Куксенова_Методы исследования поверхностных слоев (831911), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Причины для такого перехода накапливаются при каждом отдельном акте контактирования.В одних условиях эти переходы определяются упругопластическойдеформацией, когда процесс зависит от механических свойств поверхности (пределов прочности, текучести и усталости, твердостии др.), в других осуществляются более глубокие структурные и фазовые превращения, которые определяются физико-химическимиконстантами материала приповерхностных микрообъемов, работающих на трение (коэффициентами диффузии, теплопроводности, константами растворимости, скоростью химических реакцийи др.). Износостойкость определяется структурой материала зоны деформации при трении, в которой реализуются деформационные и физико-химические процессы. Деформационные и физикохимические процессы протекают одновременно, оказывая взаимное влияние, что и приводит к нетрадиционным явлениям придеформации.19Напряженно-деформируемое состояние зоны контактного взаимодействия имеет ряд характерных особенностей [7]:• пластическая деформация локализуется в тончайших поверхностных слоях, которые имеют мезоскопический размер по толщине и макроскопический вдоль поверхности;• вследствие высоких значений давления в зоне контакта,знакопеременного характера приложения сдвигающих напряжений, многократности деформирования, эффекта прямого физикохимического воздействия среды (пластифицирования) наблюдается аномальная пластичность поверхностных слоев;• имеет место резко выраженная ориентация структуры поверхностного слоя в направлении относительного перемещения притрении, что приводит к анизотропии свойств деформированногоматериала;• свойства материала поверхностного слоя изменяются подвлиянием внешней среды.Сама по себе деформация при трении имеет спадающий характер по глубине поверхностных слоев.
На рис. 3 [8] приведенаРис. 3. Схема ротационных структур:1 – слой переноса; 2 – мелкоячеистая фрагментированная структура; 3 – структурас неравноосными ячейками; 4 – шашечная структура; 5 – полосовая структура;6 – клубковая и мультипольная структура20схема распределения ротационных структур по глубине зоны контактного взаимодействия. Слой 6, граничащий с основой материала, обладает повышенной плотностью дислокаций со структуроймультипольного и ячеистого типа.
Над ним расположен слой 5,в котором с неустойчивости начинаются ротационные процессы,приводящие к созданию полосовых структур, а затем — шашечнойструктуры 4. В слое 3 наблюдается значительная дисперсия размера дислокационных ячеек неправильной формы. Согласно современным взглядам, мелкоячеистая фрагментированная структура(слой 2) представляет слой стохастических разориентировок (неравновесный турбулентный хаос), на котором располагается слой 1перенесенного в процессе контактирования вещества из смазочнойсреды и сопряженного контробразца.Структурные превращения при трении развиваются в условиях,когда переход механической энергии в тепловую, нагрев и охлаждение поверхности трения происходят со скоростью, намногопревышающей значения скорости нагрева и охлаждения, характерные для обычных условий термической обработки; при этомпроцесс нагрева и охлаждения происходит в локальных микроскопических объемах материала.Особенностью процессов, происходящих при трении, являетсято, что материал поверхностного слоя проходит через серию состояний: обратимых (залечивание дефектов), необратимых (приводящих к накоплению повреждений и разрушению), динамическогоравновесия.
При трении практически всегда происходят вторичныезакалка и отпуск. Фазовые превращения при вторичной закалкеобусловлены рядом причин: 1) на участках фактического контактапроисходит нагрев до значений температуры, выше критической,и охлаждение до комнатной температуры с большой скоростью;2) при наличии высокой степени деформации поверхностного слоякритические температуры существенно понижаются; 3) гомогенизация аустенита, растворение и выделение карбидов облегчаютсяв условиях мелкодисперсной структуры.Приняты термины «аустенит трения» — структура, котораяформируется в результате вторичной закалки в процессе трения, и«мартенсит трения», который образуется в результате превращениявторичного аустенита.
Фазовому превращению α → γ способствует большая поверхность соприкосновения фаз. Образовавшийся21аустенит при последующем быстром охлаждении превращается в аустенит-мартенситную структуру с большим количествомаустенита.На свойства структуры трения влияет не только структурастали в исходном состоянии, но температурные и нагрузочноскоростные условия трения. Аустенит трения характеризуетсяболее высокой твердостью, чем исходный (остаточный аустенит);мартенсит трения резко отличается по травимости от исходного мартенсита, он характеризуется более развитой субструктуройи большей напряженностью. Характерная для трения повышенная устойчивость аустенита связана с рядом факторов, и преждевсего с тем, что при микродиффузионном превращении аустенит(образовавшийся из исходного мартенсита) обогащен углеродоми карбидами; мелкодисперсные карбиды, являющиеся центрамикристаллизации, растворены в γ-фазе; превращение аустенита вмартенсит тормозится в условиях свойственной для трения интенсивной пластической деформации.Для структур вторичного отпуска характерно следующее: αфаза, образующаяся при распаде мартенсита, является наиболеедисперсной и напряженной и обладает повышенной микротвердостью; тормозятся распад остаточного аустенита и коалесценциякарбидных частиц.Особое место в совокупности процессов при трении занимают диффузионные явления.
Это связано с тем, что при трениитепловые и силовые поля характеризуются нестационарностью изначительными градиентами температур и давлений, что вызывает интенсивный диффузионный обмен, а под действием градиентов Δp, ΔТ , ΔС возникают направленные диффузионные потоки(p, Т , С — давление, температура и концентрация сплава соответственно). При трении давление и температура достигают своихмаксимальных значений у поверхности контактирующих тел, поэтому результирующий диффузионный поток легирующих и примесных элементов будет направлен в зону непосредственного контакта.В работе [6] высказаны представления о механизме микродиффузии при трении в результате существования высоких скоростейнагрева, охлаждения и температурного градиента.
Приближеннооценить промежуток времени, необходимый для микродиффузи22онного превращения можно по соотношениюL2,Dгде L — протяженность пути диффузии; D — коэффициент диффузии.Кроме обычных направленных диффузионных потоков в зонеповерхностной пластической деформации наблюдается перемещение отдельных атомов и целых комплексов на несколько порядковс более высокими, по сравнению с обычными режимами деформации и термической обработки скоростями.
Эти явления получили название аномального массопереноса при трении, которыеосуществляются основными тремя механизмами [8]: 1) кооперативные эффекты в системах точечных дефектов (под действиемлокальных напряжений внедренные атомы распространяются покристаллу вдоль плотноупакованных направлений со скоростямисвыше 1 м/с); 2) ротационный массоперенос (перенос атомов, комплексов или частиц другой фазы) осуществляется за счет механического взаимодействия и последующего совместного вращенияи перехода; 3) динамическая дислокационная диффузия (переносатомов по ядрам движущихся дислокаций).t=1.4.
Основные направления повышения износостойкостиконструкционных материаловВ современном машиностроении проблема износостойкостиконструкционных материалов занимает одно из приоритетныхмест. Это объясняется не только техническими причинами (необходимостью создания материалов с заданными свойствами дляконструирования новых изделий), но и экономическими (вследствие колоссальных затрат, обусловленных износом деталей машин, оборудования, инструментов) [9, 10].
В решении этой проблемы фрикционное материаловедение занимает одно из ведущихположений.Известно много способов решения материаловедческих задач втрибологии, например путем создания поверхностных слоев (нанесением и модифицированием) с целью повышения долговечностидеталей машин.
Наиболее широкое применение нашли методы поверхностной закалки, различные химико-термические методы об23работки (цементация, азотирование, борирование и т. д.), наплавки, гальванические методы осаждения покрытий и т. д. В последнее время все шире применяются новые технологии упрочнениядеталей, основанные на воздействии на поверхность деталей концентрированных потоков высокоэнергетических квантов и болеекрупных частиц (электронов, ионов, атомов, молекул, кластеров).К ним относятся лазерные, электронно-лучевые (пучковые), вакуумные ионно-плазменные (включая имплантацию) технологии.По своей физической сущности все методы модифицированияповерхностного слоя можно разделить на три группы: 1) переносвещества от некоторого источника к предварительно очищеннойобрабатываемой поверхности, на которой это вещество оседает,формируя защитное покрытие; 2) перенос энергии от лучевогоисточника к обрабатываемой поверхности, которая в результатемощного локального энергетического воздействия приобретает новые свойства; 3) использование источника вещества, относительнокрупные частицы которого разогреваются и разгоняются до высокой энергии и внедряются или прилипают к обрабатываемойповерхности, формируя на ней слой из нанесенного вещества.Первую группу обычно объединяют под названием «вакуумныеионно-плазменные технологии», вторую составляют «лучевые технологии» (лазерная и электронно-пучковая), третья включает газотермические технологии — плазменное и детонационное напыление.В основе достижения требуемых триботехнических параметров лежит методология выбора оптимального сочетания механизмов упрочнения стали и сплавов, как правило, отличающихся дляобъема материала и его поверхностных слоев.Анализ литературных данных и современных тенденций развития по решению материаловедческих задач в проблеме долговечности трибосопряжений применительно к прогрессивным высоким технологиям позволили выделить следующие актуальныенаправления исследований:• разработка моделей и описание процесса поверхностного разрушения в условиях подвижного нагруженного контакта;• экспериментальное исследование эволюции структуры исвойств приповерхностных деформационных микрообъемов (зоныдеформации) при трении;24• прогнозирование износостойкости конструкционных материалов по характеристикам структуры и свойств приповерхностныхдеформированных при трении слоев и их связи со стандартнымихарактеристиками прочности и пластичности объема материала.Эти направления в трибологии являются основой разработкиматериалов и технологий упрочнения и модифицирования и создания износостойких структур приповерхностных объемов дляизделий триботехнического назначения.В современных трибологии и триботехнике можно выделитьнесколько основных направлений материаловедения [5]:• структурная теория износостойкости конструкционных материалов;• износостойкие структурные состояния поверхностных слоев;• новые прогрессивные технологии упрочнения изделий триботехники;• современные методы испытаний и исследования материаловтриботехнического назначения.Устойчивая работа трибосопряжения имеет место только в томслучае, когда материалы подобраны так, что в процессе тренияони могут приспосабливаться друг к другу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
