лекции_1 / Лекция 9_Особенности разрушения упрочненных слоев
.pdfЛекция 9. Особенности разрушения упрочненных слоев при трении
Специфическое влияние поверхности на физико-механические свойства твердого тела, подтверждающееся многочисленными данными о статической, динамической, усталостной и длительной прочности, инициирует усилия исследователей на поиск таких способов модифицирования поверхностных слоев, которые позволили бы направленно влиять на процессы макроскопического деформирования материалов. Распространенными методами обработки поверхности являются химикотермический, газопламенный, ионно-плазменный и получившие в последнее время широкое применение методы высокоэнергетических воздействий - имплантация, лазерное, плазменное и электронно-лучевое, сочетание которых с уже опробованными на практике методами объемного упрочнения дают наибольший эффект. Покрытия обеспечивают повышенную износо-, жаро- и коррозионную стойкость, а объем - достаточный запас прочности и вязкости. При таком формировании градиентного материала удается реализовать все положительные свойства, которые присущи композиционным материалам. Однако эксплуатационные характеристики упрочняющих и защитных покрытий в значительной степени определяются сложным напряженно-деформированным состоянием и пластической деформацией на границах раздела «покрытие-подложка», ограничивающими применение покрытий в узлах трения. Пластическая деформация, обусловленная локальной потерей устойчивости твердого тела, начинается в зонах концентраторов напряжений соответствующего масштаба и, в первую очередь, в поверхностных слоях материала, так как они имеют наименьшее сдвиговое сопротивление. Поверхностные концентраторы напряжений генерируют деформационные дефекты (точечные дефекты, дислокации, дисклинации, мезополосы сдвига), которые, зарождаясь на поверхности, перемещаются затем в глубь образца, обусловливая развитие пластического течения в объеме материала. Модифицируя поверхностный слой путем нанесения покрытий с различной кристаллической структурой, можно создать условия, позволяющие предотвратить процесс зарождения деформационных дефектов и, как следствие, повысить механические свойства материала. Отметим, что последнее не всегда реализуется. Блокируя зарождение дефектов и подавляя деформацию на микромасштабном уровне в поверхностном слое, упрочняющие покрытия вызывают несовместность деформаций покрытия и основы, что вызывает
образование трещин в покрытии (рис. 1), которые являются предвестником разрушения твердого тела при трении.
Добавим к сказанному, что наличие шероховатости на сопряженных поверхностях приводит, с одной стороны, к кратковременным взаимодействиям выступов, частота которых зависит от скорости скольжения и степени шероховатости, с другой, к адгезионному схватыванию микроконтактов с образованием мостиков сварки, что вызывает колебания прилегающих к контакту объемов материала. Материал, прилегающий к данному микроконтакту, увлекается контртелом, деформируется до тех пор, пока напряжения не достигнут величины адгезионного или когезионного взаимодействия. При достижении такого
напряжения происходит отрыв контртела и релаксация Рис. 1. напряжений за времена, определяемые упругопластическими
свойствами материала. Этот процесс можно представить как импульсное стохастическое воздействие, которое при достаточной интенсивности приводит к автоколебаниям трущихся поверхностей. Частота колебаний определяется собственной частотой «резонатора». В результате повторяющихся ударов по поверхности в глубь среды распространяются экспоненциально затухающие волны механических напряжений (рис. 2) и тепловая волна, обусловленная температурными вспышками в пятнах касания
Механизм формирования поперечных трещин, показанных на рис. 1 может быть обусловлен тем, что при определенных параметрах трения бегущая волна на поверхности
Рис. 2.
превращается в стоячую. Это приводит к тому, что определенные участки поверхности контакта, расположенные с шагом, равным λ/2, будут испытывать циклические перемещения. Другие же участки будут закреплены. В результате развивается усталостное разрушение, которое имеет вид чередующихся полос, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Этим же объясняется появление в процессе приработки волнистости фрикционного контакта.
Другой механизм разрушения поверхности, обусловлен генерацией волн Рэлея, создающих переменные напряжения, локализованные вблизи поверхности трения. Эти волны напряжений особенно опасны для деталей с покрытиями или с модифицированными поверхностными слоями. Так как скорость поверхностной волны в материале со слоистой структурой сильно зависит от длины волны, то возможна ситуация, когда параметры волны Рэлея окажутся одинаковыми для «образца» и «контртела». В этом случае энергия, поступающая в систему, концентрируется в тонком поверхностном слое, что способствует его разрушению (рис. 3). Знание условий генерации и характеристик поверхностных волн дает возможность сформулировать рекомендации для подбора материалов, их структуры и режимов трения, которые позволяют избежать нежелательной концентрации энергии.
Рис. 3. Рис. 4.
Эффективным способом подавления поверхностных волн является создание эффективного затухания волны. В этом случае целесообразно создавать неоднородные по толщине поверхностные слои с характерным размером неоднородности порядка толщины слоя d. (рис. 4) Когда слой однородный поверхностная волна распространяется вдоль свободной поверхности практически без затухания, а при наличии трения будет генерироваться волна с длиной волны порядка d. В случае же неоднородного слоя поверхностная волна при длинах волн λ ≈ d испытывает не только сильную дисперсию, но и интенсивное затухание, что препятствует развитию неустойчивости. Такой способ
демпфирования упругих возбуждений был реализован в |
|
Институте физики прочности и материаловедения СО РАН |
|
при разработке боридного слоя на поверхностях деталей Рис. 5 |
|
буровых долот (рис. 5). |
Анализ разрушения покрытий в результате трения |
|
|
|
скольжения указывает на то, что в значительной степени на |
|
разрушение влияет толщина покрытий и упругие свойства |
|
материала подложки. Для исследования влияния толщины |
|
твердого покрытия на поведение трибосистемы были |
|
выполнены расчеты деформации при трении покрытий |
|
толщиной от 2 до 50 мкм. На рисунке 6 приведены результаты |
|
расчетов деформации при скорости скольжения 0,1 м/с. Хорошо |
|
видно, что характер и величина распределения пластических |
Рис. 6. |
сдвигов в областях, прилегающих к покрытию, существенно |
|
|
различаются. При толщине покрытия 2 мкм материал интенсивно пластифицируется в подслое под покрытием. Максимум деформации достигается на границе раздела, далее величина пластической деформации монотонно убывает до глубины, приблизительно равной 40 мкм. В образце с покрытием толщиной 50 мкм максимум деформации также наблюдается на границе раздела, но в этом случае пластическая деформация на порядок меньше по величине и менее локализована, что обеспечивает существенно меньшие напряжения в материале основы и лучшую диссипацию энергии, подведенной к системе трения.
Рис. 7.
Эти результаты были подтверждены металлографическими исследованиями боковой поверхности образцов с хромовым покрытием. На рис. 7 показана предварительно полированная боковая поверхность образца с электролитическим покрытием Cr после испытаний на трение в разные моменты времени испытаний. Ярко выраженный рельеф под покрытием обусловлен деформированием. Как было показано
выше, при трении возбуждаются упругие колебания и в глубь среды распространяется волна напряжений. Наличие на поверхности твердого покрытия практически не вызывает ее затухания, поэтому материал подложки на границе раздела будет испытывать высокие нагрузки. В результате из-за несоответствия деформаций упрочненного слоя и основы формируются локальные напряжения, величина которых изменяется вдоль границы. Зоны повышенных напряжений являются источниками деформационных дефектов – дислокаций, мезополос и трещин. Если уровень напряжений на границе раздела «покрытиеоснова» превосходит уровень когезионной прочности покрытия, происходит его растрескивание. Причем релаксация концентраторов напряжений происходит путем распространения трещины от границы раздела по направлению к поверхности покрытия.
Рис. 8.
Результаты расчетов согласуются также с экспериментальными данными износа твердых покрытий (рис. 8), выполненных в Объединенном институте машиностроения и механики НАН Беларуси, из которых следует, что поведение модифицированного слоя при трении зависит от его толщины. Тонкое покрытие катастрофически изнашивается вследствие интенсивной пластической деформации материала основы, толстое – изнашивается постепенно до тех пор, пока его толщина обеспечивает сохранение
несущей способности слоя за счет снижения уровня напряжений и температуры в подслое (рис. 9). Фрикционное взаимодействие контртела со сталью 08Х18Н10Т без покрытия приводит к
адгезионному схватыванию и задиру трибосопряжения с образованием на поверхности характерной бороздчатой структуры (рис. 10). Нанесение твердого покрытия толщиной 40 – 50 мкм предотвратило разрушение поверхностного слоя нержавеющей стали. Поверхность модифицированного слоя при трении выглаживается и приобретает характерный зеркальный блеск (рис. 11).
Рис. 10.
Рис. 11.
Боковая Поверхность стали Г13 после трения скольжения