лекции_1 / Лекция 6_Эволюция структуры

О роли фрагментирования поверхностного слоя материала при трении в процессах изнашивания.

1. Развитие процесса скольжения внутри зерен поликристалла, который развивается по многим кристаллографическим плоскостям (рис. 8.); 2.

Рис. 8.

3. Фрагментация структуры материала в поверхностном слое в результате множественного скольжения и образование нанодисперсной структуры (рис. 9);

Рис. 9. Структура нанокристаллического слоя по Рис. 10. данным атомно-силовой микроскопии

4.Недислокационное скольжение, характеризующееся трансляционным и вихревым движением элементов субструктуры относительно друг друга (рис. 10);

5.Образование микротрещин по границам мезовихрей, а также на границе раздела ультрадисперсного слоя и основного материала с последующим отделением фрагментов слоя (рис. 11).

Таким образом, чем быстрее образуется слой с фрагментированной структурой и чем он толще, тем выше скорость изнашивания. Отсутствие одного из перечисленных этапов должно изменить процесс трения и, следовательно, характер изнашивания.

Об особенностях изнашивания стали Гадфильда (Г13). Существует мнение, что высокая износостойкость стали Гадфильда связана с деформационным упрочнением (наклепом), которое вызывает увеличение твердости. Однако данные о микротвердости поверхностного слоя не дают оснований считать наклепанный слой сверхтвердым. Упрочняемые стали с содержанием углерода более

Рис. 11. 0,6 вес.% имеют не меньшую твердость после термической обработки. Но износостойкость большинства конструкционных сталей значительно ниже износостойкости стали Г13.

Рассмотрим рельеф на торцевой поверхности втулки (рис. 12) из стали Г13 после испытаний на трение. Обращает на себя внимание то, что сдвиги внутри зерна, о которых можно судить по следам скольжения, в большинстве своем принадлежат одной системе скольжения. Из этого следует, что скольжение в одной системе плоскостей подавляет скольжение во всех остальных системах. Причем действие в каждом зерне единственной системы скольжения сильно затрудняет аккомодацию сдвигов в смежных зернах, что приводит к интенсивному упрочнению стали Гадфильда. Частичная аккомодация все же происходит за счет разворота зерен, о чем свидетельствует образование рельефа на торцевой поверхности втулки. Отмечается, что даже при больших деформациях новые системы скольжения не появляются. Двойникование также осуществляется в одной плоскости. Отсутствие множественного скольжения препятствует фрагментации поверхностного слоя материала, которая осуществляется при

деформировании под действием контактных воздействий при трении и, как следствие, препятствует образованию частиц износа.

Фрагментированная структура все же образуется на поверхности в результате окисления металла. Окислы, разрушаясь под действием внешней нагрузки, перемешиваются с металлом, формируя нанокристаллический слой, разрушение которого обусловливает износ. Толщина нанокристаллического поверхностного слоя у стали Гадфильда в процессе трения не превышает 3-5 мкм. У других материалов фрагментированный слой оказывается значительно толще из-за возможности деформирования зерен путем множественного скольжения в сочетании с окислением. Это и объясняет более высокую износостойкость стали Гадфильда по сравнению с другими материалами.

Приведенные рассуждения подтверждают и Рис. 12. результаты электронномикроскопических исследований структуры частиц износа (рис. 13). Частицы износа состоят из смеси оксидов и γ-фазы железа. Образование крупных плоских частиц износа, которые присутствуют в продуктах изнашивания, также обязано особенностям деформирования стали Гадфильда. В отсутствие аккомодации путем пластического течения по смежным плоскостям разрушение поликристалла происходит по границам за счет зернограничного проскальзывания с отделением крупных фрагментов.

0,1 μm

Рис. 13. Электронно-микроскопические изображения частиц порошка, формирующегося в процессе сухого трения контр-тела по поверхности стали 110Г13; а – сканирующая; b-e – просвечивающая (метод экстрактных угольных реплик) электронная микроскопия; b, c – светлые поля; d - темное поле, полученное в рефлексе типа [202] Mn3O4; e – микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс темного поля).