2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
1. ОС1ЮВ11ЫЕ ЗАК01ЮМЕР1ЮСТИ ТРЕ1 ГИЯ И И311АШИВА11ИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.......................................12
1Л. Структура поверхностных слоев при трении......................12
1.2. Основные механизмы изнашивания и виды износа.................40
1.3. Морфология поверхностей трения...............................50
1.4. Классификация частиц изнашивания.............................53
2. И0101АЯ ИМПЛА11ТАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МИШЕ1ГИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ 59
2.1. Применение ионных пучков для модификации физико-механических свойств металлов..............................................59
2.2. Виды ионной имплантации......................................63
2.3. Взаимодействие ускоренных ионов с твердым телом..............66
2.4. Структурно-фазовые изменения в мишени при ионной имплантации 74
2.5. Повышение износостойкости металлов и сплавов методом ионной . имплантации...................................................84
3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКИ
ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................91
3.1. Постановка задач.............................................91
3.2. Материалы исследований и подготовка образцов.................95
3.3. Методики экспериментальных исследований......................96
3.3.1. Ионная обработка...........................................96
3.3.2. Триботсхничсскис испытания.................................98
3.3.3. Исследования развития пластической деформации при трении на мезоуровне...................................................102
3.3.4. Исследование микроструктуры...............................112
3.3.5. Измерение концентрационных профилей.......................115
3.3.6. Определение фазового состава..............................115
3
3.3.7. Измерение микротвердости.................................116
3.3.8. Измерение морфологии поверхностей трения.................116
3.3.9. Исследование морфологии частиц износа....................117
4. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОДОЗОВОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ МОЛИБДЕНА
НА ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ МИКРО- И МЕЗОСТРУКТУР В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ СТАЛИ 45 ПРИ TPEI СИИ..............118
4.1. Формирование градиентной структуры в приповерхностных ионно-имплантированных слоях стали 45 и ее влияние на трение и износ.118
4.1.1. Структурно-фазовое состояние стали 45...................118
4.1.2. Формирование градиентной микроструктуры при ионной имплантации
стали 45.................................................125
4.1.3. Влияние ионной имплантации на кривые износа стали 45.....145
4.2. Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных
слоях неимплантированной и ионно-имплантированной стали 45 в процессе трения..........................................148
4.2.1. Формирование градиентных микро- и мезоструктур в приповерхностных
слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения на стадии приработки................................................150
4.2.2. Развитие пластической деформации при трении и формирование микро- и
мезоструктур в приповерхностных слоях ионно- имплантированной стали 45..................................................159
5. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОДОЗОВОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ МОЛИБДЕНА
НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ МИКРО- И МЕЗОСТРУКТУР В ПРИПОВЕРХ1ЮСТ11ЫХ СЛОЯХ СТАЛИ 45 ПРИ
TPEI (ИИ И ФОРМИРОВАНИЕ ЧАСТИЦ ИЗ! ЮСА......................169
5.1. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 в процессе трения.............169
4
5.2. Формирование частиц износа и разрушение градиентной микро- и мезоструктуры в приповерхностных слоях неимплантированной стали 45 при трении....................................................174
5.3. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях ионно-имплантированной стали 45 в процессе трения.......185
5.4. Формирование частиц износа и разрушение приповерхностного слоя ионно-имплантированной стали 45 при трении....................192
5.5. Основные закономерности формирования структуры в приповерхностных слоях стали 45 при трении и механизмы изнашивания.............198
6. ВЛИЯНИЕ ВЫСОИНТЕНСИВНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ АЗОТА НА ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ СТРУКТУР В ПРИПОВЕРХ1IOCTI1ЫХ СЛОЯХ СТАЛИ 40Х В ПРОЦЕССЕ TPEI 1ИЯ...206
6.1. Микроструктура, фазовый состав и микротвердость имплантированных ионами азота приповерхностных слоев стали 40Х.................206
6.2. Влияние высоинтенсивной ионной имплантации на кривые износа
стали 40Х.....................................................210
6.3. Эволюция пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных слоях стали 40Х в процессе трения.............................212
6.4. Основные закономерности формирования структуры в приповерхностных слоях стали 40Х при трении и закономерности
изнашивания...................................................217
ВЫВОДЫ............................................................223
ЛИТЕРАТУРА........................................................225
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий об эффективном использовании различных видов ионной имплантации для повышения износостойкости изделий различного назначения [1-11]. При оптимизации технологических режимов ионной обработки, а также при разработке новых технологий, необходим анализ реальных условий работы изделий, находящихся в трибоконтактах, и причин выхода их из строя. В связи с этим, исследование механизмов изнашивания, а также путей повышения износостойкости различных деталей, является актуальной задачей.
Большое разнообразие сложных процессов в трибоконтактах затрудняет построение единого подхода к описанию изнашивания тел. Поэтому, как правило, исследователи ограничиваются общей классификацией механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением отдельных механизмов и т.д., не выявляя общих закономерностей разрушения поверхности при трении. Несмотря на многочисленные работы, опубликованные по трению и износу [12-22], до сих пор в полной мере нет необходимых знаний для создания долговечных и надежных узлов трения.
В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения, которые изменялись по мере углубления взглядов о природе твердых тел. Так, в эпоху развития механики абсолютно жестких тел развивались геометрические теории (17-18 век), в эпоху развития молекулярной физики - молекулярные теории (18-нач.20 века), а в эпоху разработки теории упругости - механические теории (19-нач.20 век.) [23]. На смену им пришла более универсальная молекулярно- механическая теория, выдвинутая практически одновременно русским ученым И.В. Крагельским [23-27] и английскими учеными Ф. Боуденом и Д. Тейбором [28-31]. Впервые И.В. Крагельским была предложена концепция «третьего тела», основанная на представлении, что при трении между контактирующими телами формируется
6
пленка с новыми свойствами, которые и определяют фрикционные характеристики пары трения. Появление концепции «третьего тела» и молекулярно-механической теории связано с новым этапом двадцатипятивековой истории развития трибологического анализа.
Па формирование теорий трения повлияло открытие эффекта избирательного переноса или «эффекта безызносности» при трении [12-14, 32, 33], который заключается в образовании пластичной пленки, реализующей малое сопротивление сдвигу в результате трибохимических реакций, приводящих к изменению структур и состава поверхностных слоев. В середине 50-х гг. при исследовании технического состояния самолета ИЛ-28 на разных этапах эксплуатации Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский обнаружили явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на трущихся поверхностях деталей тяжелонагруженных пар трения сталь-бронза, смазываемых спиртоглицериновой смесью. Пленка меди, толщиной 1...2мкм, резко снижала интенсивность изнашивания поверхностей и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.
Таким образом, открытие «эффекта безызносности» вызвало новый толчок многочисленным исследованиям физико-химических явлений в зоне трения, в частности, исследованиям структуры поверхностного слоя. Исследование структурных изменений в поверхностных слоях фрикционного контакта стало возможным с развитием методов анализа поверхности (рентгеноструктурный анализ, растровая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и т.д.). Исследование структуры и строения поверхностных слоев металла при трении стало одной их основных проблем современного трибоанализа. В этой области хорошо известны работы Л.М. Рыбаковой [33-40], Л.И. Куксеновой [33, 38, 39], Д. Ригни [40-44], Р. Хэльмана [43, 44], И.И. Гарбара [45-50], В.Ф. Пинчука [51-54] и др.
Развитие термодинамики неравновесных процессов, информативной механики, а также синергетики позволило по-новому взглянуть на эффект
7
избирательного переноса при трении. В 70-х г. Б.И. Костецким и Л.И. Бершадским с коллегами была создана теория структурно-энергетической приспосабливаемости материалов при трении [55-63]. Согласно данной теории трибологическая система самопроизвольно адаптируется к действию внешних факторов. Для описания природы трения используются такие понятия как саморегулирование, адаптивность, самоорганизация трибосистем и т.д., а также вводятся понятия диссипативной структуры и принципа диссипативной гетерогенности. Для определения состояния трансформированного поверхностного слоя материала в узле трения была использована концепция вторичных структур. Однако, данный подход потребовал изменения трибологических концепций и классификаций и первоначально был воспринят учеными-трибологами критически [62, 63]. Впоследствии теория структурно -энергетической приспосабливаемости трансформировалось в новое научное направление, базирующие на энергетическом подходе. В данной области хорошо известны работы A.A. Полякова [64-66], H.A. Буше [67-71], Г. ГТольцсра [72, 73], Г. Фляйшсра [74], И. С. Гершмана [75] и других.
В 80-х годах получил развитие новый подход к описанию процессов пластической деформации и разрушения твердых тел на основе представлений о структурных уровнях пластической деформации [76-78], который нашел свое отражение в соответствующих теориях трения. В. И. Владимиров [79] пытался поставить основные вопросы теории трения в свете последних достижений физики дефектов и термодинамики неравновесных процессов, а именно, объединить принципы самоорганизации диссипативных структур при трении и ротационные процессы, фрагментированные структуры и дисклинации, многомасштабность дефектов и процессов пластической деформации и разрушения. Впервые процессы трения и изнашивания твердых тел рассматривались карт" взаимосвязанные многостадийные процессы, развивающиеся на различных масштабных уровнях в работах П. М. Алексеева
[80-83]. В настоящее время концепция структурных уровней нашла свое отражение в новом научном направлении «физическая мезомеханика материалов» [84-88]. Физическая мезомеханика описывает нагруженное твердое тело как иерархическую систему, в которой процессы деформации и разрушения развиваются самосогласованно на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях [84].
Па микромасштабном уровне пластическая деформация твердого тела осуществляется зарождением и движением дислокаций с формированием дислокационных субструктур [89]. Одним из основных методов исследования деформации на микроуровне является просвечивающая электронная микроскопия. В ходе деформации плотность дислокаций в образце возрастает, и при некоторой ее критической плотности происходят структурные перестроения в зонах значительной протяженности, формируя фрагментированную структуру [90]. Па этом этапе пластическое течение осуществляется по схеме «сдвиг+поворот» [84]. Этот масштабный уровень классифицируется как мезоуровень [84]. Оптическая микроскопия, растровая микроскопия и специальные методы, например, оптико-телевизионная измерительная система ТОМ5С[91], могут эффективно использоваться для изучения деформации на мезомасштабном уровне. Отметим, что на мезомасштабном уровне информация о деформации и разрушении в условиях трения и износа может также быть получена при исследовании морфологии поверхностей трения и частиц износа. Анализ кривых течения, кривых износа и т.д. позволяет получать информацию о пластической деформации образца как единого целого. Это соответствует макромасштабному уровню.
Целью работы являлось комплексное сравнительное экспериментальное исследование закономерностей развития пластической деформации и разрушения на микро- и мезомасштабных уровнях при трении сталей различной прочности с ионно-модифицированным поверхностным слоем.
9
Для реализации указанной цели в работе решались следующие экспериментальные задачи:
1. Изучение влияния ионной имплантации (высокоинтенсивная и высокодозовая ионная имплантация) на интенсивность изнашивания стали 45 в феррито-перлитном состоянии и стали 40Х в мартенситном состоянии.
2. Экспериментальное исследование структурно-фазового состояния и элементного состава поверхностных слоев ионно-имплантированных сталей 45 и 40Х.
3. Сравнительное исследование структурно-фазового состояния и элементного состава, формирующегося в приповерхностных слоях неимплантированных и имплантированных сталей 45 и 40Х в процессе трения.
4. Исследование эволюции пластической деформации на мезомасштабном уровне в приповерхностных слоях неимплантированных и имплантированных сталей 45 и 40Х в процессе трения.
5. Исследование кинетики формирования частиц изнашивания и их морфологии; исследование морфологии поверхностей трения.
При решении поставленных задач были использованы современные методы структурных исследований (просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, Оже-электронная спектроскопия), различные методы механических испытаний (измерение микротвердости, испытания на износ). Для исследования характера развития пластической деформации на мезоуровне в приповерхностных при трении была разработана и впервые применена специальная методика с использованием оптико-телевизионного комплекса "ТОМ8С" на базе оптического микроскопа "ЕРКЗиАЫТ".
10
На защиту выносятся следующие положения:
1. При трении на стадии приработки в стали 45 с фсррито-перлитной структурой происходит фрагментация материала на микро- и мезомасштабных уровнях, формируя в приповерхностном слое градиентные микро- и мезоструктуры. Подобная градиентная модифицированная микроструктура формируется в поверхностном слое при ионной имплантации, что, в конечном итоге, обеспечивает существенное сокращение стадии приработки в случае ионно-имплантированных образцов.
2. Пластическая деформация в приповерхностных слоях стали 45 с ферритоперлитной структурой при трении на стадии установившегося изнашивания имеет "вихреподобный" характер, определяющий образование частиц износа и разрушение приповерхностного слоя. Целенаправленно сформированная высокодозовой ионной имплантацией градиентная модифицированная структура приводит к локализации пластической деформации в тонком поверхностном слое, что существенно затрудняет развитие "вихреподобных" структур деформации, следствием чего является повышение износостойкости.
3. Необходимым условием включения "вихреподобного" характера мезоструктуры в условиях трения металлических материалов является относительно высокая пластичность материала (сталь 45 с ферритоперлитной структурой). Формирование поверхностного упрочненного слоя толщиной в десятки микрометров при переходе от высокодозовой ионной имплантации стали 45 к высокоинтенсивной ионной имплантации стали 40Х подавляет "вихреподобный" характер развития пластической деформации и снижает интенсивность изнашивания.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на
Всероссийских и Международных конференциях и семинарах: 4-ом
11
Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», г. Нижний Новгород, 1998 г.; 1-ой, 2-ой, 3-ей Всероссийских конференциях молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», г. Томск, 1998-2000 г.; 1-ой Всероссийской научной молодежной школе «Радиационная физика и химия неорганических материалов», г. Томск, 1999 г.; 5-ом Российско-китайском международном симпозиуме «Новые материалы и технологии», г. Байкальск, 1999 г.; 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов, г. Томск, 1999 г.; 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков, г. Томск, 2000 г.; 6-ой Международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии", г. Томск, 2000 г.; 1-ом международном конгрессе "Радиационная физика, Сильноточная электроника и Модификация материалов", г. Томск, 2000 г.; Международной школе "Мезомеханика: основы и применения", г. Томск, 2001 г.; 3-ей Международной конференции «Физика и промышленность», г. Голицино, Московская область, 2001 г.; 12-ой Международной конференции "Поверхностная модификация материалов ионными пучками", г. Марбург, Германия, 2001 г.; 6-ой Всероссийской (международной) конференции "Физикохимия Ультрадисперсных (нано-) систем", г. Томск, 2002 г.; Международном симпозиуме «О природе трения твердых тел», г. Гомель, Беларусь, 2002 г.; 6-ой Международной конференции "Модификация материалов ионными пучками и потоками плазмы", г. Томск, 2002 г.
По результатам диссертации опубликовано 25 работ, из них 6 статей в центральных российских и зарубежных журналах и 8 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 234 наименования. Диссертация содержит 248 страниц, в том числе 92 рисунка и 16 таблиц.
12
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
При изучении закономерностей трения и изнашивания металлических материалов основное внимание уделяется исследованию структуры, формирующейся в поверхностном слое при трении, морфологии поверхностей трения и частиц изнашивания. На основании анализа полученных данных рассматриваются механизмы изнашивания и виды износа. Рассмотрим литературные данные, касающиеся вышеуказанных вопросов.
1.1. Структура поверхностных слоев при трении
В настоящее время известно много работ, посвященных исследованию структуры поверхностных слоев, формирующихся при трении [33-54]. Так в работе [10] приведена достаточно подробная классификация моделей, относящихся к понятию «третьего тела». Классификация выполнена А. В. Белым и соавторами и приведена в таблице 1.1. Ниже будут рассмотрены некоторые работы, которые по нашему мнению, наиболее ярко отражают основные направления исследования поверхностных слоев при трении.
Первыми работами, в которых было обращено внимание на структурные превращения при фрикционном контакте, можно считать исследования Бэйль-би, обнаружившего существование трансформированной структуры на поверхности полированного металла [10].
Как было отмечено выше, И. В. Крагельским около 50 лет назад предложена концепция формирования «третьего тела» на фрикционном контакте. Согласно И. В. Крагельскому картина трения, в общем виде, такова [12-14]. Высокие фактические давления на дискретных фактических пятнах контактов в сочетании со скоростью скольжения обуславливают значительные температуры в зонах касания, и приводят к существенным изменениям с учетом влияния среды и свойств поверхностных слоев, вызывают значительные механические и
13
Таблица 1.1. Основные модели формирования промежуточного слоя в контакте трущихся тел [10]
Модель Процессы в контакте Автор и источник
Формирование слоя Бейбьли Аморфизация поверхностного слоя полируемого материала за счет разрушения зерен металла до высокой дисперсности Дж Бейбьли [92]
Гипотеза «третьего тела» Образование в трибоконтакте промежуточного слоя, отличного по природе от обоих контактирующих тел И. В. Крагельский [23-27]
Концепция «вторичных структур» и структурно-энергетической приспосабливаемое™ Формирование вторичных структур, являющихся продуктами переноса структурно-энергетической приспо-сабливаемости материалов при трении Б. И. Костецкий, Л. И. Бершадский [55-63]
Перемешивание продуктов изнашивания металлов Фрагментация, разрушение и перемешивание продуктов изнашивания путем взаимного переноса при трении М. Керридж, Дж. Ланкастер, Т. Сасада, Д. Ригни 141-44]
Совместимость при трении металлов и сплавов Образование мягкой пленки структурной составляющей сплава или композита на поверхности трения Н. А. Буше [67-71]
Избирательный перенос при трении Образование пластичной пленки, реализующей малое сопротивление сдвигу в результате трибохимических реакций, приводящих к изменению структуры и состава поверхностных слоев Д. II. Гаркунов, Д. И. Крагельский [32]
Фрикционный перенос полимеров Формирование пленки переноса полимера при превышении сил адгезии в контакте по сравнению с когезионной прочностью полимера С. Бахадур, В. А. Белый, А. К.Погосян, А. И. Свиредснок, О. В. Холодилов [93-96]
Ротационнотрансляционная модель движения вещества в пограничном слое на фрикционном контакте Пластическое разрыхление, подвижка, фрагментация, образование ротационных структур или бегущих трещин в пограничном слое Н. М. Алексеев, М. II. Добычин и др. [81-83]
14
температурные напряжения в микро - и макрообъемах, способствуют протеканию химических процессов с образованием вторичных соединений и структур, активизируют взаимную диффузию. Такое взаимодействие поверхностей и формирует так называемое «третье тело». Измененный тонкий поверхностный слой испытывает очень большие деформации, его свойства в сочетании с объемными свойствами определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления. Пять видов фрикционного взаимодействия по И. В. Крагельскому и тепловая модель микроконтакта по А. В. Чичинадзе представлены на рис. 1.1.
Анализ предложенной модели позволил сформулировать и рассмотреть три последовательных и взаимосвязанных этапа трения:
1. Взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды.
(Виды фрикционного взаимодействия схематически изображены на рис. 1.1.)
2. Изменение поверхностных слоев в результате взаимодействия.
3. Разрушение поверхностей вследствие двух предыдущих этапов.
Таким образом, согласно И. В. Крагельскому существует группа факторов, которые рассматриваются как входные факторы сложного трибологического процесса: природа пар трения, исходная шероховатость и волнистость поверхности тел, промежуточная окружающая среда, нагрузка, скорость, исходная температура. Внутренние факторы, создающиеся в процессе трения, следующие: изменение свойств поверхностных слоев тел и поверхностных пленок, изменение шероховатости и волнистости поверхности, тепловыделение при трении (температура и температурный градиент на микро - и макроуровне). В конечном счете получают выходные факторы: силу (или момент трения), интенсивность износа (линейную и массовую), разрушение поверхностей в зоне трения (износ).
Как было отмечено выше, на формирование концепции «третьего тела» повлияли исследования, выполненные Б. И. Костецким и его сотрудниками в области структурной приспосабливаемости материалов при трении [55-62].
Рис. 1.1. Виды фрикционного взаимодействия по И.В.Крагельскому (1-У) и тепловая модель микроконтакта по А. В. Чичинадзе (в центре рисунка) [12]: I - срез материала; II - пластичное оттеснение; III - упругое оттеснение; IV - схватывание пленок; V - схватывание поверхностей; 1 и 2- контактирующие тела; Р - нагрузка; V - скорость скольжения; УУ| ,и VУ2> - объемные температуры 1 и 2 тела; У1 и У2 - средние температ>гры поверхностей трения 1 и 2 тела; У,*,, - температурная вспышка на фактическом пятне касания.
16
Суть явления структурной приспосабливаемости заключается в том, что кривая зависимости основных триботехнических характеристик от параметров испытаний (нагрузка, скорость, температура, свойства среды, свойств материала) для любых контактирующих твердых тел имеет участок минимального коэффициента трения и поверхностного разрушения (рис. 1.2). Наличие этого участка обусловлено структурной приспосабливаемостью. Диапазон структурной приспосабливаемости определяется формированием особых вторичных структур, свойства которых являются сложной функцией исходных свойств материалов. Новые защитные структуры экранируют основу металла от механической и физико-химической деструкции. При реализации структурной приспосабливасмо-сти происходит масштабный скачок, т.е. взаимодействие контактирующих твердых тел локализуется в тонкопленочном объекте, который представляет собой новые формирующиеся структуры. Характеристики структурного состояния при реализации структурной приспосабливаемости принципиально отличаются от аналогичных характеристик в равновесных условиях.
Авторы [56] выделяют три основных этапа структурной приспосабливаемости: структурное и термическое активирование поверхностных слоев контак-тируемых материалов; пассивация - образование защитных вторичных структур; разрушение вторичных структур вследствие внешних воздействий. Однако сопряженные процессы переноса вещества обеспечивают их регенерацию.
Комплексное исследование структурной приспосабливаемости позволило разработать ее физическую модель [55-56, 59, 61], в основе которой лежат следующие положения:
1. Отношение интеграла поглощенной энергии к работе трения по трансформируемому объему стремится к минимуму.
2. Удельная работа разрушения и объем, поглотивший энергию разрушения, отнесенный к эффективному объему, стремятся к максимуму.
3. Энтропия, производимая в системе при выделении теплоты, компенсируется притоком отрицательной энтропии от источника механического
17
» ' 1 1
» и —! ш 1 /17 \Л Jf—BL
¥ 1 1 1 1 - 1 1 1 »-
P,V,T.Cp,M
Рис. 1.2. Общая схема зависимости триботехнических характеристик материалов [56] (I - интенсивность изнашивания, ц -коэффициент трения) от параметров испытаний (Р - нагрузка, V - скорость, Т - температура,Ср - свойства среды, М - свойства материала): I - область неустановившихся процессов; II - нормальный механо-химический износ; III - механическая форма повреждаемости; IV - схватывание первого рода; V - схватывание второго рода; VI - фреттинг-процесс; VII - механо-химичсская форма абразивного износа
18
движения. Внутренний вклад энтропии всегда положителен, т.е. (с15/ск)>0. В условиях структурной приспосабливаемое™ узел трения находится в состоянии текущего равновесия.
Согласно Л. И. Бершадскому [60, 62] структура трибосистемы, как открытой трибодинамической системы, может быть представлена в виде некоторой схемы, которая приведена на рис. 1.3. Структура трибосистемы характеризуется структурой входящих материалов (зеренной, симметрии решетки, распределением компонентов электронных конфигураций и т.п.), т.е. структурой частиц и квазичастиц (дислокаций, фононов, электромагнитных волн и т.п.). Континуально структура трибосистемы может характеризоваться распределениями (градиентами) скоростей массоперсноса (в частности гидродинамических слоев), температуры, электрохимического потенциала и т.п. Некоторые возможные диссипативные элементы трибосистемы представлены на рис. 1.4. Можно выделить следующие слои: 1 - гидродинамический (эластогидродина-мический); 2 - молекулярно-агрегированный (мицеллы, жидкие кристаллы);
3,4 - аттракционный, адсорбционный (квазиупругий) или хемосорбционный; 5 -трибоиолимеризации или трибометаллополимеризации;
6 - ламеллярнотвердосмазочный (графит, дисульфит молибдена и т.п.); 7 - трибохимический (нестехиометрические оксида, сульфиды, коватентные кластеры типа Ме-О и т.п.); 8 - мягкий структурно экстругированный; 9 - мягкий избыточно- вакансионный (избирательного растворения-псрсноса); 10 - амофизированный или субкристаллический; 11 - текстурированный (на различных масштабных уровнях от поворота решетки до зерен); 12 - сдвигово-дисклинационный и ротационно-фрагментированный; 13 - дислокационнодефектный 14 - исходный материал. Расположение слоев носит в определенной степени условный характер. Возникновение того или иного набора этих слоев (по сути - трибофаз) определяется материальными возможностями и режимами нагружения. Аналогичные фазы имеет и сопряженный материал.
2
Рис. 1.3. Представления структуры трибосистемы: континуальное (потоков) и дискретное (частиц и квазичастиц). В качестве примера показаны некоторые слои: 1ж - адсорбированный (квазитвердый), 2ж - жидкоструктурированный (жидкокристаллический),
Зж - жидкореологический (гидродинамический и т.п.); 1т- трибохимический (окисление, трибополимеризация, трибо-синтез и т.п.), 2т - трибодиструктивный (собственно изнашиваемый), Зт - деформационно-структурированный (ротационно-фрагментируемый, дислокационный конфигураций и кластеров и т.п.); 4г-твердореологический (внутреннего трения),
5 - энергетического переноса, тепла, звука, электричества и т.п.) и линии градиентов I - grad о, р; II - grad р; III - grad Т; IV -grad Е. В зоне трения производство энтропии S,>0, в зоне переноса Si=0 [60]
ы *
20
*
#
Рис. 1.4. Схема диссипативных элементов трибосистемы, «слои»: 1-
гидродинамический 2 - молекулярно-агрегированный; 3,4-аттракционный, адсорбционный или хемосорбционный; 5 - трибополимеризации или трибометаплополимеризации; 6 -ламеллярнотвердосмазочный; 7 - трибохимический; 8 - мягкий структурно экстругированный; 9 - мягкий избыточно-вакансионный; 10 - амофизированный или субкристаллический; 11 - тексіурированньїй (на различных масштабных уровнях от поворота решетки до зерен); 12-сдвигово- дисклинационный и ротационно-фрагментированный; 13 - дислокационно-дефектный 14 - исходный материал [621.
21
Работы, выполненные Л. М. Рыбаковой, Л. И. Куксеновой [33-40] также внесли значительный вклад в исследование структуры поверхностных слоев при трении. Эти работы были посвящены исследованию структурных изменений при пластической деформации в условиях сухого и граничного трения, а также трения в условиях избирательного переноса; изучению влияния кристаллической структуры металлов и сплавов на процесс трения и изнашивания, а также влияния диффузионных процессов при трении на их износостойкость и многим другим проблемам трения и изнашивания.
В работах Л. И. Рыбаковой, Л. И Куксеновой, для исследования явлений, происходящих в тонких поверхностных слоях использовался, в основном, метод скользящего пучка рентгеновских лучей [37]. При исследовании влияния степени нагружения при трении на изменения микроструктуры материала в зоне контактирования для характеристики структурного состояния были выбраны два параметра: физическая ширина рентгеновской линии (Р) и период кристаллической решетки (а), отражающие изменение плотности дефектов в приповерхностных слоях и их фазового состава.
В работах [33, 34] были изучены закономерности распределения пластической деформации по толщине поверхностных слоев металлических материалов и особенности фрикционного упрочнения в условиях сухого и граничного трения и трения в режиме избирательного переноса. Результаты этих работ позволили сформулировать два основных вывода. Первое, формирование вторичной структуры на поверхностях трения сопровождается следующими фундаментальными физическими процессами: упрочнением, разупрочнением, рекристаллизацией, фазовыми переходами. Указанные физические процессы определяются внешним механическим воздействием, природой трущихся материалов и составом рабочих сред. Второе, наблюдаются две зоны пластической деформации: зона аномального фрикционного упрочнения (зона1, рис 1.5), зона деформационного упрочнения (зона II, рис. 1.5). Экспериментальный и теоретический анализ показал, что аномалии механических свойств приповерхностных
22
♦
Рис. 1.5. Изменение физической ширины р рентгеновских линий меди по толщине 1 деформированной при трении зоны и в зависимости от давления Р (сплошные линии) и истинных напряжений течения Б в слое толщиной 0,3 мкм в зависимости от давления Р(штриховая линия): 1-трение в среде глицерина, 2-6- в вазелиновом масле : 3, 4, 5 - слой толщиной 2,0; 0,7 и 0,3 мкм, соответственно [33]
*
5.та
и Г, мкм 0 ■ ' 3
- Київ+380960830922