Куксенова_Методы исследования поверхностных слоев (831911), страница 7
Текст из файла (страница 7)
При плотности дислокаций ρ = 1014 . . . 1016 м−2hд ≈ 10−7 . . . 10−8 м, т. е. от нескольких десятков до несколькихсотен периодов кристаллической решетки). Исследования на этомуровне выполняют с помощью разнообразных методик структурных исследований. К ним в первую очередь относится электронная микроскопия с ее обширными возможностями в виде методовпросвечивающей электронной микроскопии, высоковольтной электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии, туннельной микроскопии, автоионной микроскопии и др. Взаимодействие электронного пучка с облучаемым объемом вызывает ряд эффектов, на регистрации которых создан ряд методик исследованияэлементного состава, такие как Оже-электронная спектроскопия,рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия потерь энергетических электронов, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия.Методы световой микроскопии позволяют исследовать особенности структуры твердых тел на границе раздела «металл —36окружающая среда».
Применение световых микроскопов ограничено их относительно невысокой разрешающей способностью,определяемой числовой апертурой и длиной волны света, равнойλ = 0,50 мкм. При этом для исследования поверхности с глубоким микрорельефом необходимо использовать объективы с малойапертурой, что еще больше снижает разрешение световых микроскопов. Применение ультрафиолетового излучения ( λ = 0,21 мкм)в 2,5 раза повышает разрешающую способность светового микроскопа, но ряд побочных обстоятельств ограничивают их широкоеприменение [16].Для исследования поверхностей трения чрезвычайно большойинтерес представляют исследования микрорельефа с помощьюсветового микроскопа.
Интерферометрия — наиболее чувствительный и точный оптический метод анализа микротопографииповерхности. Известны два основных метода интерференции:двух- и многолучевой [16]. В методе двухлучевой интерференции оба пучка света взаимно усиливаются или интерферируютмежду собой. В результате усиления или интерференции лучейвозникают контурные линии; каждая линия соединяет точки, соответствующие одному уровню исследуемой поверхности.
Разностьпо высоте между полосами соответствует половине длины волнысвета (используют излучение таллия, длина волны которого равна540 нм). Смещение интерференционной линии, как правило, можно измерить с высокой точностью, следовательно, разность высотуровней рельефа поверхности можно измерить также с высокойточностью (примерно до 27 нм). Метод многолучевой интерференции основан на интерференции многих пучков, он позволяетполучать столь тонкие интерференционные полосы, что удаетсяизмерить даже ничтожно малое смещение полосы, равное 1/500.Измеряемая разность уровней рельефа поверхности составляетоколо 0,5 нм, следовательно, можно исследовать весьма тонкиедетали микрорельефа поверхности.В исследованиях реальных поверхностей трения, часто имеющих глубокий рельеф, особое место занимает растровая электронная микроскопия.
Вследствие особенности конструкции растровыйэлектронный микроскоп обладает чрезвычайно большой глубинойфокуса. При увеличении 500 глубина фокуса составляет 500 мкм(т. е. примерно в 103 −104 раз больше, чем в световом микроско37пе), при увеличении 10 000 она достигает 0,8 мкм.
Эта способностьмикроскопа позволяет исследовать топографию поверхности приувеличении 20 000. . . 40 000, т. е. намного больше, чем в световоймикроскопии.2. Мезоскопический масштабный уровень (слои, толщина которых cоставляет от долей микрометров до нескольких микрометров по нормали к поверхности). Этот уровень является наиболееважным для исследования процессов при трении и изнашивании.Наиболее информативным методом для выявления связи структуры и триботехнических свойств, а также механизма разрушениязоны контактного взаимодействия является метод рентгеноструктурного анализа.Для изучения поверхностей трения с учетом особенностей состояния материала зоны деформации был специально разработанметод скользящего пучка рентгеновских лучей [11].
В настоящеевремя он получил широкое распространение при анализе покрытий, состояния материала после применения разнообразных технологических методов направленного изменения свойств поверхности изделий.Суть метода состоит в том, что пучок лучей с анода трубкис линейчатым фокусом, пройдя систему специально сконструированного коллимационного устройства под строго фиксированным малым углом, падает на поверхность исследуемого объекта.Отраженные лучи в зависимости от метрологического обеспечения регистрируются ионизационным или фотографическим методом. Основной особенностью метода является использование узкого (примерно 10 мкм), практически параллельного пучка лучей,что создает возможность проводить съемку при углах наклона αк исследуемой поверхности 1◦ и менее (в зависимости от шероховатости) и получать информацию о слоях до 10−7 .
. . 10−8 м взависимости от природы металла и излучения.Подчеркнем, что поверхностные слои при трении имеют мезоскопический масштаб по нормали к поверхности трения и макроскопический в перпендикулярном направлении (вдоль поверхности). Этой особенностью объясняется гетерогенность свойствповерхности со смешанными характерными масштабами, а такжепо толщине слоев, которые могут отличаться по структуре, химическому и фазовому составу (т. е. поверхностная деформированная и38модифицированная при трении зона представляет собой специфический композиционный материал).
Поэтому применение методикнеразрушающего послойного анализа зоны трения является непременным условием адекватной оценки процессов пластичностии разрушения при трении.3. Макроскопический масштабный уровень (слои, в которыхвозможно усреднение свойств по основным неоднородностям иповедение которых рассматривается, как правило, с использованием методов анализа упругопластической среды; характерный размер такого слоя hm > 10−6 м). Эти слои чаще всего исследуютсястандартными дифракционными методами (рентгенографии, нейтронографии) как наиболее информативными с позиций выявлениясвязи между характеристиками механических свойств материала иструктурой.Современное состояние науки о трении и износе позволяет прогнозировать триботехнические свойства материала расчетным путем на основе использования характеристик механическихсвойств: твердости, упругости, пластичности, ползучести, фрикционной усталости.
Наиболее часто используемой характеристикойявляется твердость.Твердость определяет величину взаимного внедрения микронеровностей трущихся поверхностей и, следовательно, характеризуетмеханическую составляющую силы трения. От значения твердостизависят фактическая площадь контакта и объем материала, вовлеченного в деформацию. Поскольку при трении взаимодействуютповерхностные слои, важно определять не объемную твердость, амикротвердость.Для измерения микротвердости служит метод Виккерса, прикотором в образец вдавливается алмазная пирамида и измеряется диагональ отпечатка d.
Для оценки микротвердости в триботехнических исследованиях широко применяют специальный интерференционный микротвердомер, разработанный Е.С. Берковичем [17]. С его помощью можно оценивать следующие характеристики:• твердость по невосстановленному отпечаткуHh =P0,3784P≈,Sh239где Р — нагрузка, Н; S — условная площадь боковой поверхностиотпечатка, мм2 ; h — глубина отпечатка, мм;• характеристику упругих свойствУпр =hу.в· 100 %;hобщ• характеристику пластических свойствПласт =hв· 100 %;hобщ• характеристику ползучестиПолз =hполз· 100 %.hобщМодуль упругости. Контактный модуль упругости для мягкихметаллов и сплавов, пластмасс определяют на приборе КУМ, принцип действия которого основан на том, что плосковыпуклая линза с помощью нагружающего устройства прижимается к образцу,укрепленному на подвижном столике, и по значению диаметрапятна контакта, наблюдаемого с помощью светового микроскопа,оценивают контактный модуль упругостиE ≈ 0, 6Nr,d3где N — нагрузка; r — радиус индентора; d — диаметр пятна контакта.Динамическую твердость определяют на приборе МИТ попринципу соударения вращающегося шара с исследуемым объектом (рис.
6). Отношение работы, затраченной на пластическую деформацию поверхностного слоя образца, к объему восстановленного отпечатка равно значению динамической (ударной) твердостиматериала:6mg (hпад − hотс )Hуд =,πt (3r2 + t2 )где m — масса шара; g — ускорение свободного падения; r — радиус восстановленного отпечатка; t — глубина восстановленногоотпечатка.40Рис. 6. Схема метода определения динамической твердостиПо формуле Герца рассчитывают динамический модуль упругости.
Для одноименных материалов образцов и шараE=23 (1 − μ) π2 r3 Hуд,5mghотсгде μ — коэффициент Пуассона.Оценка характеристик пластичности основана на том, чторазмер зоны распространения пластической деформации вокруготпечатка конического индентора при одинаковой глубине внедрения h тем больше, чем выше пластичность материала. Пластичность характеризуется отношением h/d. На более пластичном материале диаметр отпечатка d2 по вершине наплыва меньше, чемдиаметр отпечатка d1 на материале с меньшей пластичностью.Оценка характеристик фрикционной усталости. Для оценки параметров фрикционной усталости разработан специальныйприбор — циклометр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
