Куксенова_Методы исследования поверхностных слоев (831911), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Изменениефазового состава и диффузионные процессы, характерные длятрения, свидетельствует о протекании в зоне контактного взаимодействия физико-химических процессов.β=4613. ПРИМЕР ОЦЕНКИ КАЧЕСТВААНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙТрадиционно качество материалов и покрытий деталей узловтрения оценивают характеристиками потерь на трение и износ,задиростойкостью, значением адгезии, т. е. критериями макроскопического масштаба [25]. Значения этих критериев получают притриботехнических испытаниях и анализе процесса трения на макроскопическом уровне. Каждый из указанных критериев (характеризующих в целом качество сопряжения, а при сравнительныхиспытаниях — качество покрытия) является необходимым, но недостаточным триботехническим параметром.Необходимым и достаточным комплексом параметров качествазоны трения является совокупность феноменологических макроскопических (указанных выше) и микроскопических (например,оцениваемых рентгенографически физического уширения рентгеновских линий и периода кристаллической решетки) [11].В работе [26] проанализированы связи между феноменологическими структурными критериями качества сопряжения в рамках системно-структурного анализа.
Показано, что наиболее общий феноменологический критерий знака градиента механическихсвойств материала по глубине зоны деформации при трении регулирует направление развития трибосистемы, а структурные критерии выступают в качестве показателей состояния ее самоорганизации. Следовательно, совокупность микроскопических и макроскопических показателей характеризует физику и механику процессатрения материала на разных иерархических уровнях, что и даетнаиболее полную информацию о качестве поверхностного слоя.Для примера рассмотрим применение комплексного подхода коценке качества покрытий из медного сплава на стали 50Г, полученных методом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) [27].На лабораторной машине реверсивного трения скольжения77МТ-1 при средней скорости 0,1 м/с и давлении 30 МПа в маслеМ10Г2 К испытывали пару трения сталь 50Г с покрытием ФАБОчугун с электролитическим покрытием хромом.
Самоустанавливающийся образец из чугуна с толстым хромовым покрытием был62неподвижным и через него передавалось давление на совершающий реверсивное движение образец из стали 50Г с тонким исследуемым антифрикционным покрытием. Покрытие наносилось насталь в нормализованном состоянии и в состоянии закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Износ образцов определяливесовым методом. До и после окончания испытаний с помощьюпрофилографа-профилометра оценивали микрогеометрию поверхности. Исследование структурных изменений и массопереноса вповерхностных слоях проводили с помощью метода скользящегопучка рентгеновских лучей.На рис.
10, а, б приведены результаты триботехнических испытаний. Видно, что микрогеометрические характеристики образцовнормализованной и закаленной стали после антифрикционной обработки улучшаются (см. рис. 10, б), а в процессе установившегосярежима трения степень сглаживания поверхности уже практическине зависит от предыстории образцов. Интенсивности изнашиванияпри трении в идентичных внешних условиях стали в нормализованном и закаленном состоянии отличаются примерно на порядок,что связано с более высокой твердостью поверхностного слоя после закалки с нагрева ТВЧ.
Финишная антифрикционная обработка по-разному влияет на уровень поверхностного разрушения. Износ закаленных образцов оказывается выше, особенно на стадииприработки, но уже после 75 ч испытаний кривые зависимостиI = f (τ) сливаются в одну, соответствующую режиму установившегося трения. Обработка образцов из нормализованной сталиприводит к тому, что в установившемся режиме трения износ оказывается на порядок ниже. При этом уровень износа после ФАБОнормализованной и закаленной стали в установившемся режиметрения практически одинаковый.Таким образом, совокупность лабораторных триботехническиххарактеристик не выявляет преимущественный способ обработкистали. Для этого есть два основных пути: проведение стендовыхи натурных испытаний (что сопряжено с большими материальными и энергетическими затратами) и металлофизические экспрессисследования поверхности, которые дают возможность прогнозировать работоспособность модифицированного слоя.Рассмотрим второй путь.
Поверхностные слои стали после обработки представляют собой своеобразный композиционный мате63Рис. 10. Интенсивности изнашивания (а) и фрагменты профилограмм (б)поверхности образцов стали 50Г:1 – нормализованное состояние; 2 – нормализация и ФАБО; 3 – закалка с нагреваТВЧ; 4 – закалка и ФАБО; 5 – после трения для всех видов обработки (1 – 4)риал, состоящий из покрытия на основе меди (формируемого латунным прутком) и модифицированного подповерхностного слояна основе α-Fe, расположенных на подложке из исходной стали50Г.
По изменению физического уширения линий β(220) (рис. 11)нормализованной стали после ФАБО также можно выделить особую зону размером до 3 мкм (модифицированный слой) с другимзначением градиента β: |gradβн | = 1,6·10−3 рад/мкм, |gradβн+ф | == 2,9 · 10−3 рад/мкм, т. е. в результате антифрикционной обра64Рис. 11.
Изменение физического уширения рентгеновских линий β(220)стали 50Г по глубине поверхностных слоев:1 – нормализованное состояние; 2 – нормализация и ФАБО; 3 – закалка с нагреваТВЧ; 4 – закалка и ФАБОботки градиент физического уширения по толщине слоя от 1 до3 мкм возрастает в 1,8 раза. Поверхностный слой после ФАБОзакаленной стали имеет свои особенности: во-первых, значенияβ(220) для всех исследуемых толщин ниже, чем после закалки снагрева ТВЧ, во-вторых, градиент плотности дефектов решеткиматрицы меньше единицы, а отношения градиентов после закалкии после закалки с ФАБО незначительно отличаются от единицы,т. е.
|gradβ3 | ≈ 0,3; |gradβ3+ф | ≈ 0,4.Следовательно, многослойный поверхностный микрообъемсталей соответствует наиболее общему феноменологическомукритерию качества материала триботехнического назначения —правилу знака градиента механических свойств по нормали кповерхности трения.
Известно, что при положительном градиенте установившийся режим трения сопровождается более низкимуровнем разрушения поверхности, чем при отрицательном. Обеспечивая указанные выше изменения характеристик структурногосостояния поверхностного микрообъема (и, следовательно, опре65деленных механических свойств — твердости, предела текучести,прочности и пластичности), ФАБО создает предпосылки для повышения триботехнических характеристик изделий по сравнениюсо стандартной обработкой.Для выявления преимуществ ФАБО в условиях разной предварительной термической обработки стали проводили анализ физического уширения разных рентгеновских линий по методу Холла.Подбор аппроксимирующих функций и построение зависимостейтипа β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ), λ — длина волны излучения,параметр (γ = E(hkl) /E(001) ) характеризует анизотропию модуляЮнга E, позволяют получить прямые линии, дающие информациюо средних значениях составляющих физического уширения линий.
Для концентрационно-неоднородных твердых растворов прямолинейность этой зависимости нарушается, так как физическоеуширение возрастает за счет дополнительной составляющей, отражающей неоднородность химического состава, которая изменяетпрофиль рентгеновской линии и ее радиальное уширение. Следовательно, анализируя графический вид зависимостей Холла, можносудить о превалирующем процессе в структурных изменениях придеформации твердых растворов.Для поверхностных слоев стали после термической обработки зависимости β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ) практически прямолинейны для всего анализируемого микрообъема (рис.
12, а, в).Для образцов, подвергнутых ФАБО, линейность представленнойзависимости сохраняется только для слоев толщиной более 4,5мкм (рис. 12, б, г). Для слоев меньшей толщины прямолинейностьфункции нарушается, и с уменьшением расстояния от свободнойповерхности на прямых наблюдается выраженный перелом. Этотэкспериментально выявленный факт свидетельствует о том, чтозначения физического уширения рентгеновских линий имеют составляющую, связанную с неоднородностью химического составасплава, вызванного массопереносом в зоне деформации при обработке. При этом результаты микроспектрального анализа подповерхностного слоя стали показали присутствие атомов меди, цинка, олова, т. е.
тех элементов, которые входят в состав обрабатывающего инструмента (латуни) и технологической жидкости.Следует подчеркнуть, что формирующийся подповерхностный модифицированный слой имеет различное структурное со66Рис. 12. Графическое преобразование физического уширения линийβ(hkl) по методу Холла:а – нормализованное состояние; б – нормализация и ФАБО; в – закалка с нагреваТВЧ; г – закалка и ФАБО (1, 2, 3, 4, 5, 6 – толщина слоя 0,5; 2; 4,5; 7,5; 1; 3 мкмсоответственно)67стояние в зависимости от вида предварительной термическойобработки, на что указывает инверсия перегиба на зависимостях β2 cos2 ϑ/λ2 = f (k sin2 ϑ/λ2 γ2 ), соответствующих стали,подвергнутой ФАБО в закаленном состоянии.
Хотя на рентгенограммах подповерхностного модифицированного слоя в обоихслучая не обнаружено новых фаз, а наблюдается только изменениеугла дифракции ϑ фазы α-Fe в результате воздействия ФАБО, онотакже зависит от вида предварительной термической обработкистали.На рис. 13 показано изменение периода кристаллической решетки матрицы по толщине поверхностных слоев, вызванное антифрикционной обработкой (Δaн = аф − ан , Δа 3 = аф − атвч ).Видно, что в обоих случаях только на расстоянии от поверхности, равном примерно 3 мкм, значение Δа приближается к нулю(параметр решетки соответствует исходному после термическойобработки состоянию), в слоях, толщиной менее 3 мкм наблюдается повышение значения Δа. Судя по абсолютному значению Δа, атакже точности метода определения а, это изменение есть результат не только зональных напряжений, вызванных неравномернымповерхностным нагревом и охлаждением, пластической деформацией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
