Изменения структуры поверхности металлических материалов при трении с высокими нагрузками

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 макрои 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 поверхности [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 теплои 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 проанализироватьприроду формирования поверхностных слоев трения. Поскольку охватить в одной работе все проблемы, связанные с трением, не представляется возможным, основное внимание было обращено на изучение процессов, происходящих в поверхностных слоях материалов при высоких контактных нагрузках. Исследования проведены на конструкционных металлах и сплавах, применяемых в машиностроении для изготовления узлов трения.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние состава, структуры и физико-механических свойств гетерогенных (композиционных) материалов на триботехнические параметры — коэффициент трения, интенсивность изнашивания, температуру в зоне трения и несущую способность.

2. Изучить структуру и закономерности деформирования поверхностных слоев трения металлов и сплавов в условиях критических нагрузок, сопровождающихся схватыванием поверхностей.

3. Провести физический анализ механизмов формирования поверхностных слоев трения. Сформулировать критерии устойчивости материала при фрикционном взаимодействии и выработать рекомендации по конструированию материалов для высоконагруженных узлов трения.

4. Изучить особенности трения и разрушения твердых боридных покрытий, полученных диффузионным насыщением поверхности металла бором.

5. На основе разработанных представлений о поведении материалов при трении сконструировать и исследовать трибологические свойства композиционных материалов мат-рично-наполненного и каркасного типов. Опробовать полученные материалы в узлах трения в производственных условиях.

Научная новизна. Впервые проведены систематические исследования физико-механических и триботехнических свойств композиционных материалов (КМ) ТлС-Ме с большим содержанием меди и сталей аустенитного и ферритного классов в различных структурных состояниях, позволившие установить общие закономерности формирования структуры поверхностного слоя при трении с высокими нагрузками.

Проведены расчеты теплопроводности и анализ тепло-отвода из зоны трения композиционных материалов, которые показали однозначную связь между характером разрушения поверхностых слоев и теплофизическими характеристиками КМ в тех случаях, когда режимы трения являются экстремальными.

Экспериментально обнаружены периодические структуры на поверхности скольжения, предшествующие разрушению, возникновение которых объясняется в работе возбуждением упругих волн.

Предложена концепция образования поверхностных слоев трения как результата многократного ударного теплового и механического воздействий, что приводит к распространению вглубь механического и теплового возбуждения. Динамические воздействия при трении обусловлены автоколебаниями или стохастическими взаимодействиями сопряженных поверхностей в пятнах контактов.

Исследована взаимосвязь между условиями внешнего трения, составом и структурой композиционных антифрикционных материалов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), установлено преимущество КМ с макрогетерогенной структурой перед микрогетерогенными КМ и однородными металлическими сплавами, обусловленное эффектом самосмазывания и характером распределения нагрузки в сопряжении.

Проведены исследования износостойкости боридных покрытий в высоконагруженных парах трения, установлена взаимосвязь между характером изнашивания, структурой, фазовым составом и трещиностойкостью данных слоев. Предложен новый состав для борирования сталей, позволяющий оптимизировать структуру и свойства боридных слоев.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается соответствием установленных закономерностей данным, полученным другими авторами, а также совпадением результатов расчетов с экспериментом.

Научная и практическая значимость работы состоит, во-первых, в том, что полученные результаты и установленные закономерности дают новые, более глубокие представления о физической природе процессов и механизмах формирования слоев трения.

Во-вторых, предложенная модель описания тепловых и механических осциллирующих возбуждений поверхности трения позволяет прогнозировать поведение материалов при контактировании и анализировать роль внешних и внутренних параметров на процесс трения.

В-третьих, результаты работы могут быть непосредственно использованы при разработке новых конструкционных триботехнических материалов и способов, упрочняющей обработки поверхности изделий из металлических сплавов с целью повышения износостойкости и снижения потерь на трение.

Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установленные закономерности образования деформированной структуры поверхностного слоя металлических материалов при трении с критическими нагрузками, теплопроводность, прочностные и триботех-нические свойства композиционных материалов.

2. Совокупность экспериментальных данных по влиянию структуры, фазового состава и физико-механических свойств структурно-неоднородных материалов на закономерности изнашивания и разрушения при трении.

3. Обоснование причин формирования слоя трения, полученное на основе динамических представлений, в которой рассматриваются осциллирующие тепловые и механические воздействия, затухающие в поверхностном слое.

4. Структурные критерии выбора антифрикционных материалов и твердых износостойких покрытий для высокона-груженных узлов трения, обусловливающие снижение потерь на трение и повышение работоспособности трибосопряже-ний.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» (Николаев, 1988 г.), Региональной научно-технической конференции «Порошковые материалы и плазменные покрытия» (Барнаул, 1988, 1990гг.), Всесоюзном семинаре «Физико-технические проблемы поверхности металлов» (Горький, 1990 г.), Научно-технической конференции «Структурная самоорганизация и оптимизация три-ботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов» (Киев, 1990 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Износостойкость машин» (Брянск, 1991 г.), 4-й Европейской конференции Восток-Запад «EMRS 1993 FALL MEETINGS» (С.-Петербург, 1993 г.), Международном семинаре «Триболог-lOM-SLAVYANTRIBO-l. Анализ и рациональное использование трибообъектов» (Рыбинск, 1993), 4-м Международном трибологическом симпозиуме «INSYCONT' 94» (Польша, Краков, 1994 г.), Международном научно-практическом симпозиуме «SLAVYANTRTBO-3. Трибология и транспорт» (Рыбинск, 1995 г.), 2-й международной конференции «Износостойкие поверхностные слои» (Чехия, Прага, 1995 г.), 4-й Международной конференции «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий» (Томск, 1995 г.), Международном научно-методическом семинаре «Железнодорожные колесные пары» (Польша, Катовице, 1995 г.), 4-й Югославской конференции по трибологии (Герцег Нови, 1996 г.), 10-м Международном коллоквиуме «Трибология — решение проблем трения и износа» (Германия, Эслинген, 1996 г.), Международной конференции «Трение, износ и смазка» (Германия, Геттинген, 1996) .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ в научных журналах и сборниках.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлены закономерности структурных изменений поверхностных слоев в условиях граничного трения при нагрузках, близких к предельным уровням несущей способности материалов. Показано, что при схватывании поверхностей образуется слой трения с ультрадисперсной фрагментированной структурой, толщина которого составляет 20 -г 4 0 мкм и не зависит от исходного состояния материала и способа предварительной термической обработки. Размер фрагментов 0,01 -4−0,1 мкм соответствует предельно возможному деформированному состоянию.

2. Установлено, что поведение сформированного слоя трения проявляется двояко. В одном случае наблюдается развитие трещин в пределах фрагментированного слоя и отслаивание частиц износа, размер которых коррелирует с толщиной данного слоя. В другом — в результате течения фрагментированного слоя материала с низким пределом текучести (медь, сплав ЗбНХТЮ) — снижается интенсивность изнашивания, определяемая по потере массы, причем пластифицированный металл частично выдавливается из зоны трения, оставаясь на образце.

3. Показано, что природа образования поверхностного слоя трения, толщина которого одинакова для совершенно разных материалов, обусловлена локализацией внешнего напряжения и температуры, вследствие затухания динамических возбуждений, которые возникают либо в результате адгезионного, либо стохастического взаимодействия микронеоднородностей сопряженных поверхностей при трении .

4. Показано, что в результате динамического воздействия в слоистых материалах может возникать упругая поверхностная волна, амплитуда которой неограниченно растет при падающей зависимости коэффициента трения от скорости. Экспоненциальный рост амплитуды за короткий промежуток времени способен вызвать напряжения достаточные для образования трещин.

5. При рассмотрении возможных причин формирования фрагментированной структуры установлено, что характерный размер фрагментов, который является предельным при данных условиях трения, связан с достижением дислокационной плотностью критического значения, выше которого силы междислокационного взаимодействия превышают силы внутреннего трения. Дислокационная субструктура определяется минимумом энергии дислокационного ансамбля и поэтому не зависит от его предыстории.

6. На примере упрочнения поверхностных слоев методом диффузионного борирования показано, что для стабилизации параметров трения в условиях интенсивных тепловых и механическихвоздействий достаточно упрочнить поверхность на глубину, превышающую 30 -г 4 0 мкм. Причем однофазные боридные слои Ге2 В с ярко выраженной зубчатой структурой являются наиболее износостойкими и обладают высокой трещиностойкостью. Возможность относительного смещения кристаллов боридов, а также рассеяние упругой энергии на неоднородностях структуры не приводят к катастрофическому растрескиванию твердого слоя.

7. Определены закономерности изнашивания композиционных материалов, содержащих в качестве твердой износостойкой составляющей карбид титана. При трении с низкими нагрузками износостойкость определяется в основном адгезионным взаимодействием между твердыми частицами и металлом-связкой. В этом случае износ связан с выкрашиванием частиц карбида титана. Высокое давление при трении вызывает значительное выделение тепла, что приводит к растворению карбида титана. В процесс изнашивания вовлекаются другие механизмы — усталостный и адгезионный, которые контролируются скоростью образования поверхностного слоя.

8. При анализе распределения температуры в КМ установлено, что улучшение смачиваемости между твердыми частицами и связующим металлом приводит к возрастанию теплопроводности композиции, которая является одной из важнейших характеристик антифрикционных материалов. Причем для макрогетерогенных материалов идеальным будет случай, когда они изготовлены из компонентов, имеющих близкие коэффициенты теплопроводности. Для микрогетерогенных — теплопроводность частиц наполнителя не имеет принципиального значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Из рассмотренного в диссертации материала видно, что процесс изнашивания чрезвычайно сложен и не может быть воспроизведен или описан во всей своей полноте. Поэтому, как отмечалось В. Д. Кузнецовым, необходимо расчленить проблему, чтобы в каждом случае доминирующей была какая-то, желательно одна, часть процесса [1]. Тогда возможно по деталям понять процесс трения и изнашивания в его сложном виде. В данной работе основное внимание было обращено на изучение структуры поверхностных слоев трения, которые формируются в результате высоких контактных нагрузок, сопровождающихся схватыванием сопряженных поверхностей. В этом случае вещество в контактной зоне находится в особом сильновозбужденном состоянии, которое не может быть достигнуто в обычных условиях объемного деформирования или нагрева. Несмотря на то, что подобных состояний стараются избегать при эксплуатации трибосопряжений, они возникают как флук-туационные явления, которые приводят к кратковременным отклонениям от стационарного режима трения. Кроме того, изучение поведения материалов в экстремальных условиях позволяет найти обоснованные способы расширения границ применимости пары трения либо за счет подбора соответствующих материалов, либо за счет эффективного поверхностного упрочнения.

Использование в качестве объекта исследований композиционных материалов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, дало нам возможность проследить роль основных факторов, которые ответственны за поведение материала в скользящем контакте при высоких нагрузках. К таким факторам, прежде всего, следует отнести упругое взаимодействие сопряженных поверхностей, обусловленое присутствием в металлической матрице высокомодульных частиц второй фазы. В области стационарного трения данные материалы ведут себя подобно гомогенным сплавам, с той лишь разницей, что изнашивание КМ происходит в виде отдельных элементарных процессов, включающих в себя микрорезание и царапание карбидными частицами. Наблюдается корреляция между твердостью КМ и степенью износа, которая, однако, значительно ниже, чем аналогичная характеристика литой стали со сравнимой твердостью. Многократное повторение процесса царапания приводит к выкрашиванию твердых частиц, а при низкой адгезионной прочности композиционных материалов, что характерно для композиций с большим содержанием меди, выкрашиваются значительные участки слоя трения. Следует отметить, что выкрашиванию способствуют высокие остаточные напряжения, которых нельзя избежать из-за способа получения композиций.

При высоких контактных нагрузках, если не происходит разрушения пары трения, на поверхности образуются трещины. Не исключая усталостного механизма образования данных трещин, в работе сделано предположение о динамической природе трещинообразования, на что указывает периодичность в их расположении. В дальнейшем, при рассмотрении распространения упругих поверхностных волн при трении, данная концепция обосновывается, исходя из феноменологических соображений. Показано, что наличие структуры (например, покрытий, фаз и других неоднород-ностей) вызывает пространственную дисперсию упругих волн, что при определенных условиях обусловливает генерацию поверхностных волн.

Введение

в рассмотрение зависимости силы трения от скорости приводит в некоторых случаях к возможности экспоненциального нарастания амплитуды волны со временем. Причем из-за высокой частоты колебаний временной интервал увеличения амплитуды чрезвычайно мал. В результате рост напряжения носит взрывной характер и может вызвать образование трещин в зоне трения или сформировать периодический рельеф, если поверхностный слой пластичен.

Другим фактором, определяющим поведение материала при скольжении, является температура в контактной зоне, которая, как хорошо известно, влияет на структуру и физико-механические свойства, способствует процессам диффузии и массопереноса. К существующим представлениям о роли температуры в процесах трения и изнашивания в диссертации добавлены новые, которые свидетельствуют о том, что в экстремальных условиях эксплуатации трибосо-пряжения тепловое возмущение проникает на некоторую глубину, равную ~ 20 — 4 0 мкм, что способствует формированию слоя трения со структурой, значительно отличающейся от основного материала. На примере композиционных материалов ТЮ — Ме показано, что изменение структуры обусловлено фазовым превращением, в данном случае растворением карбидов и образованием твердого раствора.

Исследование структуры поверхностных слоев сталей ЗбНХТЮ и 15НЗМА, образованных при трении с высокими нагрузками, подтвердило факт существования слоя трения. Зона трения имеет фрагментированную структуру, подобную структурам сильнодеформированных материалов, особенностью которой является отсутствие плавного перехода между слоями с разной степенью деформации. Фрагментация, сопровождающаяся разворотами отдельных составляющих структуры относительно друг друга, и независимость этой структуры от исходного состояния свидетельствуют о самоорганизации микроструктуры зоны трения, в формировании которой температура и пластическая деформация равноправны. Существование высокодисперсного фрагменти-рованного слоя и возможность перемещения фрагментов обусловливает не только триботехнические характеристики материала, но и механизм разрушения поверхности при высоких контактных нагрузках. Экспериментально установлено, что в пределах слоя трения локализуются трещины, способствующие отделению частиц материала, размер которых сравним с толщиной данного слоя. Причем в процесс изнашивания, кроме микрорезания и царапания, вовлекаются другие механизмы — усталостный и адгезионный, которые контролируются скоростью образования поверхностного слоя.

Изучение триботехнических характеристик сплава ЗбНХТЮ и меди выявило еще одну особенность, которая присуща металлам с низкой устойчивостью к сдвиговой пластической деформации. Эта особенность заключается в том, что уже при незначительных нагрузках в результате схватывания и образования сильнодеформированного слоя трения материал на поверхности начинает течь и увлекаться контртелом. Если при этом величина адгезионного взаимодействия меньше когезионного, то износ уменьшается. Материал в пятнах контактов пластически деформируется и перемещается за ползуном до тех пор, пока сопротивление деформированию, вызванное наклепом, не превысит силы сцепления поверхностей. Происходит разрыв в плоскости контакта без существенной потери металла, который частично выдавливается из зоны трения. Высвобожденные слои недеформированного материала вновь испытывают воздействия со стороны сопряженной поверхности, и процесс повторяется вновь. В результате на поверхности происходят периодические процессы, обусловленные накоплением деформации и течением слоя трения. При этом коэффициент трения может возрастать, поскольку появляется дополнительный вклад, определяемый вязкостью поверхностного слоя.' По оценкам, приведенным в работе, о она составляет ~ 10 Па-с и определяется зернограничным скольжением, обусловленным диффузией вакансий и атомов по границам элементов, составляющих фрагментированную структуру.

Таким образом, поведение скользящего контакта при трении с критическими нагрузками в значительной степени зависит не от исходного состояния материала, а от свойств поверхностного слоя, образованного в результате взаимодействия материалов.

Вопрос о причинах локализации внешнего напряжения и температуры, а также природа образования поверхностного слоя трения, толщина которого оказалась одинаковой для совершенно разных материалов, имеют принципиально важное значение прежде всего потому, что ответ на него может указать пути и способы управления фрикционным процессом и износом материалов. Необходимо подчеркнуть недостаточную разработанность механизмов пластической деформации и разрушения материалов при трении. Существующие представления об эволюции структуры слоя трения основаны, как правило, на дислокационных моделях. Результаты данной работы свидетельствуют о необходимости привлечения представлений мезомеханики [35,146,147,239, 240] для описания процессов трения и износа, поскольку локализация напряжений и деформаций, определяемая неоднородностью структуры поверхности, задает мезоско-пический масштаб пластической деформации. К сказанному нужно добавить, что релаксация напряжений в пятнах контактов вызывает появление поворотных мод пластической деформации, которые должны быть аномально высокими по сравнению с трансляционными. Это и влечет за собой высокую степень фрагментации слоя трения. Однако переменный характер взаимодействий в пятнах касания сопряженных поверхностей не позволяет пока экспериментально и теоретически проследить эволюцию мезои микроструктуры при трении. Поэтому мы ограничились установлением роли переменных тепловых и механических воздействий в процессах формирования структуры.

В работе показано, что динамическое воздействие, обусловленное либо стохастическим взаимодействием мик-ронеоднородностей поверхности, либо адгезионным взаимодействием, задает масштабный уровень на котором происходят процессы деформации и разрушения. При размере образца в лабораторных условиях ~ 1 см частота автоколебаний будет составлять десятки килогерц, что действительно совпадает с частотой акустической эмиссии при трении. В результате повторяющихся ударов по поверхности в глубь среды распространяются волна механических напряжений и тепловая волна, обусловленная температурными вспышками в пятнах контактов. Таким образом, процесс трения не является стационарным, однако нестационарность эта носит фактически мезоскопический характер. Поскольку в настоящее время нет разработанной теории учета случайно распределенных по поверхности трения концентраторов напряжений, к тому же имеющих малое время существования, мы упростили задачу, рассмотрев случай, когда поверхность трения представляет собой одно пятно контакта. Поэтому в работе процессы распространения теплового и механического возмущений не учитывают влияния неоднородностей.

Динамика температурного поля в данном случае характеризуется уравнением температуропроводности Т = а-АТ, решение которого представляет из себя затухающую волну.

Величина, обратная мнимой части волнового вектора, определяет глубину, на которой амплитудное значение температуры уменьшается в е раз — 1 т —. Подставляя известные значения коэффициента температуропроводности и частоты, найдем толщину «температурного поверхностного слоя» — 1 т «20 мкм, что совпадает с экспериментально наблюдаемым слоем трения. При этом на поверхности температурные вспышки, по самым скромным подсчетам, будут иметь величины АТ ~ 102 ч- 103 К. Такое циклическое темтеплового возмущения с волновым вектором.

2а.

00 пературное воздействие достаточно для интенсификации значительно превосходить 100%.

При рассмотрении механического воздействия на поверхность трения исходили из того, что напряжения на микроконтактах превосходят приложенные примерно на 2 -3 порядка. При таких высоких напряжениях поверхностный слой ведет себя как вязкая жидкость с некоторым эффективным коэффициентом динамической вязкости, которая движется между параллельными твердыми пластинами. Решением уравнения течения поверхностного слоя так же, как и в предыдущем случае, является затухающая волна. Причем глубина, на которой затухает механическое возглубину проникновения возмущения из этого соотношения не представляется возможным из-за отсутствия данных о параметре г|. Однако из косвенных соображений, основанных на представлениях Р. Кобле [131] о высокотемпературной ползучести, следует что «толщина слоя течения», обусловленного механическим воздействием, имеет тот же порядок, что и при тепловом воздействии.

Равноправность температуры и напряжения при трении, которая следует из подобия решений уравнений распространения теплового и механического возмущений, не позволяет отдать предпочтение одному из этих факторов в формировании локализованного сильнодеформированного слоя трения. По-видимому, природа образования данного слоя определяется действием как тепловых, так и мехапластической деформации, величина которой может буждение, определяется выражением 1 и.

Определить нических переменных воздействий. Следует подчеркнуть, что эти воздействия определяют лишь область интенсивного динамического влияния, тогда как механизм формирования фрагментированной микроструктуры зависит от движения и взаимодействия структурных дефектов — дислокаций.

Размер фрагментов является минимальным при данных условиях трения и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии. Он имеет принципиальное значение для определения механизмов деформации и разрушения. Так, например, при повышенных температурах в слоях с субмикронными фрагментами, особенно при значительных углах разориентировки, возможно инициирование нового канала пластичности, а именно, диффузионно-контролируемых процессов зернограничного скольжения, что, по-видимому, действительно имеет место в поверхностных слоях. Обоснованный выбор размера фрагментов имеет также важное значение для компьютерного моделирования материалов методом клеточных автоматов, являющимся одним из наиболее перспективных методов проектирования материалов с заданными свойствами [241].

Из анализа динамической модели формирования поверхностных слоев трения, предложенной в работе, вытекают преимущества гетерогенных материалов и покрытий, в которых переменные тепловые и механические возмущения затухают более эффективно, чем в гомогенных. Кроме того, гетерогенные материалы сочетают в себе комплекс свойств, которые обеспечивают высокие физико-механические, теплофизические и триботехнические характеристики. В диссертации приводятся результаты исследований указанных свойств гетерофазных модельных композиционных материалов ТлС-Ме, содержащих компоненты с высокими модулями упругости, прочности, пластичности и теплопроводности. Данные материалы, полученные методом СВС, имеют мелкодисперсную структуру, что позволяет отнести их к микрогетерогенным КМ. Показано, что в условиях. высоких нагружений с ограниченным теплоотводом из зоны трения важнейшими показателями устойчивой работы КМ становятся теплопроводность материалов и отсутствие химической и адгезионной активности между компонентами трибосопряжения. Последний показатель очень важен для уменьшения взаимодействия между элементами трибосопряжения, однако отрицательно сказывается на свойствах композиции, поскольку снижает связь между компонентами. Прежде всего это касается прочностных свойств материалов, например, КМ ТЮ-Ме, содержащие большое количество меди, не выдерживая жестких условий эксплуатации, интенсивно изнашиваются в результате выкрашивания больших участков поверхности трения. Кроме того, плохое химическое взаимодействие между карбидом титана и металлом-связкой вызывает расслоение между компонентами, что, как показано в работе, приводит к снижению теплопроводности КМ. Улучшение смачиваемости между карбидом титана и связующим металлом даже тогда, когда этот металл имеет меньшую теплопроводность, приводит к возрастанию теплопроводности композиции.

Наибольшие преимущества с точки зрения восприятия нагрузки и реализации механизма самосмазывания, как показано в работе, имеют макрогетерогенные композиционные материалы. В зависимости от условий внешнего трения в таких материалах на участках твердой составляющей, по-видимому, формируются экранирующие пленки из пластичного материала, образованные либо за счет разницы коэффициентов термического расширения антифрикционной и твердой составляющих при нагреве пары трения, либо в результате механического намазывания. Нагрузка в макро-гетерогенных композитах перераспределяется, причем на твердые участки приходится большее контурное давление, чем на области, состоящие из антифрикционного материала, что уменьшает вероятность разрушения КМ. Отсюда вытекает предпочтительность конструирования композиционных антифрикционных материалов с гетерогенной структурой, с размерами участков твердой составляющей, сравнимыми с размерами пятна контакта, без учета его микрорельефа .

Из анализа • распределения температуры вблизи макрочастицы, следует, что отвод тепла из зоны трения более эффективен для КМ, изготовленных из компонентов, имеющих близкие коэффициенты теплопроводности и идеальный тепловой контакт. Последнее реализуется при хорошей смачиваемости частиц наполнителя связующим материалом. При равенстве теплопроводностей компонентов композиции размер включений не влияет на распределение температуры, а определяется из соображений достижения высоких прочностных характеристик. При уменьшении размера твердых включений до микроскопических величин, теплопроводность их не имеет принципиального значения.

Примером успешной реализации положительных качеств макрогетерогенных КМ являются спеченные материалы каркасного типа, рассмотренные в работе, которые отличаются более высокими прочностными характеристиками. Присутствие графита в таких материалах обеспечивает эффективное смазывающие действие. Наличие регулируемой пористости позволяет успешно применять жидкие смазывающие вещества, которые заполняют поры и, по мере изнашивания металла, выдавливаются на поверхность сопряжения. Кроме того, для применения в высоконагруженных узлах трения спеченные сплавы могут пропитываться легкоплавкими металлами, обладающими хорошими антифрикционными свойствами. В диссертации показано, что в этом случае существенно уменьшается коэффициент трения и возрастает твердость композиции, которая положительно влияет на несущую способность.

В соответствии с рекомендациями, которые получены в работе, нами разработана технология и технические условия (ТУ 3184−001−1 538 612−95) для производства втулок шарнирного соединения тормозной рычажной передачи ж/д вагонов из железного порошка, изготовленного переработкой и восстановлением шлифовальных шламовых отходов ме-таллообрабатки. В результате опытно-промышленной эксплуатации, которая подтвердила хорошие антифрикционные свойства данных втулок, Министерством путей сообщений РФ было рекомендовано освоить выпуск этих изделий.

Как уже отмечалось, изнашивание материалов при критических нагрузках определяется превалирующим разрушением поверхностного слоя, который образуется при динамических взаимодействиях в зоне трения. С учетом того, что глубина проникновения возмущений небольшая, добиться повышения износостойкости можно за счет нанесения на поверхность твердого износостойкого покрытия. Нами было опробовано и предложено диффузионное борирование стали для применения в высоконагруженных узлах трения. Изучение структуры и трещиностойкости боридных слоев показало, что для обеспечения хороших триботехнических свойств, необходимо добиться получения однофазных боридных слоев Ге2 В с ярко выраженной зубчатой структурой. Причем промежутки между «зубьями» должны быть заполнены цементитом Без (В, С) для создания наиболее благоприятного распределения упругих напряжений. Такие боридные слои характеризуются высокой трещиностойкостью вследствие дискретного строения слоя. Относительное смещение кристаллов боридов при нагружении путем деформирования материала переходной зоны, а также рассеяние упругой энергии на неоднородностях структуры, не приводят к катастрофическому растрескиванию твердого слоя. Кроме того, отсутствие сплошного слоя боридов исключает возможность скалывания больших фрагментов поверхности.

Предложенный способ борирования прошел промышленное опробование при изготовлении буровых шарошечных долот в ПО «Куйбышевбурмаш». Борированные опоры скольжения долот показали более высокую стойкость при бурении в сравнении с серийными [18 9].