Введение к работе
Актуальность работы. Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности во всех развитых странах характеризуется повышенным вниманием к проблемам трения и износа Возникающий энергетический кризис требует снижения потерь мощности В то же время, анализ причин выхода из строя машин и механизмов показывает, что до 85% всех отказов связано с износом, в результате которого безвозвратно теряется более 10% металла Вместе с тем, незначительные капиталовложения в улучшение триботехнических свойств материалов узлов трения дают значительный экономический эффект Поэтому исследование механизмов трения и изнашивания, а также путей снижения потерь мощности на трение и повышения износостойкости деталей, работающих в трибосопряжениях, представляют значительный научный и практический интерес В связи с этим, в настоящее время особое внимание уделяется вопросам разработки новых материалов для трибоузлов различного назначения Одним из наиболее перспективных научных направлений в области создания новых материалов с уникальными свойствами, в том числе и с улучшенными триботехни-ческими характеристиками, является разработка специальных технологий получения ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов, имеющих субмикрокристаллическую (СМК) и нанокристаллическую (НК) структуру Для формирования в материалах СМК и НК структуры используются различные методы кристаллизация из расплава, газовая конденсация с последующим компактирова-нием, шаровой размол с последующей консолидацией, электроосаждение и интенсивная пластическая деформация (ИПД) В данной работе в качестве объекта исследования были выбраны титан и его сплавы в УМЗ состоянии, полученном методом ИПД, в частности, равноканальным угловым прессованием (РКУП) В настоящее время широкое использование титана и его сплавов в машиностроении, химической промышленности, авиакосмической технике и медицине достигнуто благодаря особым свойствам данных материалов, таким как жаропрочность, биосовместимость, коррозионностойкость, низкая плотность, высокая удельная прочность, а для никелида титана - память формы, сверхэластичность, пластичность Применение традиционных крупнозернистых (КЗ) титана и его сплавов в подвижных соединениях сдерживается их низкими трибо-техническими характеристиками Известно, что титан, обладая незначительной толщиной окисной пленки и большой реакционной способностью ювенильных участков поверхностей, образующихся в процессе трения (граничного), склонен к схватыванию с последующим повреждением поверхностей контакта Особо ярко этот недостаток проявляется при повышенных температурах контакта Триботехнические характеристики титана и его сплавов в УМЗ состоянии могут заметно отличаться от таковых для КЗ аналогов и требуют проведения теоретических и экспериментальных исследований
Проблеме исследования влияния структурно-фазового состава контактирующих материалов на их триботехнические свойства посвящено много работ известных отечественных и зарубежных ученых В этих работах отражены результаты, характерные для фрикционного подвижного контакта традиционных (КЗ) поликристаллических материалов Практически не изученными остаются триботехнические свойства УМЗ материалов
Данная работа направлена на восполнение этого пробела и посвящена изучению влияния степени дисперсности структуры (включая УМЗ состояние, полученное методом равноканального углового прессования) на триботехнические характеристики (прочность адгезионных связей на срез, адгезионную составляющую коэффициента трения, износостойкость и т д) технически чистого титана ВТ1-0 и его сплавов (ВТ6, никелида титана) в широком интервале температур и нагрузок
В этой связи повышение качества тяжелонагруженных узлов трения и улучшение технологической обрабатываемости титана и его сплавов на основе установленных закономерностей влияния степени дисперсности структуры и температуры фрикционного контакта на их триботехнические характеристики является актуальной научно-технической задачей
Научно-исследовательсекая работа по теме диссертации выполнена в рамках гранта, полученного автором по результатам конкурса 2003 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов ВУЗов Минобрнауки России (шифр гранта- АОЗ-3 18-470), а также - грантов РФФИ (06-08-00049-а, 2006 - 2007 г г, 07-08-92001-ННС-а, 2007 *- 2009 г г)
Цель работы - установление закономерностей влияния степени дисперсности структуры, полученной интенсивной пластической деформацией, и температуры фрикционного контакта на триботехнические характеристики титана и его сплавов и на этой основе улучшение их технологической обрабатываемости и качества работы тяжелонагруженных узлов трения
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
-
С помощью методов неравновесной термодинамики и самоорганизации изучить влияние температуры и степени дисперсности структуры контактирующих материалов на их триботехнические характеристики
-
Повысить точность экспериментального определения зависимости адгезионных параметров фрикционного контакта (с учетом оценки упругого востановления отпечатка в процессе уменьшения нагрузки на индентор) от давления и провести экспериментальные триботехнические исследования трибоконтакта титана и его сплавов, находящихся в различных по степени дисперсности структурных состояниях при различных температурных и силовых условиях трения
-
Выполнить исследования структуры поверхностей трения титана, имеющих разную степень дисперсности в исходном состоянии, и определить составы и свойства вторичных структур и фаз, образовавшихся при различных температурах фрикционного контакта
-
Установить функциональные связи между триботехническими характеристиками (прочностью на срез адгезионных связей, адгезионной составляющей коэффициента трения, износостойкостью и т д ) и степенью дисперсности структуры титана и его сплавов с учетом температуры и удельной нагрузки на контакте
-
Разработать рекомендации по практическому использованию полученных результатов оценить характеристики технологической обрабатываемости титана и его сплавов и повысить качество их работы в тяжелонагруженных узлах трения в связи с изменением степени дисперсности структуры этих материалов
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования Решения задач базируются на методах неравновесной термодинамики и самоорганизации, на фундаментальных подходах трибологии, теории контактного взаимодействия и резания металлов При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистического анализа результатов экспериментов, стандартизованные и оригинальные методики триботехниче-ских испытаний, исследования технологической обрабатываемости, измерения микротвердости и шероховатости Использовались современные методики исследования структуры испытуемых материалов оптическая металлография (ОМ), просвечивающая и растровая электронная микроскопия (ПЭМ, РЭМ), рентгенофотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена многочисленными экспериментальными данными, в том числе полученными лично соискателем
Научная новизна работы заключается в следующем 1. Определены условия потери термодинамической устойчивости трибосистемы и ее адаптации с уменьшением интенсивности изнашивания на подвижном фрикционном контакте деталей из материалов с УМЗ структурой, полученной РКУП
-
Определена величина фактического радиуса отпечатка с учетом упругого восстановления образцов в процессе уменьшения нагрузки на сферический индентор, что позволило повысить точность методики экспериментального определения зависимости адгезионных параметров фрикционного контакта от давления
-
Установлены функциональные связи между триботехническими характеристиками (прочностью на срез адгезионных связей, адгезионной составляю-
щей коэффициента трения, износостойкостью) и степенью дисперсности структуры титана и его сплавов с учетом температуры и удельной нагрузки на фрикционном контакте
-
Методом РФЭС показано, что в процессе трения УМЗ титан в зоне контакта на поверхности содержит приблизительно в два раза больше оксидов титана по сравнению с крупнозернистым аналогом, которые, выполняя роль защитной пленки, уменьшают адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей и способствуют снижению коэффициента трения
-
Установлена величина критической температуры контакта (~ 350 С), выше которой увеличение степени дисперсности структуры титана приводит к снижению прочности адгезионных связей на срез по сравнению с КЗ титаном
Практическая ценность.
1 Установленные теоретико-экспериментальные зависимости между степенью
дисперсности структуры титана и его сплавов, критическими температурно-
силовыми параметрами фрикционного контакта, с одной стороны, и
триботехническими характеристиками, с другой стороны, позволяют
разработать технологии ИПД получения УМЗ материалов, направленные на
улучшение эксплуатационных свойств тяжелонагруженных узлов трения
2 Установленный факт улучшения показателей технологической
обрабатываемости УМЗ титана позволяет повысить качество изготавливаемых
из него изделий
-
Предложенный способ расчетного определения прочности адгезионных связей на срез по величине комплексного параметра пластического фрикционного контакта служит для экспресс-оценки прочности на срез адгезионных связей в условиях пластического контакта
-
Усовершенствованная методика экспериментального определения зависимости адгезионных параметров фрикционного контакта от давления позволяет повысить точность полученных результатов
Реализация работы. Результаты работы используются при проектировании и изготовлении лопаток компрессора авиационного двигателя АЛ-31Ф, изготавливаемого на ОАО «Уфимское моторостроительное предприятие», и при разработке опытных образцов стоматологических имплантатов (Timplant (Чехия), ИФПМ УГАТУ (Уфа)), а также внедрены в учебный процесс УГАТУ
На защиту выносятся:
-
Обоснование условий потери термодинамической устойчивости трибосистемы и ее адаптации с уменьшением интенсивности изнашивания на подвижном фрикционном контакте деталей из материалов с УМЗ структурой, полученной РКУП
-
Оценка величины фактического радиуса отпечатка с учетом упругого восстановления образцов в процессе уменьшения нагрузки на сферический
индентор, позволившее повысить точность методики экспериментального определения зависимости адгезионных параметров фрикционного контакта от давления
-
Установленные функциональные связи между триботехническими характеристиками (прочностью на срез адгезионных связей, адгезионной составляющей коэффициента трения, износостойкостью) и степенью дисперсности структуры титана и его сплавов с учетом температуры и удельной нагрузки на фрикционном контакте
-
Установленный факт, что в процессе трения УМЗ титан за счет большей объемной доли границ зерен и высокой концентрации дефектов в зоне контакта на своей поверхности содержит приблизительно в два раза больше оксидов титана (по сравнению с КЗ аналогом), которые выполняют роль защитной пленки, уменьшающей адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей
-
Существование критической температуры контакта (-350 С), выше которой повышение дисперсности структуры титана приводит к снижению прочности адгезионных связей на срез по сравнению с КЗ титаном
Апробация работы. Основные положения докладывались на научных семинарах Института машиноведения им А А Благонравова РАН (Москва, 2008), Института физики перспективных материалов и кафедры «Основы конструирования механизмов и машин» УГАТУ, а также на следующих конференциях, симпозиумах Всероссийской молодежной науч техн конф «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2002, 2004 г г), II Междун науч конф «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (Новочеркасск, 2003 г), Междун молодежной науч конф «XXX Гагаринские чтения» (Москва, 2004 г ), Междун науч техн конф «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2004 г), 1-ой Всероссийской конф по наноматериалам «НАНО - 2004» (Москва, 2004 г), Междун науч -практ симпозиуме «Славянтрибо-6 Интегрированное научно-техническое обеспечение качества трибообъектов, их производства и экплуатации» (Рыбинск, 2004 г), Междун симпозиуме «Образование через науку» (Москва, 2005 г), Российской науч техн конф «Мавлютов-ские чтения» (Уфа, 2006 г), Междун науч техн конф «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием» (Тула, 2007 г), Междун науч техн конф «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007 г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 статьи в отечественных и международных изданиях, а также 9 тезисов докладов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы, содержащего 123 источника, приложения и включает 76 рисунков и 9 таблиц Основная часть диссертации изложена на 170 страницах машинописного текста
