Введение к работе
Актуальность работы
Трение как физическое явление широко распространено в природе. Без него трудно представить себе возможность относительного перемещения объектов различного происхождения. С трением, как правило, связано сопротивление движению тел, негативные последствия которого проявляются в энергетических потерях, в выделении тепла в сопряжениях, в неконтролируемых изменениях структуры взаимодействующих тел, в разрушении контактирующих поверхностей и т.д. В то же время на действии сил трения основана работа множества механизмов на транспорте, в машиностроении, энергетике, в которых благодаря трению сопряженных деталей передаются усилия, обеспечивающие совершение полезной работы. С трением связаны различные технологические процессы — прокатка металлов, сварка трением деталей из различных материалов, дробление и истирание сыпучих материалов, шлифование и полирование деталей в машиностроении и др. Все вышеизложенное свидетельствует о том, что трение имеет большое значение в современном индустриальном мире.
Трение объединяет в себе многие явления, имеющие самую различную природу. В литературе по трибологии большое внимание уделяется изучению данного процесса на основе механики, физики, химии и других смежных наук. Наибольшие успехи к настоящему времени достигнуты в области механики трения, материаловедения антифрикционных и фрикционных материалов, теории смазки. В меньшей степени развиты представления о физических механизмах трения и износа, которые непосредственно связаны с деформированием поверхностных слоев материалов при трении. Пионерскими работами, в которых рассмотрен физический механизм эволюции деформированной структуры поверхностного слоя при трении, были работы о роли дислокационного ансамбля в данном процессе.
Новый этап в развитии представлений о трении и изнашивании начался с предложенной академиком В.Е. Паниным концепции о структурных уровнях деформации твердых тел, основой которой является многоуровневый подход к процессам деформации. Применение такого подхода к анализу деформирования поверхностных слоев металлов при трении позволило сформулировать положения о трении и износе, которые включают в себя описание эволюции структуры поверхности трения, зарождения и механизмов отрыва частиц износа. В этих работах было показано, что механизм формирования и отрыва частицы износа по своей сути связан с вихревым характером пластического течения в приповерхностных слоях трения. Этот процесс протекает самосогласованно в иерархии микро- и мезомасштабных уровней.
Актуальность диссертационной работы связана с дальнейшим развитием исследований эволюции структуры материалов при трении и изнашивании на основе объединения отмеченных выше концепций с анализом динамики триболо-гического контакта. В работе используются теоретические принципы физической мезомеханики применительно к анализу контактирования сопряжений при трении скольжения, что открывает широкие перспективы при создании новых материалов и износостойких покрытий для узлов и деталей, работающих в условиях изнашивания.
Степень разработанности темы
Вопросам исследования трения и изнашивания посвящено большое количество работ известных российских и зарубежных ученых — Петрова Н.П., Рей-нольдса О., Кузнецова В.Д., Крагельского И.В., Боудена Ф.П., Тейбора Д., Хрущова М.М., Свириденка А.И., Ригни Д.А., Дроздова Ю.Н., Бушана Б., в которых рассмотрены различные аспекты трения твердых тел, включая физические и химические процессы на сопряженных поверхностях, механику контактирования, пластическое деформирование и разрушение поверхностных слоев материалов, анализ сил трения и механизмов изнашивания.
Исследования процессов трения и изнашивания, выполненные зарубежными и российскими учеными, показали, что в результате трения формируется градиентная структура, состоящая из последовательности слоев с разной степенью деформации. Было установлено, что деформирование представляет собой периодический процесс накопления деформации и разрушения поверхностного слоя. Изнашивание материала непосредственно связано со структурой и толщиной сильнодеформированного, фрагментированного поверхностного слоя.
Начиная с 90-х годов XX века, исследованиями структурообразования при трении занимались сотрудники лаборатории физики упрочнения поверхности Института физики прочности и материаловедения СО РАН, в результате чего были установлены причины локализации деформированного поверхностного слоя при трении, закономерности формирования фрагментированной структуры и механизм образования частиц износа. В этих работах показано, что высокие степени деформации обусловлены «ротационным» массопереносом, который приводит к образованию фрагментиро-ванной структуры в поверхностном слое и создает предпосылки для недислокационного скольжения под действием сил трения. В соответствии с представлениями физической мезомеханики фрагменты субструктуры, участвуя во вращательном и трансляционном движении, образуют мезовихри с радиусом, зависящим от толщины фрагментированного слоя, которые предопределяют образование частиц износа. Их отделение обусловлено образованием поверхностей раздела, полостей, трещин и др. по границам мезовихрей вследствие несоответствия деформаций поверхностного слоя, имеющего нанодисперсную структуру, и нижележащего материала.
В развитие предыдущих исследований необходимо рассмотреть проблемы деформирования и разрушения поверхностных слоев износостойких материалов и твердых покрытий при трении скольжения с учетом динамических явлений, экспериментально обосновать механизм, обусловливающий высокую износостойкость аустенитной стали Гадфильда, проанализировать эволюцию структуры поверхностного слоя при переходе от стационарного изнашивания к катастрофическому с использованием акустической эмиссии, отражающей динамику трения при исследовании процессов трения и изнашивания металлов. Представленные в диссертации результаты исследований могут быть использованы для разработки принципов создания износостойких материалов и покрытий.
Перспективным направлением исследований, требующим детального рассмотрения, является обоснование механизма формирования структуры сварного соединения при сварке трением с перемешиванием на основе принципов, разработанных для процесса трения металлов. Развитие данного направления должно создать
предпосылки для разработки критериев технической целесообразности внедрения процесса сварки трением с перемешиванием в производство.
В данной работе преимущественно исследуются процессы взаимодействия твердых тел при сухом трении скольжения, так как из-за большой силы трения наиболее ярко проявляется кинетика пластического деформирования и разрушения поверхностных слоев взаимодействующих материалов.
Цель и задачи
Цель работы заключалась в установлении закономерностей формирования поверхностных слоев металлических материалов в условиях адгезионного взаимодействия при трении и сварке трением с перемешиванием, а также в обосновании технологических способов упрочнения поверхностей конструкционных материалов для трибосопряжений.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Провести исследования характеристик звукового сигнала при трении скольжения стали Гадфильда и изменения коэффициента трения в зависимости от триботехнических параметров.
-
Выявить основные закономерности эволюции структуры поверхностного слоя стали Гадфильда на основании частотного спектра и интенсивности сигналов акустической эмиссии.
-
Установить роль динамических процессов в структурообразовании поверхностных слоев хрупких, упругопластичных и пластичных материалов при трении.
-
Провести комплексный анализ изнашивания поверхностно упрочненных материалов, полученных методами ультразвуковой ударной и электроннолучевой обработок, ионной имплантации и нанесения твердых покрытий.
-
Изучить особенности образования микроструктуры сварного шва, полученного сваркой трением с перемешиванием, на основе представлений о вихревом характере пластического течения в зоне, примыкающей к сварочному инструменту.
-
Выявить основные закономерности деформирования и разрушения сварных соединений алюминиево-магниевого сплава, выполненных способом сварки трением с перемешиванием.
Научная новизна
-
Установлено, что формирование частиц износа в результате трения стали Гадфильда преимущественно обусловлено окислением поверхности металла и разрушением оксидов. Перемешиваясь с металлом, частицы оксидов образуют тонкий слой нанокристаллического строения, разрушение которого контролирует интенсивность износа.
-
С использованием методов непрерывной регистрации величины коэффициента трения и звуковых сигналов в процессе трения впервые установлена прямая зависимость между динамикой трения, характером изнашивания и параметрами частиц износа.
-
Впервые показано, что возрастание медианной частоты акустической эмиссии обусловлено появлением высокочастотных составляющих в спектре сигнала, которые появляются на этапе образования поверхностного слоя при трении, что также сопровождается возрастанием коэффициента трения.
-
Впервые получены количественные данные о кинетике износа и состоянии фаз тонких (~5 мкм) нанокристаллических покрытий в режиме дифракционного кино (скоростная дифрактометрия) с использованием синхротронного излучения.
-
Предложено объяснение снижения скорости изнашивания поверхностно упрочненных материалов, которое заключается в том, что более твердый поверхностный слой препятствует вихревому течению материала и фрагментированию поверхностного слоя.
-
Дана новая трактовка механизма формирования сварного шва при сварке трением с перемешиванием, заключающаяся в том, что образование микроструктуры в зоне контактирования сварочного инструмента с металлом аналогично образованию поверхностного слоя при трении скольжения.
Теоретическая и практическая значимость работы
Развиты представления о характере изнашивания высокоизносостойкой аустенитной стали Гадфильда, которые подтверждают концепцию, сформулированную академиком В.Е. Паниным, о ведущей роли фрагментации материала в процессах изнашивания при трении скольжения. Низкая скорость изнашивания стали Гадфильда обусловлена малой толщиной фрагментированного поверхностного слоя, который состоит из оксидов и у-фазы железа.
Полученные результаты и установленные закономерности расширяют представления о физической природе и механизмах возбуждения фрикционных колебаний звуковой и ультразвуковой частоты при трении и изнашивании металлических материалов и твердых покрытий. Результаты работы позволяют выработать критерии устойчивости материала при фрикционном взаимодействии на основании анализа сигналов акустической эмиссии.
Установлена эффективность применения ультразвукового ударного воздействия на поверхность изделий из цементированных конструкционных сталей с неравновесной структурой. Данный способ может быть рекомендован для модификации микроструктуры цементированного поверхностного слоя с целью улучшения его физико-механических свойств и износостойкости.
Результаты анализа микроструктуры сварного шва, полученного методом сварки трением с перемешиванием, и условий его формирования в зависимости от технологических параметров процесса могут быть использованы для получения качественных сварных соединений и выработки рекомендаций по диагностике и контролю качества сварных швов, что подтверждается патентами.
Методология и методы исследования
Методологическую основу составили труды отечественных и зарубежных ученых, указанные в диссертации, по исследованию проблем в области трения и изнашивания металлических материалов на основе представлений о пластической деформации поверхностного слоя как основном механизме эволюции структуры при трении. В работе были использованы экспериментальные методы металлографического анализа структуры металлов, рентгеноструктурного анализа, электронной просвечивающей и сканирующей микроскопии, акустической эмиссии. Исследования проведены на конструкционных металлах и сплавах, применяемых в машиностроении для изготовления узлов трения и неразъемных соединений легких конструкций. Износостойкая сталь Гадфильда (110Г 13Л) использова-
лась для оценки деформационных эффектов деградации исходной структуры поверхностного слоя при трении. Основным механизмом изнашивания данной стали является механохимический износ. Стали 45, 20ХН3А и 15Н3МА подвергались поверхностному упрочнению методами ультразвуковой ударной и электронно-лучевой обработок. На сплав ВК-8 и титан марки ВТ1 наносили ионно-плазменные твердые покрытия. Сплав БрА9Ж4 подвергался ионной имплантации для модифицирования поверхностного слоя. Алюминиево-магниевые сплавы использовали для анализа деформационной структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием.
Положения, выносимые на защиту
-
Экспериментально установленные закономерности образования структурно-неоднородного поверхностного слоя аустенитной стали Гадфильда при трении скольжения, заключающиеся в том, что по мере повышения давления в трибосопряжении происходит выделение железомарганцевого карбида, частичное у->а превращение и формирование тонкого (до 5 мкм) фрагментированного слоя основного металла с частицами оксидов.
-
Совокупность экспериментальных данных о влиянии динамических процессов, характеризующихся акустическим излучением, на коэффициент трения и особенности разрушения поверхностного слоя стали Гадфильда с отделением частиц износа при сухом трении скольжения.
-
Закономерности изнашивания поверхностных слоев материалов, полученных методами ультразвукового и электронно-лучевого воздействия, ионной имплантации и ионно-плазменного напыления.
-
Механизм формирования микроструктуры сварного соединения, полученного методом сварки трением с перемешиванием, основанный на представлениях о деформировании поверхностного слоя металлов при трении скольжения.
-
Структурные особенности разрушения сварного соединения, полученного способом сварки трением с перемешиванием, определяющиеся дефектами, сформированными в результате нарушения технологических режимов сварки.
Степень достоверности, вклад автора и апробация результатов исследования
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований структуры. Результаты работы подтверждаются их воспроизводимостью и согласованностью между собой.
Основные результаты диссертации отражены в 56 публикациях, в том числе в 34 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, в 19 статьях в зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, а также в 3 патентах.
В исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежит решающий вклад в проведение экспериментов, в обработку и обсуждение полученных результатов, в написание статей, в представление докладов на международных и отечественных конференциях. Постановка задач, положения, выносимые на защиту, и выводы диссертационной работы сформулированы лично автором.
Результаты исследований были представлены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях: 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, Самара, 2001 г.; 6th International Symposium “INSYCONT ’02” New Achievements in Tribology, Краков, 2002 г.; I Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Томск, 2002 г.; ХV 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., 2006 г., 2009 г., 2011 г.; XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология», Гомель, 2007 г.; VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, Туапсе, 2008 г.; Международной научно-технической конференции ПОЛИКОМТРИБ-2009, Гомель, 2009 г.; International Conference “Tribilogie-Fachtagung”, Gttingen, 2009; Научно-технической конференции с участием иностранных специалистов, посвященной 120-летию со дня рождения проф. М.М. Хрущова, Москва, 2010 г.; IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2011 г.; V Международной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2011 г.; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012 г.; Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Проблемы машиноведения: трибология — машиностроению», Москва, 2012 г.; Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы», Томск, 2013 г.; Международной конференции «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения», Москва, 2013 г.; V Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2013 г.; Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем. Моделирование, эксперимент, приложения», Томск, 2014 г.; German-Russian Workshop «Advances in Tribology: Science, Technology and Education», Карловы Вары, 2015; Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, 2015 г.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованных источников и приложений, включающих документы об использовании результатов работы. Полный объем диссертации — 288 страниц, включая 173 рисунка, 9 таблиц и библиографию из 222 наименований.