвуковым ударным воздействием 72
4.1. Структура перлита после ультразвуковой обработки 73
4.2. Структура поверхностного слоя, образовавшегося при трении 83
5. Особенности трения материалов с модифицированной поверхностью 89
5.1. Изучение трения сталей F13 и 15НЗМА с модифицированным ультразвуком поверхностным слоем 90
5.2. Трение цементированной^ обработанной ультразвуком и: закаленной стали 96
6. Деградация металлов, модифицированных ионно-лучевой обработкой, при трении 103
6.1. Трение ионно-плазменных покрытий 103
6.2. Трибологические свойства ионно-имплантированной броизы 113
Основные выводы и результаты 123
- Структура поверхностного слоя при трении
- Нанесение ионно-плазменных покрытий
- Демпфирование фрикционных колебаний
- Трение цементированной^ обработанной ультразвуком и: закаленной стали
Введение к работе
Поверхностный слой в деформируемом материале, по определению В.Е. Панина, является самостоятельным мезоскопическим структурным уровнем деформации, который играет важную функциональную роль, в: механическом поведении твердого тела [1]. Это обусловлено не только определенным влиянием структуры поверхностного слоя на свойства твердого тела, что хорошо известно в литературе [2], но и особенностями деформирования, когда наряду с дислокационными механизмами реализуются недислокационные. Низкая сдвиговая устойчивость поверхностного слоя и специфика деформирования-обеспечивают течение.материала на поверхности, опережающее дефорг мациюн; объеме.
Исходя из; сказанного-,. отметим- что. деформирование* поверхностных слоев приобретает особое значение в. процессах, связананных с контактированием сопряженных поверхностей. К ним относится трение и изнашивание. Трение - сложный и многогранный процесс, при котором возможно объединение макро- и микропластической деформации, квазиупругое взаимодействие контактирующих поверхностей, внутреннее и внешнее трение, схватывание за временные промежутки, значительно меньшие, чем позволяет диффузия; поверхностные волны, возбуждаемые ударными воздействиями, автоколебания и многие другие явления.
При таком многообразии факторов, сопутствующих трению, очень трудно выделить основные, определяющие характер поведения сопряжения в том или ином случае. Как показывает опыт и многочисленные данные о свойствах трибообъектов, поведение одних и тех же материалов в разных условиях контактирования может отличаться кардинально. Материал, обладающий высокой износостойкостью в одних условиях, совершенно непригоден в других. Причины этого связаны не только с матери ал оведческими про- блемами, но зависят и от физики процесса трения. Для определения возможности применения данного материала в конкретном узле трения недостаточно изучить только его триботехнические свойства. Необходимо установить связь параметров трения с другими свойствами материалов, из которых изготовлен узел трения, а также с конструктивными характеристиками данного узла. Перспективы такого подхода к проблеме трения и изнашивания весьма неопределенны из-за необъятности задачи. Но если последовать рекомендациям В.Д. Кузнецова [3], который предлагал последовательно изучать отдельные стороны явлений, возникающих в процессе контактного взаимодействия поверхностей, объединяя и анализируя их затем во взаимосвязи, то можно; в отдельных случаях определить основные закономерности и механизмы трения;w изнашивания,
К явлениям; в. последнее время; привлекающим- пристальное внимание исследователей, относятся^ динамические процессы при трении: скольжения [4-7],. которые являются результатом: автоколебаний или стохастического взаимодействия сопряженных поверхностей в пятнах контактов. Эти взаимодействия приводят К: развитию упругой и неупругой деформации, распространению в глубь среды тепловой волны, обусловленной температурными вспышками в пятнах касания [8,9]. В работах [10-14] изложена концепция формирования поверхностного слоя при трении в результате многократного ударного теплового и механического воздействий в пятнах контактов, которая подтверждается экспериментальными данными как при стационарном трении, так и в случае критического трения, сопровождающегося схватыванием поверхностей.
Собственно взаимодействие в пятне контакта можно отнести к мезоскопическому уровню [15 Д 6] и распространить представления мезомеханики на процесс трения и изнашивания [17]. Локализация напряжений и их импульсный характер при взаимодействии шероховатостей сопряженных поверхностей приводят к генерации деформационных дефектов (точечных дефектов, дислокаций, дисклинаций, мезополос сдвига и дислокаций, дисклинаций, мезополос сдвига и др.), которые, зарождаясь на поверхности, перемещаются затем вглубь, обусловливая развитие пластического течения в поверхностном слое материала. В работах [18,19] обосновывается общность характера деформирования твердого тела при трении и объемном нагружении: В этих работах показано как развивается пластическая деформация в поверхностном слое, предшествующая формированию частиц износа. Причины, вызывающие локализацию деформации, в тонком поверхностном слое при трении, обсуждались в статьях [20-23], в которых на основе феноменологических представлений делается вывод о том, что локализация деформации при трении< является следствием динамического характера нагруженной фрикционного нагрева поверхности.
Тепловые процессы при: трении: наиболее: полно? рассмотрены*: в> теоретических- работах- АШІ. Чйчинадзе; с сотрудниками; р4ь27):. Используемый'» ими: подход: позволяет найти распределение.1 температур:' в=. элементах пары трения, когда на контакте действу етг переменный по времени и положению источник теплоты. При этом учитывают изменение теплофизических характеристик материалов в зависимости от температуры. Подобная задача решалась в работе [28], в который методами компьютерного моделирования изучались фрикционный нагрев материала в области единичного контакта и развитие пластической деформации под действием силы трения. Главной отличительной особенностью используемой модели являлось то, что она позволяла в процессе расчета одновременно учитывать два конкурирующих процесса - деформационное упрочнение материала основы и его разупрочнение за счет фрикционного нагрева.
Как отмечалось выше, динамические воздействия на трущиеся поверхности вызывают упругую и неупругую деформацию, локализованную в зоне контакта. Кроме того, они приводят к возникновению колебаний в трибосоп-ряжении и к генерации поверхностных волн, которые являются объектом изучения научной дисциплины «Динамика машин». Эта область механики трешт наиболее развита. В России основы ее были заложены в трудах Д.М. Толстого,, К.В. Фролова, В .А. Куликоваи других ученых [29-32]. Подробные исследования колебательных процессов при трении были проведены Д.Ф. Геккером [33-35],. который, используя различные реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения: и их связь с другими деталями, установил законы колебательного движения-ползуна и возможности его гашения. Последнее определяет устойчивость, надежность и долговечность механических систем.
Динамика трения достигла больших успехов в области разработки и изготовления сложных узлов трения, но специфика данного раздела трибологии такова; чтет она не касается вопросов: взаимосвязи; колебательных: процессов -- с эволюцией, структуры: поверхностных: ело ев*; материал ов; при трении;: с влиянием? упругих: вола на\ триботехничеекие свойства данных материалов; До сих: пор структурные исследования: триботехнических материалов проводятся в рамках металловедения, и лишь в последние годы анализ процессов деформирования поверхностного слоя твердого тела при трении осуществляется, исходя из принципов физической мезомеханики [36]. Однако и она ограничивается изучением деградации структуры материалов: под действием статических напряжений, локализованных в пятнах касания, перенося представления одноосного нагружения на процесс трения.
Надо полагать, что дальнейшее развитие физики трения должно идти в направлении объединения физической мезомеханики с динамикой. Считаем, что первые шаги сделаны в работах С.Г. Псахье с сотрудниками [37-40], в которых представлены результаты исследований эволюции структуры поверхностных слоев при трении методом клеточных автоматов. Метод позволяет моделировать поведение материала в пятне контакта в динамике и детально исследовать механизмы эволюции структуры, отвечающие за те или иные закономерности трения и изнашивания.
В ряде работ, выполненных ранее в ИФПМ, была сформулирована концепция образования деформированного поверхностного слоя при трении в результате многократного ударного теплового и механического воздействий в пятнах контактов. Из нее следовало, что толщина деформированного слоя определяется расстоянием от поверхности, на котором эти воздействия затухают. Для экспериментальной проверки этой концепции необходимы комплексные исследования в области динамики трения и материаловедения, которые могли бы достоверно продемонстрировать особенности динамического характера трения и его роль в процессах деформирования поверхностных слоев при трении.
Целью данной работы является анализ динамики процесса трения и изнашивания,, изучение особенностей: формирования'структуры: поверхностного; слоя; при ультразвуковых- ударных: воздействиях и в. процессе трения; определение триботехничееких свойств: материалов с модифицированными, поверхностными слоями.
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, включенных в проект СО РАН «Разработка научных основ формирования неравновесных состояний с многоуровневой структурой методами ионно-плазменных и импульсных электронно-лучевых технологий в поверхностных слоях материалов и получение покрытий с высокими прочностными и функциональными свойствами» и интеграционный проект СО РАН «Создание неравновесных структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях материалов на основе разработки новых вакуумных электронно-ионно-плазменных технологий и оборудования для получения покрытий с высокими функциональными свойствами».
Научная новизна: 1. Методами непрерывной регистрации коэффициента трения и звуковых сигналов в процессе трения установлена прямая зависимость между ди- намикой трения и характером изнашивания, что, в первую очередь, сказывается на формировании частиц износа.
На основе сравнительного анализа вторичных структур, образующихся при трении и в результате ультразвукового воздействия, получены доказательства того, что высокочастотные упругие возбуждения играют основную роль в деформировании поверхностного слоя твердого тела. Определены количественные параметры образующихся вторичных структур, получены зависимости степени дисперсности на уровне перлитных колоний от глубины деформации.
Впервые получены количественные данные о кинетике износа и состоянии фаз тонких.(< 5мкм) нанокристаллических покрытий в режиме дифракционного кино. Обоснованы причины разной степени интенсивно^ сти? изнашивания этих: покрытий- нанесенных на жесткую: и? деформируемую: в процессе.трения-подложку.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и соответствием установленных закономерностей данным, полученным другими авторами.
Научная и практическая значимость работы. В диссертационной работе представлена совокупность экспериментальных результатов и установлены закономерности, расширяющие представления о динамических процессах при трении и механизмах образования деформированных поверхностных слоев.
Предложен метод химико-термической обработки стали, отличающийся от существующих комбинированием цементации и последующей ультразвуковой ударной обработки поверхностного слоя. Описана специфика влияния ультразвукового воздействия на структуру и свойства поверхности, которая может иметь важное прикладное значение при разработке комплексных методов термомеханической обработки сталей.
Результаты проведенных исследований по изучению триботехнических свойств имплантированной бронзы и ионно-плазменных покрытий показали реальные пути повышения износостойкости этого вида композиций, работающих при умеренных нагрузках.
На защиту выносятся:
Совокупность результатов, раскрывающих закономерности влияния упругих колебаний, сопровождающихся звуковыми сигналами, на коэффициент трения и морфологию частиц износа.
Экспериментальное обоснование ведущей роли высокочастотных упругих возбуждений в формировании модифицированной структуры поверхностного; слоя при трении, полученное физическим моделированием контактного, взаимодействия, присущего трению, посредством^ ультра^ звукового воздействия на поверхность.,
3:; Результаты; комплексных исследований; структуры; и триботехнических свойств материалов- с модифицированной поверхностью^ являющиеся основой для формирования новых представлений о характере контактирования таких поверхностей. Апробация работы:
Результаты диссертационной работы были представлены на Российских и Международных конференциях: VII Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела», Томск, 2000 г.; Российской конференции «Новые технологии - железнодорожному транспорту», Омск, 2000 г.; Международной научно-технической конференции«Надежность машин и технических систем», Минск, 2001 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, 2001 г.; VIII Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела», Томск, 2002 г.; 6th International Symposium "INSYCONT '02" New Achievements in Tribology, Краков, 2002г.; I Международной конференции «Современные проблемы машино- строения и приборостроения», Томск, 2002 г.; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Тольятти, 2003 г.; II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», Томск, 2003 г.; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2004 г.
Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, опубликованных в России и за рубежом, из которых 6 - статьи в реферируемых журналах.
Структура поверхностного слоя при трении
Долгое время существовало убеждение, что зона максимальных напряжений прилегает к поверхности контакта. В 1949 г. Дэвисом было показано, что эта зона при упругом контакте находится на некотором удалении от поверхности [51]. Если контактирующие тела перемещаются друг относительно друга, то статическое напряженное состояние изменяется под действием касательных напряжений, возникающих от силы трения на поверхности контакта. При этом зона максимальных напряжений будет располагаться тем ближе к поверхности, чем выше сила трения, а при некотором ее значении выйдет на поверхность. Распределение максимальных касательных напряжений чрезвычайно важно знать потому, что оно самым непосредственным образом связано с локализацией деформации и разрушения поверхностного слоя, а также с появлением продукта этого разрушения - частиц износа. Поэтому картина напряжений может быть использована для оценки возможного характера изнашивания. Совместное действие нормальных и тангенциальных нагрузок ведет к изменению структуры и свойств поверхностных слоев материалов [18,52]. При этом даже высокопрочные материалы обнаруживают достаточную пластичность. Экспериментальные исследования показали, что при взаимодействии поверхностей вблизи .контакта структура материала существенно изменяется: формируется один; или; несколько, приповерхностных слоев: различной- толщины со свойствами, отличными: от свойств .основного материала ДД 8; 21, .5.3-55];. Именно такие поверхностные слои--определяют поведение и характеристики системы трения. Свойства, состав, структура и толщина модифицированных слоев определяются характеристиками исходного материала, условиями нагружения, температурой и внешней средой, в которой осуществляется процесс трения. Из работы [56] следует, что существуют две различные формы напряженно-деформированного состояния при трении. В тончайших поверхностных слоях от нескольких нм до нескольких десятков нм происходит интенсивная и направленная пластическая деформация - текстурирование. В результате многократных воздействий в конечном счете происходит аморфиза-ция поверхностных слоев металла. В нижележащих слоях происходит волновой процесс распространения упругих и упруго-пластических деформаций. Авторы работы [57] предлагают ввести дополнительную зону напряженно-деформированного состояния - граничный слой смазки.
Данная зона яв- ляется результатом взаимодействия поверхностей трения с окружающей средой. Пограничный слой в начальном состоянии можно рассматривать как матричный материал в состоянии пластического сдвига, микроструктурными особенностями которого являются дефекты различной природы: микропоры, образованные впадинами между микронеровностями контактирующих тел; субмикропоры материала как результат эволюции зародышевых микротрещин; граница раздела трущихся тел в пределах пятна фактического контакта [58]. Ригни Д. [59,60] предлагает рассматривать тончайшие поверхностные слои как некоторое третье тело, состоящее из материала, находящегося в состоянии пластического течения: Структур а этого тел а сложна; и: непостоянна , BOJ времени; Владимиров - [18} состояние: такого тела? называет возбужденным. ЭТО Некоторое Переходное СОСТОЯНИе МЄЖДУ КрИетаЛЛИЧеСКИМ И жидким. Оно может обладать одновременно свойствами: как жидкой, так и: кристаллической фазы. При переходе в возбужденное состояние наблюдаются такие явления как аномальный массоперенос и сверхпластичность. Возбужденное состояние достигается под внешним воздействием, интенсивность которого выше некоторой критической величины. Исходя из термодинамических принципов, переход в возбужденное состояние — это способ диссипировать энергию, подающуюся в систему. При снятии внешнего воздействия возбужденное состояние должно релаксировать, но при наличии сухого трения возможно замораживание диссипативных структур после снятия воздействия [18,61]. При малых нагрузках на пару трения пограничный слой ограничен микроскопическими пятнами фактического контакта и наибольший масштаб дефектов его структуры определяется субмикропорами. Толщина такого пограничного слоя имеет нанокристаллический масштаб [62]. При высоких нагрузках протяженность третьего тела определяется контурными пятнами контакта и наибольшим дефектом его структуры являются микропоры. Толщина пограничного слоя в этом случае имеет микроскопические масштабы [58]. Таким образом, отличительной особенностью пластической деформации при трении является то, что деформация локализуется в тончайших поверхностных слоях. При этом наблюдается очень высокая физико-химическая, структурная и термическая активность поверхностного слоя при трении. Нормальное нагружение, передаваемое через граничный слой, воспринимается контактирующими поверхностями распределенным. В таких условиях деформация тонких поверхностных слоев осуществляется механизмами трансляции, двойникования, поворота зерен и фрагментов микроструктуры в направлении действия тангенциальных сил [57,63] (рис. 1.4). При сухом трении двух твердых тел могут происходить существенные изменения структуры и свойств поверхностных слоев в результате рекристаллизации, поскольку температура в поверхностных слоях может достигать гораздо больших величин, чем температура рекристаллизации [64]. Процесс рекристаллизации относится к самоподдерживающимся процессам.
Для металлов увеличение степени деформирования приводит к росту концентрации дислокаций в материале. Рекристаллизация вызывает эффект отжига, и при этом, если время выдержки при температуре рекристаллизации достаточно велико, увеличивается размер зерен в поверхностной зоне. В большинстве материалов деталей узлов трения размер зерен, однако, резко снижается в ре- зультате постоянного механического воздействия на поверхностный слой, т.е. имеет место динамическая рекристаллизация. При этом времени для роста зерен недостаточно даже при температуре рекристаллизации, поэтому в металле не возникают стабильные элементы структуры. Наиболее важными аспектами физики изнашивания являются процессы локализации деформации и фрагментации материала на различных масштабных уровнях, которые приводят к появлению трансляционно-ротационных вихревых структур [17]. Ротационная деформация приводит к разбиению материала на взаимно-разориентированные объемы (фрагменты), уменьшению их размеров и увеличению углов; разориентации с деформацией. Подобная ротационная: пла-стачност%. которая;; протекает: зап счет зарождения и: движения; дисклинацищ., характернаждля«одноосноро?раетяжения [65 66 Повороты.вызывают сдвишг, окружающего материала; Толщина; слоя" с: ротационными, структурами? почти; вжпорядок превышает характерные; размеры зон напряжений и их градиентов от внешних концентраторов. По мере увеличения деформации или циклов нагружения ротационные структуры развиваются, переходя из одной формы в другую, постепенно формируя фрагментированные структуры. Величина деформации быстро убывает при углублении в материал [18]. В зависимости от режимов трения и структуры материала глубокая пластическая деформация на поверхностях трения сопровождается формированием приповерхностного слоя толщиной 5-200мкм (рис. 1.5), имеющего фрагмен-тированную структуру [64,67]. При трении в поверхностном слое достигаются значения плотности несовершенств кристаллической структуры на один-два порядка выше, чем при всех известных видах напряженного состояния при одинаковой степени остаточной деформации.
Нанесение ионно-плазменных покрытий
Для повышения износостойкости наиболее широко применяют нитридные и карбидные покрытия. Наименьшую интенсивность изнашивания имеют покрытия толщиной порядка 3-ї Омкм. Это связано с особенностями формирования этих сверхтвердых покрытий.. При; увеличении толщины, покрытия- получаемого; за один?: техно логический; цикл,. р аетеТ; число разл ичныхс микродефектов" в. покрвітищ. вели чин а сжимающих, напряжений при у в ел ичении толщины; покрытия;: расг тет и:может достигать.предела прочности, [:111і], особенно в области микрошероховатостей, при этом шероховатость тоже растет с толщиной покрытия. Нанесение ионно-плазменных покрытий на стали выполняли в лаборатории плазменной эмиссионной электроники Института сильноточной электроники СО РАН на модернизированной технологической установке вакуумно-дугового напыления ЫНВ 6.6-И1, блок-схема которой представлена на рис. 2.5. Комплексная модификация поверхности образцов проводилась в несколько этапов. На первом этапе производилась очистка и нагрев поверхности низкотемпературной аргоновой плазмой при токе разряда 60 А. Для интенсификации процесса очистки и нагрева образцов ионами, ускоренными в слое пространственного заряда, к образцам прикладывалось отрицательное смещение до 600 В. Длительность ионной очистки 20 мин при давлении аргона ОД Па. За это время температура образцов, которая измерялась термо- парой, повышалась от 20 до 660 С, то есть до температуры, близкой к температуре плавления чистого алюминия. После очистки, не прекращая работу плазмогенератора на Аг и при таком же давлении в рабочей камере, включали испаритель металла с током дугового разряда 90 А и распыляли А1. Насыщение стальных образцов алюминием при интенсивной бомбардировке ионами А1+ и Аг" проводилось из продуктов эрозии катода, конденсируемых на разогретых до температуры 660 С поверхностях подложек. Энергию ионам обеспечивало приложенное к образцам смещение \]см = -600 В. После 60 минут такого процесса дуговой испаритель металла отключался и при работающем плазмогенераторе производилась замена рабочего газа Аг на N2. Азотирование в плазме дугового разряда в течение 120 мин проводилось при давлении;Вфабочейт амере О;9;1Ш температуре:-образцоВ:--520- 03.токе-.-ШС)-;А!;.И: смещении-.—60О В\ Процесс, плазменно-ассистированного дугового напыления покрытия TiN так же осуществлялся на данной установке при одновременной работе испарителя титана и генератора газоразрядной плазмы при давлении азота 0,3 Па, обеспечивая рост покрытия на поверхности образцов. 2.6. Проведение структурных исследований.
Для оценки влияния внешних воздействий на поверхность исследуемых материалов при выполнении данной работы в качестве методов структурных исследований использовали световую, растровую и электронную микроскопию, а также рентгено-структуриый анализ. 2.6.1. Металлографические исследования. Металлографические исследования образцов проводили на оптическом микроскопе Neophot - 21 в диапазоне увеличений от х50 до хЮОО при светлопольном изображении. Объектами исследования служили шлифы, приготовленные по стандартным методикам. Методика приготовления шлифов для металлографии включала следующие операции: 1) механическое шлифование образцов на абразивных шкурках с разными размерами абразивных зерен; 2) полирование на мягких материях с добавлением алмазной пасты; 3) выявление микроструктуры образцов химическим травлением. Химические травители готовились из различных реактивов, используя рекомендации [113]. Для выявления структуры сталей и цементированного слоя использовали трехпроцентный раствор азотной кислоты в этиловом спирте (3% HNO3). Для выявления структуры: алюминиевой бронзы применяли нашатырный спирт. Определение размеров Зерен И ПерЛИТНЫХ КОЛОНИЙ ПрОВОДИЛИ С ПОМОЩЬЮ: методов стереометрической металлографии!, учитывая поправочные коэффициенты [Г 14]. 2.6.2. Растровая электронная микроскопия Метод растровой элек тронной: микроскопии использовали для изучения, строения поверхностей : трения и поверхностей бокового среза образцов, а так же для исследования частиц износа. Для этого использовали растровый электронный микроскоп Philips SEM 515. В связи с тем, что все исследуемые объекты были металлическими, дополнительно электропроводные покрытия на поверхность образцов не наносили. 2.6.3. Рентгеноструктурный анализ. Рентгеноструктурный анализ вы полнялся на дифрактометре ДРОН-УМ1. Съемки проводились в монохрома- тизированном Сок«-излучении. 2.7. Измерение микротвердости. Микротвердость исследуемых материалов определяли по ГОСТ 9456-76 на микротвердомере ПМТ-3 путем статического вдавливания в испытуемую полированную поверхность шлифа алмазной четырехгранной пирамиды. Нагрузка на индентор составляла 0,2; 0,5 и 1,0 Н. На приборе измеряли диагональ отпечатка, значения микротвердости рассчитывали по формуле: H= 1,8544 P/d2, где Р - нагрузка, d - диагональ отпечатка. Статистическая обработка результатов измерений проводилась с помощью компьютерной программы. 2.8; Триботехнические испытания. Сравнительные триботехнические испытания образцов проводили на машинах трения 2168 УМТ-1 и 2070СМТ-1. На машине трения УМТ-1 использовали схемы «диск-палец», «вал-втулка» и схему упорного шарикоподшипника. На машине трения СМТ-1 использовали схему «вал-колодка» и «вал-втулка». Схема триботехнических испытаний по схеме «диск-палец» приведена на рис. 2.6. Для таких испытаний использовали образцы цилиндрической формы диаметром 10, 15, 20 мм и высотой 20 мм. Испытания проводили в режиме: сухого; трения при линейной: скорости: скольжения: 0-3-0,4 м/с wнормальной:; нагрузке 500-7 00 =Н: Контртел ом: служил диск. из закал енно»: стали1, Р6М5 . На рис. 2.7 изображена схема триботехнических испытаний «вал-втулка».
В данных испытаниях использовались образцы-втулки с внутренним диаметром 31,1; 31,2; 31,3 мм, внешний диаметр всех втулок был 39 мм, ширина 10, 20 и 30 мм. Для предотвращения проворачивания втулки в держателе была сделана выточка и выполнена фиксация винтом. Контртелом служили валы 0 30,0 мм из стали 42ХМ4Ф в закаленном состоянии (56 HRC). Скорость вращения вала составляла -40 об/мин, что соответствовало линейной скорости 0,067 м/сек. Задавалась нагрузка 250 — 1600 Н. Момент трения в выше обозначенных испытаниях измерялся с помощью автоматизированной системы измерения с выводом данных на персональный компьютер. Дискретность измерений была равна 1/сек. Для моделирования контактно - усталостного разрушения была сконструирована установка, имитирующая работу упорного шарикоподшипника (рис. 2.8). Образцы имели форму дисков, по которым катались шарики, направляемые прослойкой фторопласта и прижимаемые диском со специально выточенной бороздой. Направляющий диск крепился на неподвижную часть машины трения УМТ - 1, а образец - на вращающийся диск. В качестве смазочной среды использовалась консистентная смазка «ЛИТОЛ-24» для исключения истирания фторопласта и максимального приближения к реальным условиям работы подшипника качения. Шарики, диаметром 8 мм, были изго-товлены из подшипниковой стали ШХ.15 по стандартной технологии. Испытания проводили при 300 об/мин, что соответствует линейной скорости 0,6 м/сек. Задавалась нагрузка 1000 Н и при этом давление в зоне контакта достигало 0,4 - 1 ГПа в зависимости от твердости образца. Схему «вал-колодка» на машине трения СМТ-1 (рис. 2.9) использовали для выявления характера деформирования приповерхностных слоев стали послеударнойїультразвуковоЙ обработки..Измеренияшзносав данном-случае: не; проводились. /Гак. же иго:этой- схеме проводили сравнительные испытания образцов; из; алюминиевой бронзы, с целью - выявления влияния ионной имплантации на триботехнические свойства: данного материала. Так как трение происходило на всей поверхности образца, то величина износа определялась по уменьшению высоты образца. Измерения производились в четырех крайних точках поверхности трения и усреднялись. Испытания проводили в условиях сухого и граничного трения. Граничное трение обеспечивалось частичным погружением ролика в масло.
Демпфирование фрикционных колебаний
Сравнение триботехнических характеристик при испытании на трение с использованием демпфирующего устройства и без него проводили для втулок диаметром 31,2 мм и L = 20 мм при нагрузке 250 Н и втулок того же диаметра с L = 10 мм при нагрузке 300 Н. На рис. 3.12 представлены результаты записи звука и значения коэффициента трения (ктр) при испытании втулки с L = 20 мм. Звуковой сигнал возникает периодически с частотой, равной 1,5 с"1, о чем свидетельствует ам- плитуда звукового сигнала, показанная на рис. 3.12 (а). Спектр звучания (рис. 3.12, б) состоит из набора гармоник, которые характеризуют возбуждение колебаний в трибосопряжении, включая элементы узла крепления образца. При этом частота повторения звукового сигнала, его сила и спектр не изменялись в течение всего времени испытаний. На рис. 3.12 (в) показана зависимость коэффициента трения от времени, ктр. изменяется около среднего значения, равного 0,76, случайным образом с малой амплитудой. Применение специального демпфирующего узла крепления значительно снизило силу звука (рис. 3.13, а) и изменило спектр звучания данной пары трения (рис. 3.13, б) - в нем отсутствуют резонансные частоты. Звук соответствует шуму установки,.незначительно: превышающему порог слышимости (.-120/ дБ) .. Такое, изменение параметров- звучания трибоузла при. сохранении; условий:шспытаний:;сопровождается?изменением;вез шчинБтЛсГр в- зависимости -. от времени. Действительно, его среднее/значение (рис. 3:13; в), снизилось:тга; сравнению-с показанным на-рис. 3-.1:2, (в), и стало равным 0,62. Кроме того зависимость коэффициента трения от времени имеет ярко выраженный периодический характер с амплитудой, значительно превышающей флуктуации данной величины, показанной на рис. 3.12 (в). Сравнение зависимости коэффициента треиия, представленной на рис. 3.13 (в), с аппроксимирующей синусоидальной кривой показало их хорошее совпадение; коэффициент корреляции оказался равным г = 0,87. Подсчитанный таким же образом коэффициент корреляции для кривой, представленной на рис. 3.12 (в), (т = -0,25), свидетельствует об отсутствии совпадения данной зависимости с синусоидой. Период колебаний 1сф, на рис. 3.13 (в) в несколько раз превосходит время одного оборота втулки, поэтому такое изменение нельзя связать с частотой вращения вала испытательной машины и с ее конструктивными особенностями. Подобное периодическое изменение коэффициента трения, наблюдавшееся нами и в ряде других испытаний износостойких сталей, скорее всего, обусловлено периодичностью процесса изнашивания, на которое указывают и в других работах [75].
Изнашивание характеризуется стадией накопления дефектов в поверхностном слое, когда деформация приводит к упрочнению материала, и стадией интенсивного разрушения этого слоя с отделением частиц износа. Каждой стадии может соответствовать свой коэффициент трения: Отсутствие периодичности в изменении коэффициента трения при испытаниях с обычным креплением трибоузла связано с иным характером трения и изнашивания. В этом случае на каждой стадии в процесс изнашивания значительный вклад вносят упругие напряжения, вызванные колебаниями элементов трибосопряжения. Износ носит стохастический характер, при этом случайным: образом; изменяется и коэффициент трения. О возможности подобного влияния; упругой; волны: можно судить- по- результатам1 математического моделирования процесса:трения[ 118], когда элементарный;акт пластического сдвига.в;зоне .трения: происходи л; при достижении фронтом упругой: волны поверхности: В этом случае напряжение трения и напряжение, связанное с упругой волной, складываются, вызывая пластическую деформацию на поверхности. Иное поведение k-ф. отмечено при испытании втулок диаметром 31,2 мм и L = 10 мм при нагрузке 300 Н. В этом случае также имело место снижение среднего значения коэффициента трения при применении демпфирующего устройства, но периодичности, подобно показанной на рис. 3.13 (в), не наблюдали. Звук так же, как и в случае, описанном выше, исчезал, когда устанавливали демпферы. То, что при изменении условий контактирования наблюдали иные закономерности, лишь подчеркивает сложность процесса трения, который зависит от многих факторов. Так как наличие звука отражает вибрации трибоузла, которые, как показали исследования, влияют на величину коэффициента трения, то можно ожидать и влияния этих вибраций на износ. В данной работе износ втулок ПОСЛе ИСПЫТаНИЙ С применением Демпфера ИЛИ без І-ІЄГО Определяли ПО ПЛОг щади контактирования, точнее по длине дуги, по которой контактировали вал и втулка. Например, длина данной линии у втулок высотой 10 мм (при нагрузке 300 Н) была В: пределах 25 - 30 мм и никакой закономерности влияния демпфирующего устройства выявлено не было. Однако особенности обнаружились при сравнении частицпзноса (рис. 3.14). Прежде всего, обращает на себя внимание определенное различие в морфологии этих частиц независимо от режима испытаний. Одна группа частиц имеет сферическую форму и малые размеры І другая состоит из плоских частиц с размерами, достигающими 500 мкм и больше. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что плоские частицы являются частицами стали Радфильда, сферические частицы состоят из окислов я их нельзя отнести к какой-либо одной стали исследуемого сопряжения,; Поэтому сравнительному анализу были, подвергнуты-только те частицььизноса,.которые:можно достоверно отнестиксталжРЬЗ:. Накриє. 3 5 показано1 распределение частиц износа по размерам: Отметим общее; увеличение.размеров частиц износа, полученных при:испытании, когда при трении возбуждался звук. В случае изнашивания в отсутствие генерации звукового сигнала подавляющее число частиц износа стали Гадфильда имели малые размеры.
Мы не можем объяснить столь разную морфологию частиц износа в настоящее время, так как не проводили прямых наблюдений эволюции структуры поверхностного слоя от начала деформирования до отделения частиц износа. Кроме того, при выбранных режимах испытаний износ и, следовательно, объем частиц износа были чрезвычайно малы, что затруднило интерпретацию данного результата. Что касается деформационного рельефа на боковой поверхности, о котором говорилось выше, то при всех испытаниях вид его был аналогичен показанному на рис. 3.8 (а). Толщина же деформированного слоя зависела только от нагрузки, применялись демпфирующие втулки или нет. Теоретический анализ, выполненный в работах [22,28], показал, что формирование деформированных слоев при трении может быть объяснено в рамках модели, рассматривающий процесс контактирования как динамическое воздействие на поверхность материала, в результате которого в глубь среды распространяются механические высокочастотные возбуждения. Динамические воздействия при трении являются результатом автоколебаний, они затухают на глубине, которая определяется характеристиками материала и частотой возбуждения. Из теории следует, что для деформирования поверхностного слоя толщиной несколько десятков микрометров возбуждения должны иметь частоту 40 кГц. Применение демпфирующего устройства в наших испытаниях, по-видимому, не устранило ультразвуковых колебаний, которые локализованы в тонком поверхностном слое. Они и обусловливают деформацию в данном слое,: независимо от условий испытаний. Более детально влияние ультразвукового воздействия на структуру поверхностного слоя металла будет:рассмотрено1 в; следую щей главе. Такиш образом, результаты, исследований: показали, что существует взаимосвязь динамики трения, выраженной упругими колебаниями элементов трибосопряжения, с особенностями деградации структуры поверхностного слоя и поведением коэффициента трения. Заключение к главе 3 Основным результатом данной главы является установление взаимосвязи динамики трения, выраженного упругими колебаниями элементов трибосопряжения, с особенностями деградации структуры поверхностного слоя и поведением коэффициента трения. Есть основание считать, и это подтверждают результаты моделирования, выполненные в работе [118], что причины, вызывающие появление упругих колебаний, связаны с пластическим сдвигом материала в пятнах касания или отделением частицы износа.
Трение цементированной^ обработанной ультразвуком и: закаленной стали
Трибологические исследования выполненные в работе, касались в основном изучения особенностей: деформации: поверхностных слоев неупроч-ненных материалов; Эти исследования интересны для рассмотрения закономерностей: эволюции? структуры поверхностного слоя характера: изнашивания;;, динамики трения и т.д. В: реальных же условиях; стальные детали узлов; трения: подвергаются упрочняющей термической обработке, которая необходима для повышения контактной стойкости поверхности и: снижения износа. В данном? разделе изучали; поведение стали 45 по еле цементации и термиче-ско№обрабо?кшв уеловиях;трения,4каченияї Термическую? обработку: образцов: после:, цементации; и- ультразвукового/ воздействиям проводилишоїфежимам; описанными в; главе1 Т. Мшрие.; 5 4-пока-зана труктуращементированогослоясєтали послезшсалкиїИп низкого-отпуска... Видно.; .что? цементитная сетка; сохранилась, в- закаленной; стали, не прошед -шей УЗ - обработку (рис. 5.4, а). Структура стали после цементации, ультразвуковой обработки и закалки заметно изменилась по сравнению с вышеопи санной. Она отличается сформировавшимся исіслючительно дисперсным мартенситом с равномерно распределенными мелкими избыточными карбидами (рис. 5.4, б). Микротвердость упрочненного таким способом слоя составила 9-10 ГПа и, по сравнению с обычным закаленным цементированным слоем, возросла в среднем на- 10% (рис. 5.5). Повышение твердости обусловлено высоким содержанием углерода в решетке за счет более активного растворения раздробленных ультразвуковой обработкой карбидов в: процессе нагрева под закалку, а также высокой дисперсностью образующегося мартенсита. Высокая твердость поверхностного слоя образцов, обработанных ультразвуком, не должна приводить к преждевременным разрушениям, поскольку сформиро- вавшаяся дисперсная структура благоприятна для изделий, работающих в условиях, интенсивного износа и знакопеременных нагрузок, характерных для трения качения:и скольжения.. Долговечность сопряжения в этих случаях непосредственно связана е усталостью металла, которая обусловлена накоплением повреждений и разрушением поверхностных слоев материала1 под действием переменных контактных напряжений.
Разрушение- в контакте-разви-ваетеяг как: последовательность следующих событий:, образование, трещин рост трещин их пересечение и отслаивание окруженных- трещинами локальных объемов: В результате, образуются: ямки- выкрашивания (питтинги) и глубокие трещины, Маиболее заметно такой: характер поверхности трения проявляется-:в- подшипнике; качения в- котором; детали выходят ж строя ПрЄг имущественно;:иошричине;усталостныхповреждений.... Длда определениям контактной; стойкости? поверхности; изделий после: К0мбинированной упронняющей обработк№:(ЖЕ;?;+ УЗІ-+ закалка были-проведены1: испытания.: по схеме.- «подшииника. качения» при: повышенных контактных нагрузках. Давление в контакте составило 1000 МПа, скорость качения - 0;6 м/с. Для определения влияния собственно УЗ обработки на стойкость изделий были испытаны закаленные образцы стали 45 без цементации, предварительно обработанные ультразвуком и без таковой; обработки. При испытании образца из закаленной стали ямки выкрашивания, на дорожке качения начали появляться уже через 0,5 часа работы трибо сопряжения, т. е. наметилась тенденция к разрушению. После 1,5 часов дорожка качения полностью покрылась кавернами (рис, 5.6, а), поэтому дальнейшие испытания образца прекратили. Очевидно, что обычная закаленная конструкционная сталь 45 неустойчива к контактно-усталостным нагрузкам. Закаленный образец, поверхность которого предварительно была обработана УЗ, оказался еще менее стойким. Поверхностный слой разрушился полностью после 0,5 часа испытаний (рис. 5.6, б). Металлографические исследования показали, что наклепанная ультразвуком поверхность образца в процессе на- грева под закалку обезуглеродилась на глубину до 30 мкм, что совпадает с расстоянием, на которое в; данном случае распространяется пластическая деформация в результате УЗ-воздействия. В процессе испытаний этот слой отделился, и далее, качение проходило непосредственно по основному материалу. Небольшая; глубина проникновения ультразвукового воздействия, по-видимому, обусловлена высокой демпфирующей способностью- исходной феррито-перлитной структуры: стали- 45, А обезуглероживание: поверхности, обработанной ультразвуком, скорее всего, связано с перераспределением углерода, которое обсуждалось выше- в: главе 4. Испытание на контактную стойкостью образца: с цементированной: и закаленной; поверхностью: выявило ино№ характер; разрушениям материала: Шоеле 0у51. часа испытаний1 появились, отдельные: очагш питтинговойі эрозии:, которые разрастались, по? мере: увеличения временш испытаний:. Через 1:,5 часа:работЫ: сопряжения: данные: очаги етали;:более.врельефныш площадь, охваченнаяу эрозией; увеличилась (рис: 5:7,. а). По-видимому, происходит выкрашивание нерастворившегося цементита, что неблагоприятным образом сказывается на работоспособности пары трения. При испытаниях цементированных образцов, обработанных УЗ и закаленных, картина разрушения поверхности отличается от всех, описанных выше. 30 минут испытаний не привели к разрушениям дорожки качения, появились лишь редкие микроскопические ямки выкрашивания. В целом же дорожка качения осталась достаточно гладкой и однородной. После 1,5 часов испытаний наблюдали интенсивное окисление дорожки качения, разрушений поверхности нет.
После 3,5 часов испытаний вдоль следа качения начали выявляться редкие трещины и отдельные области выкрашивания (рис. 5.7, б). Также видны участки, где отслоившийся материал налип на поверхность дорожки трения. Повышение контактной стойкости стального образца, прошедшего комбинированную упрочняющую обработку, непосредственно свя- зано с дисперсностью структуры мартенсита, которая затрудняет образование макроскопических трещин. Как. было показано вvработах [1;7,21], деградация поверхностного слоя при трении І проявляется во; взаимосвязанной пластической деформации на. разных масштабных.уровнях, включающей:в себя ;поступательное и;ротационное движение отдельных элементов::структуры\(фрагментов). В.результате пластической;: деформации по- границам фрагментов: образуются микротре- ЩИНБ1:ЭТО в: свою очередь, приводит к образованию в поверхностном: СЛОЄ.: объемов материала; различного размера, которые в дальнейшем отслаиваются в виде частиц износа: йазмерьг частиц; износа оказываются кратными структурным? элементам ... присутствующим в: пластически деформированном;; поверхностномслое, агскорость, изнашиванияшимитируется скоростью;-форми рованиж;фрагментов:вшриповерхностном. объеме: Заключение к: главе 5= Комбинированная термомеханическая обработка, обсуждаемая в: данной работе, направлена на то, чтобы, с одной стороны, повысить порог пластической деформации при ..контактном нагруженищ с другой, исключить структурные составляющие, такие как цементитная- сетка, которые обуславливают возникновение концентраторов напряжений. Последние приводят к: образованию микротрещин на первой стадии, а завершается этот процесс развитием магистральной трещины и разрушением материала. Измельчение исходных структурных элементов в поверхностном слое при ультразвуковом воздействии: создает благоприятную структуру, которая обеспечивает равномерное распределение контактных напряжений и повышает демпфирующую; способность материала за счет высокой концентрации поверхностей раздела между элементами структуры. Кроме того, повышенная твердость мелкодисперсного мартенсита снижает адгезионное взаимодействие во фрикционном контакте. Таким образом, применение ультразвукового воздействия на поверхность изделий с неравновесной структурой оказался весьма эффективным. Улучшилась микроструктура металла и связанные с ней физико-механические свойства, а также чистота поверхности.
