Раздел 2
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
2.1. Теоретические предпосылки создания исходного структурного состояния высокохромистого чугуна, обеспечивающего формирование в конкретных условиях эксплуатации высокого сопротивления разрушению
Основным вопросом триботехники является механизм разрушения приповерхностных слоев в процессе фрикционного взаимодействия. Сложность проблемы состоит в том, что ее эффективное решение требует понимания с одной стороны сути процессов, происходящих в приповерхностном слое металла при воздействии абразива. С другой стороны, необходима разработка методов управления структурой приповерхностных слоев, позволяющих противостоять разрушению. Независимо от механизма изнашивания поверхностное /или подверхностное/ разрушение, как правило, начинается в местах концентрации напряжений.
Следовательно, факторы, обуславливающие износостойкость должны обеспечивать деконцентрацию контактных напряжений, поверхностную локализацию и однородность деформации. Износостойкость тесно связана с релаксационными свойствами материала, подверженного абразивному воздействию, обеспечивающими повышенную работоспособность микро объемов. Релаксация напряжений контролируется структурными микро механизмами и связана напрямую с диссипацией энергии передаваемой абразивными частицами.
Расчеты, выполненные с использованием термодинамических характеристик, дали возможность установить предельную величину энергии, которая необходима для преодоления сил межатомной связи ряда соединений, которые являются упрочняющей фазой [48]. Наиболее энергоемкой является карбидная группа. Способность поглощать энергию при механическом нагружении в большей мере обладают карбиды и бориды с ГЦК - и ГП - решеткой - типа ТаС, TiC, WC, NbВ2 и TiB2. Им уступают карбиды кремния и бора и все нитриды. Меньшей энергоемкостью обладают карбиды цементитного типа. Наименее энергоемкими являются карбиды хрома. У карбидов типа Cr7C3 энергоемкость составляет 70% от энергоемкости Fe3C, а для карбидов Cr23C6 - только 12%. В то же время микротвердость карбидов хрома /1620 - 2200кг/мм2/ превышает в два раза микротвердость цементита /800кг/мм2/. Сравнительные испытания нелегированных белых чугунов и чугунов, содержащих до 15% хрома по мере увеличения количества карбидной фазы, показали, что износостойкость чугунов с карбидами железа выше. Следовательно, между износостойкостью и энергией разрушения наблюдается большая корреляция, чем между износостойкостью и микротвердостью [48].
Учитывая особенности микроударного характера воздействия абразивных частиц и незначительную глубину изнашиваемых слоев /при гидропесчаной смеси и средних скоростях потока не превышающую 8-12 мкм/, структура должна быть однородной с равномерным распределением дисперсной упрочняющей фазы. Износостойкость не повышается, когда частицы упрочняющей фазы соизмеримы с толщиной отделяющихся продуктов износа [56]. Увеличение сопротивляемости изнашиванию сплавов по мере увеличения содержания хрома с 7 до 15%, очевидно, происходит не столько из-за повышения микротвердости карбидов, сколько вследствие изменения свойств матрицы [50]. Хром, находясь в твердом растворе, увеличивает чувствительность металла к превращениям при деформации и, тем самым, его энергоемкость. Замена более энергоемких карбидов железа на карбиды хрома компенсируется влиянием хрома на матрицу.
Разрушение металла при абразивном воздействии наступает, когда в локальных объемах основы или во включениях упрочняющей фазы накопленная энергия достигает предельного значения. При этом происходит разрыв межатомных связей и образование новых поверхностей. Уровень энергии накопленной в кристаллической решетке матрицы определяется количеством и характером распределения дислокаций. Поэтому роль упрочняющей фазы во влиянии на напряженное состояние и, соответственно, на равномерное распределение плотности дислокаций в матрице сплава весьма существенны. Упрочняющая фаза должна способствовать более равномерному распределению плотности дислокаций и увеличивать, таким образом, энергоемкость металла.
С физической точки зрения современная концепция системы абразив -металл основывается на представлениях фундаментальной физики неравновесных /открытых/ систем [99,100]. Изнашивание рассматривается с позиции теории самоорганизации и теории необратимых процессов. Основанием для подобного рассмотрения может служить явление структурной приспосабливаемости [101] заключающееся в том, что при его реализации происходит масштабный скачок и взаимодействия абразив - металл и среда - металл локализуются в тонких слоях вторичных структур /ВС/. Эти структуры образуются на исходных поверхностях металла вследствие их структурной перестройки и взаимодействия со средой. Материал переходит в новое структурно-неусточивое состояние.
С точки зрения термодинамики такой структурный переход вызван невозможностью другим способом диссипировать поступающую энергию. Именно энергетическое воздействие на рабочую поверхность металла определяет структурные изменения и его разрушение. Физический смысл указанных процессов накопления и рассеивания энергии заключается в образовании избыточных дефектов структуры, имеющих различную энергоемкость - дислокации, вакансии, границы раздела. Процессы поглощения энергии и ее диссипации находятся в тесной взаимосвязи [51]. Одним из следствий образования избыточных дефектов структуры и протекания необратимых процессов при воздействии абразива является разрыхление структуры поверхностного слоя. При достижении некоторой критической плотности дефектов дальнейшая деформация становится невозможной, и поглощение энергии осуществляется за счет формирования новых поверхностей раздела. При этом уровень напряжений начинает превышать предел текучести и в процессы поглощения энергии включаются механизмы однократного разрушения. Прошедшая релаксация напряжений в данном конкретном микрообъеме, естественно, изменяет его дислокационную насыщенность и дал