CC BY
47
Изучение пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях при трении и изнашивании композиции “сталь 20X13 -упрочняющее композиционное покрытие”
С.В. Панин, В.Е. Панин, Ш.А. Байбулатов1, С.А. Беляев, В.Г. Дураков
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
В работе с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC проведено исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при трении и изнашивании конструкционной стали с композиционным упрочняющим покрытием. Показано, что характер пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с покрытиями характеризуется рядом существенных особенностей, связанных с возникновением иерархии концентраторов напряжений на двух границах раздела: “контртело - покрытие” и “покрытие - основа”. Анализ изображений поверхности трения позволил установить, что под действием поперечных составляющих сдвигов, развивающихся в результате релаксации мезоконцентраторов напряжений на границе раздела “контртело - покрытие”, создается периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Это обусловливает поперечное перераспределение твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем “строчечной” структуры. Варьирование толщины покрытия позволило установить, что фактор отличия площади истинного контакта “вал - покрытие” при увеличении площади дорожки трения не является определяющим в поведении кривых износа образцов с толстым и тонким покрытием.
1. Введение
Проблеме напряженно-деформированного состояния в трибомеханических системах, определяющего механизм изнашивания материалов в парах трения, посвящено большое количество работ [1-11 и др.]. Сложность данной проблемы связана с развитием на поверхности трения множества физико-механических и физико-химических процессов, которые затрудняют построение адекватных моделей поведения материала в трибосис-теме. Определенное упрощение при создании таких моделей может быть достигнуто при исключении из рассмотрения физико-химических процессов (окисление, образование новых фаз и т. д.) и систематизации физикомеханических факторов на основе подходов физической мезомеханики материалов [12].
Описываемые в литературе результаты исследований процессов изнашивания показали, что при контактировании поверхностей непрерывный поток энергии, выделяющейся в месте контакта трущихся тел, часто вызывает сильные структурные изменения материалов. Формирующиеся при этом так называемые “вторичные структуры” являются экраном, защищающим деталь от разрушения [6]. Подобные изменения нашли свое отражение в сформулированном в [2] универсальном принципе “структурно-энергетической приспосабливаемос-
ти” материалов при трении. Попытки связать механизмы возникновения вторичных структур с процессами самоорганизации в трибосистеме сделаны в [3, 9].
В последнее время в рамках нового научного направления — физической мезомеханики материалов — процессы при трении и изнашивании классифицируются как типично синергетические [12]. Изучение поведения материала в условиях трения и изнашивания как открытой неравновесной многоуровневой системы, идентификация напряженно-деформированного состояния в трибосистеме, анализ эволюции структур на поверхности трения как диссипативных, самоорганизующихся в иерархии масштабных уровней пластического течения позволяют более реалистично описать процессы пластической деформации, развивающиеся в нагруженном материале, и предложить адекватную модель изнашивания на основе представлений физической мезомеханики.
Особый интерес к процессам трения и изнашивания с позиций физической мезомеханики материалов [12] связан с тем, что приложение внешней нагрузки к образцу происходит сугубо неоднородно. На границе раздела в паре трения возникает пространственная осцилляция локальных напряжений. Это обусловливает формирование на поверхности трения квазипериодически рас-
© Панин С.В., Панин В.Е., Байбулатов Ш.А., Беляев С.А., Дураков В.Г., 2001
пределенных концентраторов напряжений. Указанные концентраторы напряжений должны оказывать существенное влияние на самоорганизацию дефектной подсистемы и формирование частиц износа как элементов диссипативных вторичных субструктур различных масштабных уровней.
Первая экспериментальна работа, в которой процессы пластической деформации при изнашивании были исследованы в рамках методологии физической мезоме-ханики с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC, была выполнена на стали 45, поверхностно упрочненной ионной имплантацией [13]. В работе [13] получено два принципиально важных результата:
- показано постепенное увеличение масштаба структурных уровней пластической деформации по мере изнашивания образцов;
- установлена хорошая корреляция между процессами пластической деформации на мезомасштабном уровне и стадиями кривой изнашивания.
Согласно [13], для понимания механизма изнашивания определяющую роль играют два масштаба развития пластической деформации в трибосистеме. Первый масштаб соответствует интенсивной пластической деформации в приповерхностном слое в области трибо-контакта (границы раздела типа I), что предопределяет формирование частиц изнашивания с размером доли микрона. Подобные результаты подробно описаны в работе [14]. Второй масштаб развития пластической деформации определяется постепенным накоплением дефектной структуры в приповерхностном слое толщиной до нескольких сотен микрон. Развитие пластической деформации на этом масштабном уровне сопровождается процессами фрагментации и последующим формированием частиц износа, размер которых составляет несколько десятков микрон. Более подробное описание подобных результатов приведено в [12, 15].
На практике для повышения износостойкости деталей, особенно работающих в тяжелых условиях нагружения, используются упрочняющие покрытия. Очевидно, что развитие пластической деформации на мезо-масштабном уровне в композициях с покрытиями будет характеризоваться рядом существенных особенностей, главная из них — появление дополнительного структурного уровня пластической деформации, обусловленного наличием границы раздела “покрытие - основа” (границы раздела типа II) [16]. Это должно существенно изменить напряженно-деформированное состояние в трибосистеме и оказать влияние на характер изнашивания таких композиций.
Целью настоящей работы является исследование процессов мезо- и макроскопической пластической деформации при трении и изнашивании композиции с покрытием из порошковой смеси ПГ-12Н-01 (самофлю-сующийся порошок на основе никеля), нанесенным ме-
тодом электронно-лучевой наплавки [17] на подложку из стали 20X13. Наличие в покрытии твердых дисперсных частиц позволяло проследить за эволюцией поверхности трения (используя твердые частицы в качестве “меченных” реперов). Оптико-телевизионное наблюдение за поверхностью боковой грани и построение полей векторов смещений позволяло путем анализа последних исследовать динамику развития пластической деформации на мезомасштабном уровне как в приповерхностном слое, так и на границе раздела между покрытием и подложкой.
2. Материала и методика исследований
В качестве подложки использовали сталь 20X13, в качестве материала для электронно-лучевой наплавки — порошок марки ПГ-12Н-01 (химический состав порошовой смеси указан в таблице 1). Образцы для испытаний были вырезаны электроэрозионным способом и имели форму параллелепипеда с размерами 7x7x9 мм3. Для получения необходимой толщины покрытия образцы подвергали механической шлифовке. Конечная толщина покрытия в исследованных композициях составляла 150 и 350 мкм.
Измерение микротвердости проводили на микротвердомере “ПМТ-3” при нагрузке на пирамидку Виккерса Р = 100 г. Для идентификации областей наблюдения на боковой грани образцов наносили отпечатки в виде координатной сетки.
Триботехнические испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме “вал - колодка” (по стандарту ASTM G77 [18]) в режиме граничной смазки (рис. 1). В качестве смазки использовали индустриальное масло И-20. Скорость скольжения составляла V = 0.3 м/с при нагрузке Р = 730Н. В качестве контртела использовали вал из закаленной стали 45 со стеллитовым покрытием толщиной 1.5 мм, наплавленным электронно-лучевым методом.
Характер развития пластической деформации на ме-зомасштабном уровне изучали на поверхности боковых граней образцов путем анализа полей векторов смещений. Построение векторов смещений проводили с помощью компьютерной обработки оптических изображений, снятых двухэкспозиционным методом, с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения “TOMSC” на базе оптического микроскопа “ЕР^иАМГ”. Съемку оптических изображений проводили по методике, описанной в [13], когда путем модификации предметного столика опти-
Таблица 1
Химический состав порошковой смеси ПГ-12Н-01
№ Сг Si Бе В С
Содержание элементов, % Основа 8-14 1.2-3.2 1.2-1.3 1.7-2.5 0.3-0.6
Рис. 1. Трибологическая схема испытания “вал - колодка” (стрелкой Р указано направление приложения внешней нагрузки, ю — направление скольжения вала)
ческого микроскопа и специального программного обеспечения достигается высокая точность съемки и совмещения оптических изображений.
Характер изнашивания образцов изучали с помощью анализа монтажей оптических изображений, снятых на микроскопе “EPIQUANT”. С этой целью был изготовлен специальный предметный столик для оптического микроскопа, позволяющий проводить съемку в плоскости поверхности трения (рис. 2). “Правому” краю дорожки трения на монтажах оптических изображений соответствует край, на котором контртело вступает в трибоконтакт с образцом. Соответственно “левому” краю дорожки трения соответствует область, где контртело выходит из области трибоконтакта (рис. 3).
Рентгенофазовый анализ проводили на аппарате “ДРОН-3” с использованием Со-К а- излучения.
3. Результаты исследований
3.1. Состав, структура и свойства покрытия
Металлографические исследования наплавленных композиций показали, что в процессе электронно-лучевой наплавки порошкового сплава ПГ-12-Н01 системы №-Сг-Б^ формируется градиентная структура, состоящая из нескольких зон. На представленном на рис. 4, а оптическом изображении эти зоны разделены пунктирными линиями и характеризуются различным содержанием более прочной фазы (эвтектики), выявляемой на металлографических шлифах в виде темных областей (и именуемой в дальнейшем “темной фазой”). Изображение структуры самого покрытия приведено на
Рис. 2. Схематическое представление модифицированного предметного столика (сверху) для наблюдения за образцами со стороны поверхности трения с установленным держателем (снизу)
Рис. 3. Схема расположения областей для снятия оптических изображений (обведено кругами) со стороны дорожки трения (а) и на боковой грани (б) (стрелкой Р указано направление приложения внешней нагрузки, ю — направление скольжения вала, пунктиром обозначена граница раздела)
• Л
50 мкм 1.......1
Рис. 4. Оптическое изображение поверхности боковой грани композиции “сталь 20Х13 - наплавка ПГ-12Н-01” в области границы раздела II (а) и в покрытии (б)
рис. 4, б. Формирование в приповерхностном слое наплавленного образца нескольких зон, расположенных на различном расстоянии от поверхности покрытия, выявляется и при измерении микротвердости, которая фиксирует три зоны с различными значениями средней микротвердости (на рис. 5 такие слои разделены штрих-пунктирной линией):
- 1-ый слой: основной слой покрытия, состоящий из светлой и темной эвтектики (микротвердость светлой эвтектики Н^ = 2500-3500МПа, темной Н^ = 45005 500 МПа), а также включений твердых частиц с микротвердостью 8000-9000 МПа.
- 2-ой слой: светлая эвтектика, состоящая из крупных вытянутых по нормали к подложке дендритов, и темной эвтектики; толщина слоя =50 мкм; средняя микротвердость слоя Н^ = 3000-4000 МПа;
- 3-ий слой: фактически слой переплава материалов покрытия и подложки — мелкозернистая эвтектика; толщина слоя 50-100 мкм; средняя микротвердость слоя На = 5500-6000 МПа.
Приведенный график распределения микротвердости также выявляет достаточно важный факт: высокопрочные дисперсные частицы присутствуют только слоях покрытия, расположенных на расстоянии не менее 100 мкм от границы раздела “покрытие - подложка”. Таким образом, вследствие различия структуры по толщине покрытия, нанесенного методом электронно-лучевой наплавки, изготовленные для испытаний образцы с различной толщиной покрытия изначально имели различную градиентную структуру.
Дендритная структура слоя 2, а также отсутствие в нем высокопрочных дисперсных частиц, определяют его более низкую прочность, по сравнению со слоями 1 и 3. Фактически, можно констатировать, что в процессе электронно-лучевой наплавки в покрытии формируется “разупрочненный” слой, подобный зоне термического влияния при формировании сварных соединений.
Анализ литературных данных о химическом составе данного самофлюсующего покрытия показывает, что основными элементами покрытия являются никель и твердые растворы на его основе, легированные кремнием, хромом, железом [8, 17, 19]. При этом наблюдается так называемая послойная химическая неоднородность покрытия, при которой содержание никеля, хрома, кремния возрастает в направлении от границы раздела “подложка - покрытие” к поверхности последнего, а содержание железа убывает. Это связано с диффузией элементов подложки в покрытие в ванне расплава в процессе электронно-лучевой наплавки, а также с легированием подложки элементами покрытия. Данные процессы определяют формирование нескольких зон в наплавленном покрытии, имеющих различную микротвердость (рис. 5).
і 3 ! 2 1
н и> МПа і 9000- Твердые частицы ■ ■ ■
7000- Темная эвтетика
■ У ш 1 ■ ■ ■
■ И1 ■ 5000^ : ■ ' ■ ■ ■
■ Светлая эвтетика
3000! А - ■ _■ ■ ■
І 1 1 1 1 1 і ■ ■ і ■ ■ і ■ і ■ і
300 200 100 0 100 200
подложка покрытие
Расстояние от границы раздела, мкм
300
Рис. 5. График распределения микротвердости по толщине композиции “сталь 20X13 - наплавка ПГ-12Н-01”; цифрами обозначены номера соответствующих слоев
Рис. 6. Рентгенограмма покрытия ПГ-12Н-012
Рентгенофазовый анализ показал наличие следующих составляющих (рис. 6):
- никеля;
- эвтектик на основе хрома (Сг3№^С) и никеля (К^С^^е , №2з_ , В6);
- карбида и борида хрома.
Сопоставление данных измерения микротвердости с результатами рентгеноструктурного анализа позволяет предположить, что твердыми включениями в исследованном покрытии являются карбиды и бориды хрома, темной фазой со “средней” твердостью — эвтектик на основе хрома, а “мягкой” светлой фазой — никель и эвтектики на его основе.
3.2. Исследование характера изнашивания
В процессе трибологических испытаний интенсивность изнашивания оценивали путем измерения ширины дорожки трения. По результатам таких измерений для каждой толщины покрытия были построены кривые изнашивания в координатах “ширина дорожки трения -время испытаний” (рис. 7).
Каждая кривая характеризуется наличием двух основных стадий, имеющих различный угол наклона и соответственно различную интенсивность изнашивания. Первая стадия интенсивного изнашивания является стадией приработки, а вторая (с меньшей интенсивностью изнашивания) — стадией установившегося изнашивания.
Представленные на рис. 7 результаты выявляют ряд важных закономерностей:
1) стадия приработки развивается более интенсивно и завершается значительно быстрее в образце с тонким покрытием;
2) при времени испытаний более 10 часов ширина дорожки у образца с толстым покрытием оказывается больше, чем у образца с тонким покрытием;
3) на стадии установившегося изнашивания интенсивность износа меньше у образца с толстым покрытием, о чем свидетельствует меньший угол наклона кривой 2 по сравнению с кривой 1 на данной стадии.
350 мкм
10 20 30 40
Время испытания, ч
Рис. 7. Кривые изнашивания для композиции “сталь 20Х13 - наплавка ПГ-12Н-01” с толщиной покрытия 150 и 350мкм: 1 — стадия приработки; 2 — стадия установившегося изнашивания
т— 1111111 б їїшшшштшшшт
^ | направление скольжения |
50 мкм і 1
Рис. 8. Оптические изображения дорожки трения в композиции с покрытием толщиной 150 мкм на стадии приработки, снятые около краев (а, в) и в центре (б); время испытаний — 1 час
а б ы
< •
200 мкм і 1 |направление скольжения|
Рис. 9. Оптические изображения дорожки трения в композиции с покрытием толщиной 350 мкм на стадии приработки, снятые около краев (а, в) и в центре (б); время испытаний — 10 часов
««■да»»!
;Ь, I ИИЩИИИ
—аі— шшшйшшшат
М • '■ ;■ 1
| направление скольжения]
150 мкм і 1
Рис. 10. Оптические изображения дорожки трения в композиции с покрытием толщиной 150 мкм на стадии установившегося изнашивания, снятые около краев (а, в) и в центре (б); время испытаний — 16 часов
Рис. 11. Оптическое изображение дорожки трения для композиции с покрытием толщиной 350 мкм на стадии установившегося изнашивания на краях (а, в) и в центре (б); время испытаний — 30 часов
Рис. 12. “Строчечная” структура на дорожке трения для композиции с покрытием толщиной 350 мкм на стадии установившегося изнашивания (а) и псевдо-трехмерное представление фрагмента участка поверхности трения, ограниченного пунктирной линией; время нагружения — 26 часов
Данные процессы свидетельствуют о существенном различии процессов изнашивания на мезомасштабном уровне в образцах с различной толщиной покрытия.
Каждой из описанных стадий соответствует характерная картина распределения фаз на поверхности дорожки трения, анализировавшаяся по снятым монтажам оптических изображений. На рис. 8 и 9 приведены характерные оптические изображения дорожки трения на стадии приработки в образцах с покрытием толщиной соответственно 150мкм (время нагружения 1 час) и 350 мкм (время нагружения 10 часов). Обнаруживается очень важное явление: перераспределение частиц твердой фазы как вдоль дорожки трения, так и поперек нее. Видно, что твердые частицы в большей мере сконцентрированы около “левого” края дорожки трения. В покрытии толщиной 350 мкм концентрация твердых дисперсных частиц около “левого” края дорожки трения больше, чем в тонком покрытии.
На рис. 10 и 11 приведены характерные оптические изображения дорожки трения на стадии установившегося изнашивания в образцах с толщиной покрытия соответственно 150 мкм (время нагружения 16 часов) и 350 мкм (время нагружения 30 часов). На этой стадии перераспределение концентрации твердых частиц наблюдается на всей ширине дорожки трения. Перераспределение частиц поперек направления скольжения контртела сопровождается образованием характерной “строчечной” структуры, хорошо известной в литературе [9] (на рис. 10, 11 такие “строчки” обозначены стрелками).
Сравнение изображений, приведенных на рис. 9 и 10, свидетельствует о том, что глубина “строчек” (перепад высоты) в более толстом покрытии больше, чем в тонком.
Более детальное изображение строчечной структуры, образовавшейся на поверхности трения, представлено на рис. 12, а. На рис. 12, б приведено псевдо-трехмерное изображение фрагмента участка поверхности трения, ограниченного на рис. 12, а пунктирной линией. Приведенные изображения свидетельствуют о том, что дорожки трения представляют собой чередующиеся полосы с разной концентрацией твердых включений. Как видно из изображения, приведенного на рис. 12, б, высота таких областей меньше, чем у рядом лежащих областей с большим содержанием включений темных фаз. Данный факт свидетельствует о том, что данные полосы не являются следствием простого “намазывания” мягкой фазы на поверхности трения.
По мере увеличения времени испытания топография строчечной структуры непрерывно меняется, что отражается как в появлении новых строчек на дорожке трения, так и изменении положения уже сформировавшихся (рис. 13, б-г). Тонкая структура широкой полосы “строчечной” структуры наглядно проявляется в центре дорожки трения (рис. 13, г). Следует также отметить, что твердые включения в процессе нагружения выносятся с дорожки трения, оставляя на “левом” крае дорожки трения характерные царапины (на рис. 13, а обозначены стрелками).
50 мкм 1 1 100 МКМ !
ИШШШшШШЯШШт
<
1 направление скольжения |
/ —ИИШ—ИИ
г
шшш ЯИШНИНИ^^Н!!
Рис. 13. Оптические изображения “строчечной структуры” на “левом” краю (а) и в центре дорожки трения (б-г) в композиции с покрытием толщиной 350 мкм на стадии установившегося изнашивания; суммарное время испытаний: а, г — 26 часов; б — 29 часов и в — 33 часа
3.3. Исследование характера развития пластической деформации на боковой поверхности
3.3.1. Образцы с покрытием толщиной 150 мкм
Анализ картин распределения векторов смещений на боковой поверхности показал следующее. На стадии приработки в центре дорожки трения основная пластическая деформации развивается в узкой области около границы раздела между покрытием и основой (рис. 14). В более глубоких слоях подложки пластических смещений нет. Направление смещений характерных мезообъе-мов в этой области на рис. 14 обозначены стрелками. В
то же время, признаки локализации деформации в приповерхностном слое покрытия (прилегающего к поверхности трения) и разупрочненном в процессе электронно-лучевой наплавки (прилегающем к подложке) не выявляются.
На стадии установившегося изнашивания (при времени нагружения более 10 часов) картина развития пластической деформации качественно изменяется. Развиваются интенсивные сдвиги как в покрытии, так и в широкой зоне подложки. Вначале интенсивно деформируется разупрочненная зона покрытия, прилегающая к
V Р1 г
100 мкм I 1
Ж
ІЙІ-; 1ШІІ І іШгї ШІїЙШіІЇ^І І
Рис. 14. Оптическое изображение боковой грани композиции с покрытием толщиной 150 мкм в центре дорожки трения на стадии приработки (а) и соответствующее поле векторов смещений (б); время испытаний — 1.5 часа; V — направление скольжения; Р — направление приложения нагрузки
ш.
ир
100 мкм
Ж
: Тґ(у.1 !!! Уг11 у~!
і і! ііІІІІІІІ
!:: ;:
11 11 1 1 М 11 1 М М 11 М ' 1 І 1 1 І Г 1 1 І 1 1 1 М І І 1 .
11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 11 1 1 1 1 1 1
11111111111111..........
І" і і і і м і і і і і тГ 1111111111111 м і і і і і і і і і і ■'
11 1 1 1 1 1 1 1 1 ТІ
'■ ■ і м і і і і і і Ц_ г.іііііііііі1 11 1 1 1 1 1 1 1 11 п
11 / 1 1 1 І 1 1 11 1.
іу /і і; і і і ті ті і і і
11 / 1 / 1 1 ’ ■ 11 Т 11 ■ ■ ■
11111111111111 17 111/11111111^
і т 14# І
м " і і уу ; // / і р
г/ / і м м і / / / / / / м ■■Г? / ' / 1 1 /У / / і \
^Гі / / 1/ ' 1 1/ 1/// / ''І'"
. . . ,Ті і і / і і і і/ / "'м/
' і / і і ■ і і і і і / і і / і / / > / / і /
1 1 ■ м і і і і і і і V " і і і і і ^
' її її / і // і і ' / ' ті і і і /
'іііі/і / /і»;;;-'----
III
' і і /1/ і і; і і і і і; і і
■ і і ; ; і ’ ’ ' ' ' і і і -
■ - і;;; і і" і і к і і
І / / / м / -м ’
- ■ ■ / /.......
і
і і і/у"^ і і /1/ і і 1 / і і ШГ' Ім' ■ Гт} і і / / / ■ і / / і і / / / і
...........
'?///рМ//-'/-'/М
///-'1/м/і////; /-17 і і і/^ / / / ’
' Г г г / -■ /_!■! 1*^ 11 1 / / / / ; -
•ЧЩ / РР?і му г /; і/ і і
м ; / / / / і і;її; / / ;/
1 / і і;;; і / / /; ук\ / / / /7 ; •
м м ; і і ’
і і і і і і 4
і ■ і і і і і ■-
;; і і і і і і ■ і і і *-
...... і;;...........
_ ; т / \/ / і;;; і // / і //
Ш / і / / / / і / ■- / і / / / / / /
■гг ''І / ’ т ■'■'//// /^ /
Ш і / /-’■'’/// і і і / -■
■'11-' / /^'///-'-'//11 МУ.......... . .
Г, У, \ }} у, { { V/, { V////// У/ І !
/г /-м /у /' ’-МУ > ’-'///-'-МУ / //у > / ' ■ ' -МУУ //-'-'’ МУУ > ’ / /УУУУУ
> ' ' ТІ ' іА’ ■'■'■' МУ ’ -М > > г -М /У IV м і
шг ’г?'і-му і
т\ > >г / /у / і і /У ' т /уї^^г / ‘
-МУ / / ' МУ ' т г Жі^Г-М ' -М ■
' / 1 ' / 1 ' /УУ І'”' ТШШ ' '//// '
' / ’ -■ 1 / ''І// 1 '/ ' -■ >/////
, , ^ , і V / V -■ \ і/////1 ’
’-'-'-'-',-'1//1/-'-'ум І//// -'-'■'-
МІМ 7// Л
М 11 1 / / ■' / 1
Рис. 15. Оптическое изображение боковой грани с покрытием толщиной 150 мкм в центре дорожки трения на стадии установившегося изнашивания (а) и соответствующее поле векторов смещения (б); время испытаний — 10 часов
Ш
1 V 'Р
100 мкм і 1
Рис. 16. Оптическое изображение боковой грани композиции с покрытием толщиной 150 мкм в центре дорожки трения на стадии установившегося изнашивания (а) и соответствующее поле векторов смещения (б); время испытаний — 13 часов
границе раздела II. На рис. 15, б эта зона представлена суперпозицией векторов смещения по сопряженным направлениям т тах (их векторные суммы направлены нормально поверхности трения). В прилегающем слое
подложки развиваются подобные сдвиги с доминирующим влиянием одного т тах.
При увеличении времени изнашивании до 13 часов (рис. 16) интенсивная деформация развивается в зоне
V
ри
80 мкм |
а
ир
150 мкм
і I
Рис. 17. Оптическое изображение боковой грани композиции с покрытием толщиной 350 мкм в центре дорожки трения на стадии приработки (а) и соответствующее поле векторов смещения (б); время испытаний — 8 часов
покрытия, прилегающей к поверхности трения. При этом нижележащая зона покрытия, которая испытала пластическую деформацию ранее, не проявляет новых следов развития пластического течения. В прилегающей к границе II широкой зоне подложки развивается суперпозиция сдвигов по сопряженным направлениям т тах, векторная сумма которых направлена вдоль поверхности трения. Это свидетельствует о том, что в подложке развиваются продольные смещения вдоль внешней приложенной силы трения. Это является принципиально важным фактором, снижающим тангенциальное воздействие на покрытие вращающегося вала в зоне трения (см. ниже в обсуждении).
3.3.2. Образцы с покрытием толщиной 350 мкм
В отличие от образца с тонким покрытием толстое покрытие уже на стадии приработки испытывает значительную пластическую деформацию (рис. 17, б). Вертикально ориентированные вектора смещений наблюда-
Рис. 18. Оптическое изображение боковой грани композиции с покрытием толщиной 350 мкм в центре дорожки трения на этапе установившегося изнашивания (а) и соответствующее поле векторов смещений (б, в); £ = 21 - (а); £ = 24 & = 3 ч (б); £ = 30 ч, & = 6 час (в)
ются в большом числе мезообъемов, среди которых имеются слабодеформированные области. Вертикальные вектора смещений, очевидно, являются векторной суммой сдвигов по сопряженным направлениям т тах, что в явном виде проявляется в подложке, ниже границы
раздела II, где представлены вектора смещений, направленные как по сопряженным направлениям ттах, так и их векторные суммы, ориентированные нормально поверхности трения.
На стадии установившегося износа продолжается развитие деформации как в толстом покрытии, так и в подложке (рис. 18). Однако распределение сдвигов в образце с толстым покрытием существенно отличается от соответствующей картины для образцов с тонким покрытием. За время испытания 30 часов в подложке так и не появляются результирующие продольные сдвиги. В то же время, такие продольные сдвиги доминируют в верхней полосе толстого покрытия, прилегающей к поверхности трения. Это означает, что подложка в образце с толстым покрытием слабо демпфирует воздействие на покрытие вращающегося вала и сила трения вызывает интенсивные продольные смещения в поверхностном слое толстого покрытия.
4. Обсуждение результатов
Обсуждение экспериментальных результатов проведем в следующей последовательности:
- механизм развития процессов на поверхности (дорожке) трения (п. 4.1);
- самоорганизация пластической деформации на различных структурных уровнях, при наблюдении на боковой грани композиции (п. 4.2);
- анализ стадийности кривой изнашивания (п.4.3).
4.1. Эволюция деформационного рельефа на поверхности трения
Построить поля векторов смещений на поверхности трения вследствие ее непрерывного износа не представляется возможным. Однако закономерности перераспределения твердых частиц на поверхности трения позволяют косвенно судить о характере сдвигов на изнашиваемой поверхности. Наибольший интерес представляет возникновение на поверхности трения строчечной структуры.
Хотя эффект возникновения строчечной структуры на поверхности трения хорошо известен в литературе, удовлетворительного объяснения он до сих пор не имеет. Физическая мезомеханика границ раздела в гетерогенных материалах такой эффект предсказывает [20, 21]. Согласно [20, 21] на границе раздела “контртело - покрытие” должны возникать пространственно осциллирующие концентраторы как нормальных, так касательных напряжений. Релаксация таких мезоконцентрато-ров напряжений в поверхностном слое осуществляется сдвигами по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений ттах. Продольные составляющие таких сдвигов будут обусловливать увеличение концентрации твердых частиц на “левом” краю дорожки трения, где вращающийся вал выходит из кон-
такта с колодкой. Поперечные составляющие сдвигов создают периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Последнее обусловливает поперечное перераспределение твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем “строчечной” структуры.
Полученные результаты о перераспределении дисперсных частиц на поверхности трения по мере нагружения композиций с покрытиями хорошо коррелируют с данными, полученными в работе [22] при прокатке сплава 36НХТЮ. При анализе эволюции текстур деформации, формирующихся в процессе прокатки [22], был обнаружен периодический характер изменения полюсной плотности основных ориентировок. Данный эффект проявлялся как на прямых полюсных фигурах, так и на микродифракционных картинах мезополос локализованной деформации. Последние распространяются по сопряженным направлениям Tmax и развиваются по схеме фазовой волны. Пересечение квазипериодических мезополос по сопряженным направлениям Tmax обусловливало возникновение в деформируемом материале блочной мезоструктуры. Процессы, развивающиеся при прокатке образцов, в ходе которой происходит взаимодействие прокатного валка и обрабатываемого материала, должны быть качественно подобны процессам, развивающимся при взаимодействии контртела и образца в паре трения.
Постоянное изменение деформационной структуры мезополос в ходе нагружения может быть связано с несколькими факторами:
- локализованным развитием пластической деформации на дорожке трения в пределах отдельных пятен контакта (hot-spots), сопровождающихся “смятием” выступов на поверхности трения образца [12];
- уносом материала с поверхности трения;
- постепенным накоплением дефектной структуры в приповерхностном слое образца, сопровождающимся деформационным упрочнением, что изменяет напряженно-деформированное состояние;
- перераспределением в покрытии дисперсных упрочняющих частиц, которые под действием высоких напряжений, развивающихся на поверхности трения, испытывают смещение относительно первоначального положения.
Сопоставление изображений монтажей дорожек трения на обеих стадиях изнашивания в образцах с различной толщиной покрытия выявило две характерные особенности:
- большее количество дисперсных упрочняющих частиц на левом краю дорожки трения в образцах с толщиной покрытия 350 мкм на стадии приработки (рис. 8, 9);
- большая глубина “строчек” на поверхности трения в образцах с толстым покрытием на стадии установившегося износа (рис. 10, 11).
На стадии приработки интенсивность изнашивания, равно как и интенсивность развития пластической деформации в тонком приповерхностном слое, выше, чем на стадии II.
Наличие сформировавшейся мезоструктуры на стадии установившегося изнашивания и движение ее элементов по схеме “сдвиг + поворот” обусловливает развитие трещин по границам мезообъемов и их отделение как частиц износа. Частицы твердой фазы будут при этом проявлять свои абразивные свойства, что обусловит увеличение глубины строчечной структуры на стадии II.
Необходимость учета в моделях изнашивания возникновения диссипативных субструктур и их ротационной неустойчивости обсуждается во многих работах. Существенная роль границы раздела “контртело - образец” в формировании напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях трения до сих пор не принималась во внимание. Более подробное исследование этого явления будет проведено в ближайших работах.
4.2. Эволюция полей векторов смещений на боковой грани композиций
Следует отметить, что интерпретация направлений смещений участков поверхности в условиях сложного объемного напряженно-деформированного состояния (имеющего место в паре трения) является довольно сложной задачей. В условиях трения и износа наблюдение процессов пластической деформации на боковой грани может усложняться наложением эффекта “наплыва” материала, пластически деформируемого в области трибоконтакта. Тем не менее, анализ полей векторов смещений позволил качественно проследить динамику развития мезоскопической пластической деформации и вскрыть существенную роль процессов, развивающихся на границе раздела II.
Основным механизмом развития пластической деформации на мезомасштабном уровне являются пластические сдвиги в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений. Их векторная сумма может обусловливать итоговую ориентацию векторов смещений в покрытии и подложке как в направлении приложения силы Р, так и в направлении силы трения F.
Полученные в работе характерные картины распределения векторов смещений на боковой грани композиций с электронно-лучевыми наплавленными покрытиями различной толщины позволили представить последовательность развития процессов пластической деформации на мезомасштабном уровне на различных стадиях изнашивания в следующем виде.
4.2.1. Стадия приработки
В тонком покрытии на данной стадии пластические смещения не обнаруживаются. Данный результат может быть следствием двух факторов:
1. Под действием силы Р тонкое покрытие как единое целое выгибается упруго, что после разгрузки образца не может быть выявлено на картине векторов смещений.
2. Интенсивный износ в тонком приповерхностном слое (единицы микрон) не вызывает пластической деформации в основном объеме тонкого покрытия.
Различие упругих модулей покрытия и подложки вызывает возникновение на их границе раздела осциллирующих концентраторов напряжений, при релаксации которых пластическая деформация развивается лока-лизованно в приграничном с покрытием слое подложки. Это и проявляется на картине распределения векторов смещений (рис. 14)
В толстом покрытии имеется послойная неоднородность структуры, поэтому выгибаться упруго как единое целое оно не способно. Высокая твердость на поверхности такого покрытия снижает интенсивность пластической деформации в области границы раздела I. Однако нормальное давление Р эффективно передается на нижележащие слои покрытия. При этом наличие в таком покрытии “разупрочненного” слоя с дендритной структурой обусловливает развитие в толстом покрытии многочисленных мезообъемов локализованной пластической деформации. Это может способствовать и перемещению верхних “слоев” покрытия в направлении границы раздела II. Возникновение на границе раздела II пространственно осциллирующих мезоконцентраторов напряжений обусловливает пластическую деформацию в узкой зоне подложки, прилегающей к границе раздела II.
4.2.2. Стадия установившегося изнашивания
Качественное отличие поведения тонкого и толстого покрытий на стадии установившегося изнашивания проявляется в возникновении ниже границы раздела II образца с тонким покрытием “отраженных” сдвигов по сопряженному направлению ттах. Их векторная сумма с первичными сдвигами в данной зоне подложки обеспечивает продольные смещения материала указанной зоны в направлении внешней силы трения (рис. 16). Это эффективный релаксационный фактор, который который снижает уровень концентраторов напряжений в локальных областях контакта вращающегося вала со сложным профилем изнашивающегося покрытия. В образце с толстым покрытием за время испытаний 30 часов “отраженных” сдвигов в подложке не наблюдалось (рис. 18). Как следствие, эффективного фактора релаксации около границы раздела II не возникало. В результате основное воздействие вращающегося вала воспринималось поверхностным слоем толстого покрытия. Это проявлялось в возникновении в указанном поверхностном слое продольных смещений в направлении приложенной силы трения F (рис. 18, в).
Таким образом, напряженно-деформированное состояние материала в зоне границы раздела “покрытие -
подложка” играет существенную роль в развитии процессов изнашивания в парах трения.
4.3. Кривые изнашивания
Проведенный выше анализ в пп. 4.1 и 4.2 позволяет объяснить вид кривых изнашивания на рис. 7.
4.3.1. Более короткая протяженность стадии приработки в образце с тонким покрытием, чем в образце с толстым покрытием объясняется быстрым возникновением в подложке “встречных сил изображения”. Эти силы генерируют “отраженные” сдвиги по направлению ттах, сопряженному первичным сдвигам, вызванным совместным воздействием внешнего удельного давления и силы трения. Это предотвращает развитие пластических сдвигов в глубину подложки и ограничивает их распространение только тонким покрытием. В образцах с толстым покрытием “отраженные” сдвиги в подложке не наблюдались за 30 часов испытаний. Это резко увеличивает протяженность стадии приработки в образцах с толстым покрытием.
4.3.2. Меньшее содержание упрочняющих частиц в тонком покрытии и его больший прогиб под давлением вращающегося вала обусловливают более быстрое увеличение ширины дорожки трения на стадии приработки по сравнению с соответствующей характеристикой толстого покрытия.
4.3.3. Высокая эффективность релаксационного фактора при продольных перемещениях в подложке около границы раздела II обеспечивает более низкую интенсивность износа в тонком покрытии по сравнению с толстым покрытием вплоть до выхода кривой изнашивания образца с толстым покрытием на стадию установившегося износа.
4.3.4. Более низкая интенсивность износа на его установившейся стадии для толстого покрытия (по сравнению с тонким покрытием) может быть связана с более интенсивным поперечным перераспределением твердых частиц в строчечной структуре на поверхности трения.
4.3.5. Минимальная эффективная толщина электронно-лучевого наплавленного слоя определяется содержанием твердых частиц в упрочняющем покрытии. Как показано в работах [8,17,19] количество твердых частиц увеличивается от границы раздела II к поверхности покрытия и достигает некоторого постоянного уровня только на определенном расстоянии от подложки, что определяется режимом наплавки. На приведенном на рис. 5 графике распределения микротвердости видно, что первое появление высокотвердых частиц наблюдается на расстоянии =100 мкм от границы раздела. В результате электронно-лучевое наплавленное покрытие будет обладать высоким сопротивлением изнашиванию только при определенной минимально необходимой толщине.
0 10 20 30 40
Время испытаний, ч
Рис. 19. Кривые удельного давления на дорожку трения для композиций с толщиной покрытия 150 (1) и 350 мкм (2)
4.3.6. При анализе кривых износа следует учитывать еще один фактор. При использовании схемы нагружения “вал - колодка” в процессе изнашивания образцов непрерывно увеличивается контурная площадь поверхности контакта, следовательно, при постоянной прикладываемой нагрузке давление непрерывно падает, что влечет за собой уменьшение интенсивности изнашивания (по стандарту ASTM G77 — [18]). Подобный результат становится очевидным при построении графика зависимости удельного давления от времени нагружения а = /(£) (рис. 19). На приведенном графике видно, что по мере увеличения ширины дорожки трения среднее напряжение (удельное давление) уменьшается пропорционально ему. В то же время, выход на стадию установившегося изнашивания в образце с более тонким покрытием произошел уже при величине удельного давления ~50 МПа, в то время как в композиции с толстым покрытием такой переход имел место при значении этого параметра ~30 МПа. Это свидетельствует о том, что фактор отличия площади истинного контакта “вал -покрытие” не является определяющим в поведении кривых износа образцов с толстым и тонким покрытиями.
5. Заключение
Результаты проведенного исследования позволяют предложить следующую модель напряженно-деформированного состояния и процесса изнашивания материала с упрочняющим покрытием.
Напряженно-деформированное состояние на мезо-уровне при трении и изнашивании композиций с покрытиями определяется двумя границами раздела: “контртело - покрытие” (граница I) и “покрытие - подложка” (граница II). Возникающие на этих границах раздела стохастически распределенные пространственно-ос-циллирующие мезоконцентраторы напряжений вызывают в покрытии пластические сдвиги по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений и их векторным суммам.
На поверхности трения мезоконцентраторы связаны с шероховатостью поверхности (стохастически распределенные концентраторы), несовместностью упругой деформации покрытия и контртела (квазипериодически распределенные концентраторы), гетерогенной структурой покрытия, различием коэффициентов термического расширения контртела и покрытия. На границе раздела “покрытие - подложка” определяющую роль играют мезоконцентраторы, связанные с несовместностью упругой деформации материалов покрытия и подложки, а также термическими напряжениями, вызванными различием коэффициентов термического расширения сопряженных материалов.
Стадия приработки в композициях с покрытиями определяется суперпозицией релаксационных процессов, связанных с мезоконцентраторами напряжений на поверхности трения и границе раздела “покрытие - подложка”. Стадия приработки на границе I связана с уменьшением шероховатости поверхности трения, формированием деформационной мезосубструктуры микронного диапазона в приграничном слое. Стадия приработки на границе II связана с релаксацией осциллирующих мезоконцентраторов напряжений, что сопровождается развитием пластической деформации как в раз-упрочненном в процессе электронно-лучевой наплавки слое покрытия, так и нижележащем слое подложки.
На стадии установившегося износа в трибосистеме с покрытием устанавливается квазистационарное состояние: мезоконцентраторы возникают и релаксируют пластическими сдвигами в условиях квазистационар-ной мезосубструктуры в покрытии и подложке. Продольные составляющие сдвигов в поверхностном слое обусловливают увеличение концентрации твердых частиц на левом краю дорожки трения, где вращающийся вал выходит из контакта с покрытием. Поперечные составляющие сдвигов формируют в поверхностном слое “строчечную” структуру, связанную с поперечным перераспределением частиц твердых включений. В композиции с тонким покрытием квазистационарное состояние на границе раздела “покрытие - подложка” устанавливается быстрее, что обусловливает в такой композиции более короткую стадию приработки и менее интенсивный износ материала с покрытием.
Благодарности
Авторы выражают признательность д.ф.-м.н. Колу-баеву А.В. за помощь в организации триботехнических испытаний. Работа выполнена при поддержке молодежного проекта РАН “Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики”, а также молодежного проекта СО РАН “Мезомеханика внутренних границ раздела высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий”.
Литература
1. КрагелъскийИВ. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. -
480 с.
2. Костецкий Б.И. Структурно-энергетическая приспособляемость материалов при трении // Трение и износ. -1985. - Т. 6. - № 2. -
С. 201-212.
3. БершадскийЛ.И. Энтропийно-энергетический подход в проблеме
самоорганизации трибосистем // Трение, износ и смазочные материалы: В 3 т. - М.: Машиностроение, 1985. - Т. 2. - С. 282-287.
4. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. -М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.
5. Алексеев Н.М. Новое о структурных особенностях изнашивания твердых тел // Трение и износ. - 1989. - Т. 10. - № 2. - С. 450-459.
6. ГаркуновД.Н. Триботехника: Учебник для студентов втузов. - М.:
Машиностроение, 1989. - 328 с.
7. Тушинский Л.И., Потеряев Ю.П. Проблемы материаловедения в трибологии. - Новосибирск: НЭТИ, 1991. - 63 с.
8. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Столбов А.А., Синдеев В.И. Конструктивная прочность композиции “основной металл - покрытие”. - Новосибирск: Наука, 1996. - 296 с.
9. Иванова В.С., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. - 363 с.
10. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.
11. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. - М.: Машиностроение, 1999. - 544 с.
12. ПанинВ.Е., КолубаевА.В., СлосманА.И., Тарасов С.Ю., Панин С.В., Шаркеев Ю.П. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - №2 1. - С. 67-74.
13. Легостаева Е.В., Панин С.В., Гриценко Б.П., Шаркеев Ю.П. Исследование процессов пластической деформации на макро-, мезо-и микромасштабных уровнях при трении и износе стали 45, поверхностно упрочненной ионной имплантацией // Физ. мезомех. -1999. - Т. 2. - № 5. - С. 79-92.
14. Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. Структура поверхностных слоев трения сплава 36НХТЮ // Изв. вузов. Физика. - 1991. - № 8. - С. 912.
15. Рапопорт Л. С. Уровни пластической деформации поверхностных слоев и их связь с процессами изнашивания // Трение и износ. -1983. - Т.4. - № 1. - С. 121-131.
16. PaninS.V, Bydzan A.Yu., BaibulatovSh.A., KorobkinaN.N. Structural levels of plastic deformation and fracture of coated materials under different schemes of external loading // Proceedings of the V Korea-Russia International Symposium on Science and Technology, Korus’2001, June 26-July 3, 2001. - Tomsk: TPU, 2001. - Vol. 1. -P. 277-280.
17. Панин В.Е., Белюк С.И., ДураковВ.Г., ПрибытковГ.А., Ремпе Н.Г. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -
№ 2. - С. 34-39.
18. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах мира / Под ред. проф. Каршенбаума. - М.: Центр “Наука и техника”, 1993. - 325 с.
19. Клинская-Руденская Н.А., Копыгсов В.А., Коцот С.В. Особенности композиционных покрытий на основе Ni-Cr-B-Si сплавов. Исследование износостойкости покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 1994. - № 6. - С. 52-57.
20. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в уп-ругонагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - 1978. -№ 12. - С. 95-101.
21. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т.3. - № 6. - С. 5-36.
22. Строкатов РД. Динамика мезоскопической структуры и сверхпластичность аустенитных сталей сплавов // Физическая мезоме-ханика и компьютерное конструирование материалов. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т.1. - С. 208-240.
