Изменения структуры поверхности металлических материалов при трении с высокими нагрузками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

// - 7

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

на правах рукописи

КОЛУБАЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРЕНИИ С ВЫСОКИМИ НАГРУЗКАМИ

01.04.07. - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск -1996

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................5

1. СТРУКТУРА, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕ РИАЛОВ Тл.С - Ме......19

1.1. Анализ фаз в композициях на основе Тл_С, полученных методом СВС......................25

1.2. Об аномальном поведении теплопроводности композиционных материалов, содержащих карбид титана......................................36

1.3. Износостойкость композитов, содержащих карбид титана...............................42

1.4. Оценка температуры на поверхности трения композиций, содержащих частицы с низкой теплопроводностью...........................56

1.5. Периодические структуры на контактной

поверхности.................................69

Заключение к 1 главе........................75

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ

СТРУКТУРАМИ ТРЕНИИ С ВЫСОКИМИ НАГРУЗКАМИ. .......78

2.1. Деформационные процессы на поверхности трения......................................84

2.2. Микроструктура поверхностных слоев трения...9б

2.3. Закономерности формирования и разрушения поверхностных структур при трении в режиме

схватывания.................................10 9

Заключение к 2 главе........................124

3. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ

СЛОЕВ ТРЕНИЯ.....................................128

3.1. Тепловое воздействие на поверхность трения с учетом колебательного характера контактирования .........................................132

3.2. Механическое динамическое воздействие на поверхность трения............................13 9

3.3. Механизм формирования субструктуры в предельно деформированном состоянии...................14 4

3.4. Генерация поверхностных волн при внешнем

трении упругих тел..........................157

Заключение к 3 главе........................167

4. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ БОРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ........170

4.1. Борирование, как возможный метод упрочнения поверхностей трения.........................17 0

4.2. Структурные особенности боридных покрытий триботехнического назначения................17 8

4.3. Изнашивание боридных слоев в условиях

трения скольжения...........................192

Заключение к 4 главе........................206

5. ПРОЦЕССЫ ТРЕНИЯ МАКРОГЕТЕРОГЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ.......................................208

5.1. Износостойкость композиционных материалов,

пропитанных бронзой.........................212

5.2. Структура и триботехнические свойства порошковых материалов из подшипниковой

стали ШХ15..................................22 6

5.3. Антифрикционные материалы каркасного типа

пропитанные бронзой.........................240

Заключение к 5 главе........................245

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................248

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..................................2 61

ЛИТЕРАТУРА.......................................264

ВВЕДЕНИЕ

Исследования в области поверхностных явлений, связанные с трением и изнашиванием, привлекают постоянное внимание не только в силу их большого значения для решения прикладных задач повышения надежности и долговечности подвижных сопряжений, но и благодаря несомненному научному интересу к данной проблеме. Этот интерес обусловлен тем, что только при трении возможно протекание процессов, связывающих воедино макро- и микропластическую 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 проблем, которые стоят перед трибологией, очень трудно представить всю картину трения, охватывающую физические, химические и механические сопутствующие явления. Поэтому необходимо последовательно изучать отдельные стороны явлений, возникающих в процессе контактного взаимодействия поверхностей, объединяя и анализируя их затем во взаимосвязи [1].

К наиболее систематизированным исследованиям в данной области относятся прежде всего работы В.Д.Кузнецова [1], И. В. Крагельского [2-4], Ф.П.Боудена и Д.Тейбора [5] . В последние годы приоритет отдается изучению микроструктур слоев трения и частиц износа [6-15], кинетике пластического деформирования и разрушения поверх-

ности [16-24], природы сил трения и механизмов изнашивания [25-31]• Основное внимание при этом уделяется вопросам повышения износостойкости материалов, снижения энергетических затрат на трение. До недавнего времени считалось, что существует только один путь повышения триботехнических свойств - за счет увеличения твердости материалов или поверхностных слоев. Однако в ряде работ [32-34] прямые структурные исследования пластического течения в приповерхностных слоях при трении медных сплавов позволили обнаружить явление избирательного переноса, которое заключается в выделении меди из сплава, образовании избыточной ее концентрации на поверхности и частичном переносе меди на контртело. Это способствует формированию тонких мягких слоев меди на сопряженных поверхностях. Образующийся слой почти полностью воспринимает напряжения и обеспечивает минимальный коэффициент трения. Износостойкость при этом увеличивается скачком [37].

Важнейшим обобщением в трибологии к настоящему времени является сформулированный И.В.Крагельским [2] трехстадийный процесс трения, который объединяет, во-первых, взаимодействие поверхностей, во-вторых, изменение структуры поверхностных слоев в результате взаимодействия и, в-третьих, разрушение поверхностей вследствие двух предыдущих этапов. Определяющим в данной цепочке является взаимодействие поверхностей, так как от его интенсивности .зависит протекание последующих этапов. Восстановление характера взаимодействий на основании знаний о структуре поверхности и кинетике ее трансформации в процессе трения имеет первостепенное

значение для научного познания, а также в связи с большим прикладным значением исследований в области трибологии. Следует отметить, что в своей постановке задачи изучения структуры материалов в случаях, когда эта структура связывается с объемными или поверхностными свойствами твердых тел, существенно различаются. Кроме того, характер контактирования при трении является локальным, дискретным, что приводит к необходимости изучения неоднородности структуры поверхностных слоев твердых тел. Причем, исследование закономерностей деформирования поверхности трения требует привлечения представлении о структурных уровнях пластической деформации [35] , согласно которым структурные элементы деформации разного масштаба представляют собой самосогласованную систему. Основным в системе трущихся тел следует признать мезоскопический уровень, который задается характером взаимодействия неоднородностей сопряженных шероховатых поверхностей, создающих мощные концентраторы напряжений в короткие временные промежутки. Релаксация данных напряжений вызывает появление ротационных мод деформации, ответственных за формирование мезо-структуры нижнего уровня - фрагментированной субструктуры [3 6] . Теоретический анализ, основанный на таком подходе, успешно применен для объяснения механизмов объемного деформирования твердых тел [35], и, как нам кажется, может выявить особенности пластической деформации и износа при трении.

При трении выделяют три характерные зоны [16,38], отделенные друг от друга границами. Самый верхний слой, называемый "третье тело" или слой переноса, отличается

от нижележащих областей, состоящих только из материала основы, тем, что в нем присутствуют частицы контробразца и продукты химических реакций. В зависимости от типа испытаний структура зоны переноса может быть в виде или тонкого слоя оксидов, или мелкокристаллической смеси материалов трущихся тел. Эта зона является результатом действия физико-химических процессов и механического перемешивания [27,39].

Внутри зоны 2, в которой имеют место градиенты деформации и субзеренная структура, зарождаются несплошности и трещины как результат накопления элементов три-бодеструкции, обусловленной влиянием циклов переменных напряжений [16]. Обычно границы данной зоны определяются металлографически. Материал зоны 3 испытывет только квазиупругие деформации со следами скольжения. Его структура практически не отличается от исходной.

Характер микроскопического разрушения в поверхностном слое качественно отличается от характера объемного разрушения [10]. Это отличие обусловлено в основном тем, что граница раздела поверхностного слоя с окружающей средой является сильнейшим источником воздействия на глубинные слои. Поверхность качественно меняет картину распределения дислокаций в приповерхностном объеме твердого тела [40]. В работах [41,42] получены количественные соотношения для интенсивности изнашивания, выраженные через такие параметры дислокационной структуры, как плотность дислокаций и их вектор Бюргерса. Кроме того, гипотеза взаимосвязи дислокационной структуры и износа является основой усталостного механизма разрушения поверхностных слоев при трении [25].

Особое влияние на физико-механические характеристики, состав и строение слоев трения оказывает температура, которая неоднозначно связана с износом. С изменением температуры меняются субструктура, микроструктура и физико-механические свойства материала, а следовательно, и его износостойкость. Кроме того, из-за разности коэффициентов термического расширения составляющих твердое тело фаз, повышение температуры приводит к возникновению микротрещин и хрупкому разрушению слоя трения. Весьма распространенным при фрикционном нагреве является образование вторичных структур, в том числе окисных.

В литературе по трибологии существует много мнений по вопросам, связанным с формированием и разрушением поверхностных структур на фрикционном контакте. Но в одном все мнения сходятся, а именно в том, что разрушение поверхностного слоя и образование частиц износа происходят большей частью в результате многократных воздействий. Пожалуй только усталостное изнашивание и высокоэнергетическое воздействие при трении могут объяснить тот факт, что износостойкость одного и того же материала в зависимости от внешних условий может изменяться в десятки раз. Наличие шероховатости и неоднородности поверхности приводит к дискретному касанию и значительным давлениям на микроконтакте. В результате изменяющаяся с высокой частотой нагрузка приводит к усталостному разрушению материала и возникновению при трении температурных вспышек, способствующих протеканию физико-химических процессов и формированию тонких поверхностных слоев на контактирующих телах. В связи с

этим становятся необходимыми исследования структуры и свойств слоев трения, которые должны способствовать формированию научно обоснованного мнения о природе, структуре и свойствах слоев трения, а так же позволят судить о механизме и скорости изнашивания, размерах частиц износа, проводить оценки и выбор эффективных способов повышения износостойкости. Можно предположить, что данная проблема будет решена при построении количественной теории, связывающей воедино микроструктуру, процессы переноса, пластического деформирования и разрушения поверхностных слоев при внешних воздействиях, обусловленных трением.

Известна общая закономерность трения и изнашивания [43], которая заключается в том, что для любой пары трения возможно существование таких диапазонов нагрузок и скоростей, когда показатели трения (коэффициент трения, износ) устойчивы и значительно ниже, чем вне этих диапазонов. Эта закономерность обусловлена принципом структурно - энергетической приспосабливаемости [44,45] материалов при трении, состоящей в том, что при нормальном трении в зоне контакта формируются вторичные структуры, наиболее эффективно рассеивающие подводимую к трибосистеме энергию. Образование вторичных структур создает определенные физико-химические свойства поверхности и равновесную шероховатость, характеризующую основной уровень механической составляющей силы трения. Благоприятным считается случай, когда в начальный период изнашивания на обеих поверхностях трения существуют наследственные или специально . созданные .вторичные

структуры, обладающие механической и структурной стабильностью .

Анализ литературных данных показывает, что исследования почти всех эффектов, связанных с эволюцией структуры поверхности металлов в скользящем контакте, как правило, носят больше качественный, чем количественный характер. Попытки получения количественной информации о механизмах пластического деформирования и разрушения поверхностных слоев материала при трении в основном ограничены рассмотрением моделей изнашивания [46-51], а также вычислением основных трибологических параметров [52-54]. В подавляющем большинстве рассматриваемых работ процессы, наблюдаемые на поверхности, описываются в стационарной постановке задачи [55-57]. Динамический подход предлагается в работах [58-60], в которых тепловое и механическое воздействие осциллирует с некоторой частотой, обусловленной взаимодействиями микроконтактов сопряженных поверхностей. Такой подход позволил объяснить рассеяние подводимой энергии за счет затухания осцилляторов, а также колебания температуры и напряжения в поверхностном слое при трении. Кроме того, динамический аспект трения заключается в том, что под влиянием факторов, воздействующих на материал, структура и физико-механические свойства, а следовательно, и работоспособность материала при трении меняются в ходе самого процесса. В итоге ответственным за результат работы трения является не столько материал с исходной структурой, сколько материал, структура и свойства которого формируются в процессе трения.

Интересна концепция "фрикционного течения", развиваемая в рамках механики сплошной среды и теории дислокаций [61], которая описывает эволюцию поверхностного слоя материала при трении. Особый интерес представляют работы [62,63], в которых показано, что трение возникает вследствие стохастизации системы линейных осцилляторов, а синергетические эффекты обусловлены потоковой корреляцией этих возбуждений. Стохастичность проявляется и в распределении источников тепла на поверхности трения [64], которые возникают в местах дискретного контакта в результате преобразования механической энергии. При этом время разогрева контактной области может характеризовать сопротивляемость износу в том смысле, что при сравнимости данного промежутка времени с временем контактирования, возможно образование мостиков сварки или "размягчение" материала в микроконтакте.

Рассмотрение разнообразных подходов и концепций к описанию трибосистемы, позволило авторам [65] сформулировать основные направления исследований в области трибологии .

Первое из них - анализ возможных моделей процесса изнашивания, поскольку для предотвращения поверхностного разрушения при трении необходимо познать феномен отделения частиц износа.

Вторым направлением исследований являются структурные аспекты разрушения поверхности при трении. Исследования эволюции структуры приповерхностных объемов, приводящей к отделению частиц износа, сделают понимание процессов трения более полным.

Третье - заключается в изучении возможности прогнозирования износостойкости по стандартным характеристикам механических свойств и особенно по критериям вязкости разрушения (трещиностойкости).

Эти направления исследований составляют основу для разработки новых материалов и упрочняющих технологий (включая поверхностные) для узлов и деталей, работающих в условиях трения и износа.

Изложенный в диссертации материал в целом посвящен решению актуальных проблем физики твердого тела - познанию механизмов формирования структуры поверхности трения, сопровождающихся аномально высокими пластическими деформациями, катастрофическим характером разрушения слоев трения, неконтролируемыми процессами тепло- и массопереноса.

Работы по указанным проблемам являются составной частью плановых госбюджетных НИР, включенных в программу СО РАН по приоритетному направлению "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий" и программу Государственного научного центра "ИФПМ СО РАН" "Компьютерное конструирование и создание новых материалов для Сибирского региона" .

Основной целью данной работы является исследование структуры, физико-механических и трибологических свойств структурно-неоднородных материалов, а также разработка физического подхода, позволяющего проанализировать -природу формирования поверхностных слоев трения. Поскольку охватить в одной работе все п