Введение к работе
Одной из самых важных тенденций развития машиностроения является сни-жение материалоемкости машин и механизмов. Уменьшение размеров и массы изделий приводит к необходимости передачи более высоких контактных напряжений и мощностей, что приводит к быстрому изменению свойств и структуры материала, особенно в случае трения. Большое разнообразие сложных физико-химических процессов, одновременно протекающих на поверхностях трения, затрудняет построение единого подхода к описанию процесса изнашивания трущихся тел. Поэтому в литературе обычно ограничиваются общей классификацией известных механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением характера каждого отдельного механизма. Диссертация посвящена исследованию структурных изменений в поверхностных слоях металлических материалов с различной исходной структурой в процессе трения и изнашивания, главными действующими факторами которого являются деформация, фрикционный нагрев и адгезионное взаимодействие. В ходе работы были получены результаты, которые могут быть использованы при разработке физических моделей процесса, выборе материалов пар трения, диагностике ресурса несущей способности материала и оптимизации состава смазочных композиций.
Актуальность темы диссертации. Трение и изнашивание материала в условиях адгезии является сложным многофакторным видом нагружения, в результате которого в поверхностных слоях материалов происходят изменения, непосредственно связанные с образованием сильнодеформированного, фрагментированного поверхностного слоя и переходом от нормального механизма изнашивания к катастрофическому. Катастрофическое изнашивание можно охарактеризовать как резкое и необратимое увеличение масштаба разрушения в поверхностных слоях образца, сопоставимое с размерами самого образца. С практической точки зрения важной и актуальной задачей является как прогнозирование этого перехода, так и выработка методов по его предотвращению путем перевода процесса на докритический микроскопический масштаб. В связи с этим изучение развития фрагментированной структуры и ее влияния на разрушение поверхностного слоя твердого тела (изнашивание) при трении является актуальной научной и практической задачей. Представленные в диссертации результаты исследований актуальны также вследствие того, что посвящены и связаны с актуальными проблемами материаловедения и физической мезомеханики как научного направления Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
Связь с крупными научными программами. Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетной НИР, включенным в программу СО РАН по приоритетному направлению “Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий”, Комплексным проектом СО РАН на 2004-2006 гг. «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимосвязи и корреляции процессов локализации деформации на мезо- и макроуровнях в структурно-неоднородных материалах и конструкциях с концентраторами напряжений и принципы построения критериев предельных состояний для них»,проект 8.1.2. «Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценке прочности, износостойкости и долговечности», раздел 8.1.2.3 «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях» и с Программой 3.6.1 фундаментальных исследований СО РАН на 2007-2009 гг., проект 3.6.1.2 «Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации структурно-неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценки прочности, износостойкости и долговечности материалов и конструкций», раздел «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях», грантом РФФИ №06-08-00775а и международным DOE IPP проектом DE-AC36 99GO10337 по разработке и поиску применений наноразмерных материалов.
Цели и задачи исследования. Основная цель этой работы: разработать научно-обоснованные критерии устойчивости материалов к изнашиванию и изучить особенности формирования структуры металлических материалов, их физико-механических и трибологических свойств в различных условиях трения и изнашивания.
Объект и предмет исследования. Объектами исследований являются металлы, сплавы, стали, композиционные материалы и диффузионные покрытия. Выбор объектов исследования диктовался практическими и методологическими целями. Предметом исследований является процесс адгезионного трения и изнашивания этих материалов.
Структурные изменения в поверхностных слоях твердых тел при трении в условиях, близких к схватыванию заключаются в образовании особого поверхностного слоя, структура которого сильно измельчена под действием деформации, перемешивания и генерируемого трением тепла. Обычно образование такого слоя связывается главным образом с переносом и перемешиванием фрагментов и частиц износа на поверхности. Таким образом, по общепринятому мнению формирование слоя идет постепенно и не связано с изменением масштабного фактора. В наших работах было установлено, что этот процесс может происходить за очень короткое время в виде сдвига одной части материала относительно другой, т.е. за счет потери сдвиговой устойчивости поверхностного слоя материала в условиях усиления адгезионной составляющей трения. На основании имеющихся предварительных результатов и с учетом литературных данных были сделаны предположения о том, что в процессе адгезионного изнашивания локализация деформации может приводить к локальной потере сопротивления материала к сдвигу и быстрому образованию и переносу сильнодеформированного материала с повышенной адгезионной активностью. Поскольку механизм деформации материала в наноструктурном состоянии отличается от механизма деформирования поликристалла, то должны различаться и механизмы изнашивания. При изменении условий трения происходит переход от режима накопления дефектов к режиму адгезионного изнашивания на более высоком масштабном уровне. Методом легирования зоны трения можно вновь привести систему на низкий масштабный уровень, создав защитную пленку с низкой адгезионной активностью. В процессе дальнейших исследований эта гипотеза была экспериментально подтверждена.
Методология и методы проведения исследований. В настоящее время процесс деформации твердых тел традиционно рассматривается на микроструктурном (дислокационном) уровне. При этом существуют известные трудности, особенно ярко проявляющие себя при попытках применить теорию дислокаций для объяснения явлений разрушения на макроуровне (в масштабе образца). Необходимым связующим звеном между поведением деформирующейся структуры на микроуровне и макроуровне может служить рассмотрение структурных изменений на промежуточном масштабном уровне, описывающем взаимодействие потоков дефектов и локализацию деформации. Характерной чертой деформации материалов на этом уровне является то, что носителем деформации выступают некоторые объемы материала (фрагменты), взаимодействующие между собой по определенным закономерностям.
Таким образом, многомасштабный подход необходимо применить и к описанию процессов деформирования и фрагментации поверхностных слоев твердых тел при трении и изнашивании. Отличительной особенностью при этом является дискретный характер контактирования, вследствие чего локальные напряжения значительно превышают среднее давление, которое испытывает образец. В результате повторяющихся с высокой частотой взаимодействий в пятнах касания на поверхности трения образуются сильнодеформированные слои, механизм деформации и разрушения которых в значительной степени отличается от общепринятых в физике деформированного твердого тела. Для получения информации об особенностях деформирования и масштабе вовлекаемых в этот процесс объемах материала был использован метод расчета фрактальной размерности поверхностей износа.
Структурные изменения, обусловленные трением, можно наблюдать лишь после остановки испытательной машины. Между тем, для понимания особенностей формирования слоя и соответствующего этому масштабного перехода чрезвычайно важна предварительная стадия деформации. Прежде чем проявится новый масштаб деформации, должны быть созданы его предпосылки, предвестники. В связи с этим методологически важно исследовать распределение деформации в поверхностных слоях твердых тел в различных режимах трения. Кроме того, необходимо найти связь между тем как распределяются контактные зоны на поверхности, и как происходит их деформация под поверхностью. В связи с этим было разработано устройство, которое позволяет использовать известный метод декорреляции спеклов для визуализации деформации на боковой поверхности образца при трении. При проведении триботехнических испытаний и структурных исследований были использованы стандартные методики.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Проведенные исследования позволили получить новые представления о локализации деформации при трении и механизме формирования сильнодеформированного слоя. Впервые показано, что при нормальном изнашивании отсутствует стационарные зоны локализации деформации. Деформация локализуется лишь на более поздних стадиях, когда система готовится к выходу на более высокий масштаб деформации.
Впервые показано, что в локализованной зоне деформации может произойти потеря сдвигового сопротивления материала и формирование нанокристаллического материала, что является предвестником образования фрагментированного слоя и перехода к адгезионному режиму трения и изнашивания. На примерах материалов со стабильной структурой (меди, сталей аустенитного класса) проведены исследования закономерностей чисто механической деградации поверхностных слоев при трении, а на примерах латуни, сталей ферритного класса, никелида титана и композиционного материала исследованы особенности формирования поверхностей трения под действием механохимического фактора и фазовых превращений.
Подробно исследованы механохимические процессы на поверхностях трения углеродистой стали в смазочных средах с добавками нанопорошков пластичных металлов, приводящие к формированию защитных нанокомпозитных пленок. С целью поиска количественного критерия оценки механизма изнашивания и обоснования подхода мезомеханики к проблемам трения проведены расчеты фрактальных характеристик поверхностей трения и боковых поверхностей образцов.
Достоверность полученных экспериментальных данных и результатов подтверждается использованными в работе стандартными методиками испытаний и исследований, алгоритмами статистической обработки и соответствием закономерностям, полученным другими авторами.
Научная и практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что полученные экспериментальные данные об особенностях и закономерностях структурной деградации материалов при трении, кинетике локализации деформации и модифицировании поверхностных слоев нанопорошками пластичных металлов позволяют получить более глубокие представления о протекающих на поверхностях трения физико-химических процессах, предшествующих изнашиванию.
Результаты исследования локализации деформации при трении позволяют диагностировать состояние и прогнозировать переход от нормального к катастрофическому изнашиванию в реальных узлах трения. Кроме того, эти исследования позволяют разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору материалов и оптимизации структуры их поверхностных слоев для снижения износа и трения в конкретных условиях нагружения.
Полученные в работе данные и результаты могут быть использованы при разработке новых материалов, способов упрочняющей поверхностной обработки, построении моделей трения.
На защиту выносятся:
-
Совокупность экспериментальных данных в виде зависимостей износа, температуры, коэффициента трения от давления и скорости скольжения, а также результаты их анализа, которые указывают на особенности формирования и деформации поверхностного слоя с нанодисперсными составляющими, обусловленные тем, что переход от нормального к адгезионному изнашиванию связан с вязким характером деформации этого слоя.
-
Закономерности деформирования поверхностных слоев материалов на микроуровне, которое носит на начальных стадиях трения стадийный характер, в условиях нормального и адгезионного изнашивания, заключающиеся в формировании сильнодеформированного фрагментированного слоя материала с размером структурных составляющих 0,01 0,1 мкм.
-
Закономерности формирования разномасштабной деформированной структуры вблизи поверхности трения при переходе от нормального к катастрофическому изнашиванию, характеризующиеся изменением толщины поверхностного слоя с нанодисперсными структурными составляющими, в результате которого катастрофическое изнашивание развивается на более высоком мезоскопическом уровне.
-
Метод управления изнашиванием и трением путем направленного формирования твердых гетерогенных слоев (на примере борирования) и нанокомпозитных структур, получаемых введением наноразмерных частиц мягких металлов в зону трения, в результате чего образуется тонкий пластичный слой, обладающий свойствами антифрикционного защитного покрытия.
Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Личный вклад автора заключался в постановке задач, анализе и интерпретации результатов, обсуждении полученных закономерностей. Ряд оригинальных методик проведения исследований были разработаны лично автором. Исследования по модификации поверхностных слоев углеродистых сталей наноразмерными порошками металлов были выполнены в соавторстве с С.А.Беляевым.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции “Современные проблемы триботехнологии” (г.Николаев, 1988г.), Региональной научно-технической конференции “Порошковые материалы и плазменные покрытия” (г.Барнаул, 1988, 1990.), Всесоюзном семинаре “Физико-технические проблемы поверхности металлов” (г.Горький, 1990), Научно-технической конференции “Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов” (Киев, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции “Износостойкость машин” (г.Брянск, 1991),4-й Европейской конференции Восток-Запад “EMRS 1993 FALL MEETINGS” (Санкт-Петербург, 1993), Международном семинаре “Триболог-10М-SLAVYANTRIBO-1. Анализ и рациональное использование трибообъектов” (г.Рыбинск, 1993), 4-м Международном трибологическом симпозиуме “INSYCONT’94” (Польша, Краков, 1994), 2-й международной конференции “Износостойкие поверхностные слои” (Чехия, Прага, 1995), 4-й Международной конференции “Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий” (г.Томск, 1995), 4-й Югославской конференции по трибологии (Герцег Нови, 1995), II Всероссийской конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», (г.Томск, 1999), V-th Russian-Chinese International Symposium "Advanced Materials and Processes", (Baikalsk, Russia 1999), Europ. Conf. on Composite Materials. Science, Technologies and Applications. ECCM-8, (Naples, Italy 1998), XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г.Ижевск 1998), международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-5, "Наземная и космическая трибология – 2000. Проблемы и достижения", (Санкт-Петербург, 2000), Международной научно-технической конференции, посв. памяти ген. конструктора аэрокосм. техники, акад Н.Д. Кузнецова, (г.Самара 2000), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г.Томск, 2004), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2007», (г.Гомель, Беларусь, 2007), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике» (г.Томск, 2008).
Публикация результатов. Содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе в 25 журнальных статьях, 12 статьях в научных сборниках, 9 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованных источников и приложений, посвященных использованию результатов работы на практике. Полный объем диссертации — 281 страница, включая 85 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 180 наименований.
