CC BY
23
Физика
УДК 531.43
DOI 10.21661/r-508093 Юров В.М., Гученко С.А.
К вопросу о трении высокоэнтропийных сплавов и покрытий
Аннотация
В настоящей работе авторами предлагается новый подход к рассмотрению явления трения в ВЭСах и, в частности, сухого трения. Получено уравнение, которое показывает нелинейную зависимость коэффициента трения от энергии Гиббса G0, от температуры Т, от концентрации числа электронов N и которое позволяет прогнозировать формирование высокоэнтропийных сплавов и покрытий.
| Ключевые слова: температура, энергия Гиббса, покрытие, трение, электрон, высокоэнтропийный сплав.
Yurov V.M., Guchenko S.A.
Revisiting the friction of high entropy alloys and coatings
Abstract
In this paper, the authors propose a new approach to the consideration of the friction phenomenon in HEAs and, in particular, dry friction. An equation is obtained that shows the nonlinear dependence of the friction coefficient on Gibbs energy G0, on temperature T, on the concentration of the number of electrons N and which allows predicting the formation of high entropy alloys and coatings.
I Keywords:coating, temperature, friction, Gibbs energy, electron, high entropy alloy.
Введение
Основной причиной, приводящей к износу деталей механизмов и машин, является трение. Само это явление настолько многообразно, что требует привлечения большого числа смежных дисциплин. Тем не менее, многие аспекты этого явления являются предметом интенсивных исследований и в настоящее время [1].
Начало XXI века ознаменовалось открытием нового класса металлических систем - высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) [2]. Данная концепция предложила обширные возможности для разработки новых сплавов для конструкционных и функциональных применений. Мы не будем останавливаться на всех вопросах, связанных с фазобразованием в таких сплавах, отсылая к работам [2-8]. В настоящей работе нами предлагается новый подход к рассмотрению явления трения в ВЭСах и, в частности, сухого трения.
Анализ модели. В работе [9] в рамках термодинамического подхода для го трения нами получена
КР = C • T•
^ • N
AG0
(1)
ных носителей разрушения (пропорциональное числу дефектов), С - постоянная. Поскольку, как известно,
G0 = H - TS + PV
(2)
где Н - энтальпия; Т - температура; S - энтропия; V -объем.
Изменение энергии Гиббса в общем случае равно:
AG0 = AH - TAS + PAY + VAP
(3)
коэффициента сухо-следующая формула:
где А - работа (энергия) разрушения, Т - температура, ЛG0 - энергия Гиббса, N - среднее число элементар-
Из уравнения 2 следует, что возможность самопроизвольного протекания химических реакций зависит от соотношения величин АН и TAS [10].
Общая энтропия смешения складывается из четырех составляющих: конфигурационная, S^, колебательная, S , магнитная, S , электронная, S [10].
Следовательно, энтропия смешения:
^смеш =ASK0HÍ, + ASv+ASm +ASe (4)
По мнению автора работы [2], для случая многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов, состоящих из 5 и более элементов конфигурационная энтропия смешения доминирует над тремя другими составляющими. Таким образом, увеличение
Physics
количества элементов должно снижать свободную энергию из-за роста вклада энтропии смешения.
Расчетные формулы параметров представлены в работе [11]:
- энтропия смешения:
^смеш = Ci 1П Ci,
(5)
где R - универсальная газовая постоянная, а - содержание (ат. %) ьтого элемента в сплаве; - энтальпия смешения:
АН_ = X 4 П
cc.
J i J
(6)
. a
k =-
mp b + cP
(7)
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения алмаза по алмазу в вакууме от давления
Таблица 1
Соотношение расчетной величины усредненного атомного радиуса с контактным модулем упругости и твердостью в высокоэнтропийных сплавах [14]
Но в работе [11] не учитывается параметр ДР из уравнения (3), который для ВЭСов играет значительную роль [12]. Тогда из (1) мы имеем следующую зависимость коэффициента трения от давления:
Состав Расчетный атомный радиус, нм E, ГПа H, ГПа
VNb2TaCrMoW 0,1370 111 6,1
VNbTaCrMo2W 0,1360 126 7,2
VNbTaCrMoW 0,1361 127 7,2
NbCrMoV2TaW 0,1358 131 8,4
NbCr2MoV2TaW 0,1344 134 9,0
VNbTaCr2MoW 0,1341 155 10,5
NbCr2MoVTaW 0,1331 167 13,0
где а, Ь, с - постоянные.
Из (7) следует, что коэффициент трения увеличивается с уменьшением давления. Это приводит к нежелательным эффектам в условиях космического вакуума. На рисунке 1 приведена подобная зависимость из работы [13]. Зависимость очень хорошо описывается нашей формулой (7).
Зависимость (1) должна наблюдается и от концентрации числа электронов N : к~ N . Такой зависимости нами не обнаружено, но можно поступить по иному. Исследования показали [14], что дополнительная добавка в высокоэнтропийный сплав количества атомов какого-либо базового элемента будет оказывать влияние на параметр решетки и соответственно на такие характеристики, как модуль упругости и твердость (и электрические характеристики). В табл. 1 представлены результаты дополнительного легирования эквиатомного сплава VNbTaCrMoW с ОЦК решеткой различными базовыми элементами на характеристики контактного модуля упругости (Ег) и твердости (Н) [14].
Представленные данные наглядно демонстрируют, что снижение расчетного атомного радиуса сопровождается увеличением контактного модуля упругости и твердости независимо от модуля упругости атомов вводимого дополнительно элемента.
Из полученной нами формулы (1) следует, что коэффициент сухого трения линейно зависит от работы разрушения контактов (шероховатостей).
Работа А (Дж), затрачиваемая на разрушения контактов пропорциональна вновь образованной поверхности частиц разрушенного продукта:
A = yAS = KRD 2
(8)
где у- временное сопротивление сжатию (Н^м / м2), ДS - площадь вновь образованной поверхности (м2), К - коэффициент пропорциональности (Н^м / м2), D -характерный размер контакта (м).
Уравнение (8) соответствует гипотезе Риттингера (1867 г.) [15]. Если при разрушении контакта кубической формы энергия затрачивается в основном на деформацию объема, то в этом случае производимая работа прямо пропорциональна изменению его первоначального объема и определяется по формуле Кирпи-чева - Кика [15]:
A = K AV = KKD3
(9)
где К и КК - коэффициенты пропорциональности (Н^м / м3), ДV - деформированный объем (м3).
П.А. Ребиндер (1941 г.) объединил обе гипотезы и в этом случае полная работа разрушения равна [15]:
A = KrD 2 + KKD3
(10)
По гипотезе Бонда (1950 г.) работа разрушения пропорциональна среднему геометрическому между объемом и площадью поверхности контакта [15]:
A = = KBD
2,5
(11)
Все формулы (9) - (11) различаются коэффициентами пропорциональности и показателями степени диаметра контакта. Этот показатель связан с размерностью поверхности контакта, которая в современном понимании имеет фрактальную природу. Все формулы показывают, что коэффициент трения к пропорциона-
Физика
лен работе А в формуле (1), то есть пропорционален твердости. В качестве примера, такие данные представлены в таблице 2.
Таблица 2
Трибологические характеристики испытуемых систем [16]
Образец Коэффициент трения, k , Г ' то' Фактор износа мм3хН"1хмм"1
начальный при испытаниях контртела (х10-5) образца (х10-5)
Покрытие (Ti-Hf-Xr-V-Nb)N 0,469 1,19 2,401 0,039
Сталь 45 0,204 0,67 0,269 35,36
ского (1950-1960) температурная зависимость коэффициента трения вычислялась множество раз. Мы приведем формулу из работы [17], которая, по сути, подобна формуле И.В. Крагельского:
k mp = C 1 Ta
- A>Cl
+ 2T-1 dT + C
max 7 2
dx
(12)
где Си - теплоемкость.
Формула (12) содержит 5 неизвестных параметров и она мало пригодна при интерпретации экспериментальных данных. Нашу формулу (1) можно переписать в виде, используя формулу А.Г. Булаха ^°=а+ЪТ+сТ2) [18]:
Из данных, представленных в табл. 2, видно, что нанесение (ТьШ-Хг-У-ЫЪ^ нитридного покрытия на сталь 45 приводит к повышению коэффициент трения от 0,469 до 1,19 [16].
Необходимо отметить [16], что (ТьШ-Хг-У-№^ покрытия обладают сравнительно меньшим коэффициентом трения по сравнению с другими покрытиями на основе высокоэнтропийных сплавов, например: 0,76 для (А1-Сг-Та-Ть2г^ покрытия, 0,96 - (Ть2г-№-Ш-Та№ 0,8 - (А1-Сг-Мо-Та-Тьгг)К
В формуле (1) коэффициент трения ктр содержит зависимость от температуры. Начиная с И.В. Крагель-
k = C---
тр a + bT + cT2
(13)
Формула (13) описывает всю область температурной зависимости коэффициента трения: при А >> BT+DT2 - линейная; ВТ >> A+DT2 - постоянная; DT2 >> А+ВТ гиперболически убывающая.
Заключение
Таким образом, нами получено уравнение (1), которое показывает нелинейную зависимость коэффициента трения от энергии Гиббса G0, от температуры Т, от концентрации числа электронов N и которое позволяет прогнозировать формирование высокоэнтропийных сплавов.
Работа выполнена при финансовой поддержке МОНРК. Гранты №0118РК000063 и №Ф.0781.
Литература
1. Фролов К.В. Современная трибология: Итоги и перспективы. - М.: Наука, 2008. - 480 с.
2. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J. High-entropy alloys - a new era of exploitation // Materials Science Forum. 2007. Vol. 560. - P. 1-9.
3. Фирстов С.А. Новый класс материалов - высокоэнтропийные сплавы и покрытия / С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка [и др.] // Вестник ТГУ - 2013. - Т.18. Вып.4. - С. 1938-1940.
4. Погребняк А.Д. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе / А.Д. Погребняк, А.А. Багдасарян, И.В. Якушенко [и др.] // Успехи химии. - 2014. - Т. 83(11). - С. 1027-1061.
5. Погребняк А.Д. Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и нитридных покрытий на их основе / А.Д. Погребняк, А.А. Багдасарян, И.В. Якушенко [и др.] // Успехи химии. - 2014. - Т. 83(11). - С. 1027-1061.
6. Ивченко М.В. Структура, фазовые превращения и свойства высокоэнтропийных эквиатомных металлических сплавов на основе AlCrFeCoNiCu: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Екатеринбург, 2015. - 167 с.
7. Юрченко Н.Ю. Разработка и исследование высокоэнтропийных сплавов с высокой удельной прочностью на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr: дис. ... канд. техн. наук. - Белгород, 2019. - 187 с.
8. Коуров Н.И. Структура и физические свойства быстрозакаленного из расплава высокоэнтропийного сплава AlCrFeCoNiCu / Н.И. Коуров, В.Г. Пушин, А.В. Королёв [и др.] // ФТТ. - 2015. - Т. 57. Вып. 8. - С. 1579-1589.
9. Юров В.М. Определение коэффициента трения скольжения / В.М. Юров, С.А. Гученко, Н.Х. Ибраев // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2010. - №8. - С. 148-152.
10. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. - 400 с.
11. Шайсултанов Д.Г. Структура и механические свойства высокоэнтропийных сплавов системы CoCrFeNiX (X=Mn, V, Mn и V, Al и Cu): дис. ... канд. тех. наук. - Белгород, 2015. - 142 с.
12. 12. Фирстов С.А. Влияние пластической деформации на фазовый состав и свойства высокоэнтропийных сплавов / С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка [и др.] // Мiжвузiвський збiрник «Науковi нотатки». Випуск №54. - Луцьк, 2016.- С. 326-338.
13. Нусинов М.Л. Космический вакуум и надежность космической техники // Новое в жизни, науке, технике. -1986. - №6. - 59 с.
Physics
14. Фирстов С.А. Новый класс материалов - высокоэнтропийные сплавы и покрытия / С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка [и др.] // Вестник ТГУ - 2013. - Т.18. Вып.4. - С. 1938-1940.
15. Партон В.З. Механика разрушения: от теории к практике. - М.: Наука, 1990. - 240 с.
16. Багдасарян А.А. Структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства нитридных покрытий на основе Ti, Hf, Zr, V и Nb: дис. канд. физ.-мат. наук. - Сумы, 2014. - 140 с.
17. Рыжкин А.А. О влиянии температурного поля на трибологические характеристики пары трения // Вестник ДГТУ - 2005. - Т.5. №3(25). - С. 460 - 471.
18. Булах А.Г. Методы термодинамики в минералогии. - М.: Недра. 1968. - 175 с.
References
1. Frolov, K. V. (2008). Sovremennaia tribologiia: Itogi i perspektivy., 480. M.: Nauka.
2. Yeh, J. W., Chen, Y. L., & Lin, S. J. High-entropy alloys. Materials Science Forum. 2007. Vol. 560, P. 1.
3. Firstov, S. A., Gorban', V. F., & Krapivka, N. A. (2013). Novyi klass materialov. Vestnik TGU, T. 18. Vyp4, 1938-1940.
4. Pogrebniak, A. D., Bagdasarian, A. A., & Iakushenko, I. V (2014). Struktura i svoistva vysokoentropiinykh splavov i nitridnykh pokrytii na ikh osnove. Uspekhi khimii, T. 83(11), 1027-1061.
5. Pogrebniak, A. D., Bagdasarian, A. A., & Iakushenko, I. V (2014). Struktura i svoistva vysokoentropiinykh splavov i nitridnykh pokrytii na ikh osnove. Uspekhi khimii, T. 83(11), 1027-1061.
6. Ivchenko, M. V. (2015). Struktura, fazovye prevrashcheniia i svoistva vysokoentropiinykh ekviatomnykh metallicheskikh splavov na osnove AlCrFeCoNiCu: dis. ... kand. fiz.-mat. nauk., 167. Ekaterinburg.
7. Iurchenko, N. Iu. (2019). Razrabotka i issledovanie vysokoentropiinykh splavov s vysokoi udel'noi prochnost'iu na osnove sistemy Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr., 187. Belgorod.
8. Kourov, N. I., Pushin, V G., & Koroliov, A. V (2015). Struktura i fizicheskie svoistva bystrozakalennogo iz rasplava vysokoentropiinogo splava AlCrFeCoNiCu. FTT, T. 57. Vyp. 8, 1579-1589.
9. Iurov, V. M., Guchenko, S. A., & Ibraev, N. Kh. (2010). Opredelenie koeffitsienta treniia skol'zheniia. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii, 8, 148-152.
10. Gottshtain, G. (2009). Fiziko-khimicheskie osnovy materialovedeniia., 400. M.: Binom. Laboratoriia znanii.
11. Shaisultanov, D. G. (2015). Struktura i mekhanicheskie svoistva vysokoentropiinykh splavov sistemy CoCrFeNiX (Kh=Mn, V, Mn i V, Al i Cu)., 142. Belgorod.
12. Firstov, S. A., Gorban', V. F., & Krapivka, N. A. (2016). Vliianie plasticheskoi deformatsii na fazovyi sostav i svoistva vysokoentropiinykh splavov. Mizhvuzivs'kii zbirnik "Naukovi notatki". Vipusk 54. -- S. 326-338, 326-338. Luts'k.
13. Nusinov, M. L. (1986). Kosmicheskii vakuum i nadezhnost' kosmicheskoi tekhniki. Novoe v zhizni, nauke, tekhnike, 6, 59.
14. Firstov, S. A., Gorban', V. F., & Krapivka, N. A. (2013). Novyi klass materialov. Vestnik TGU, T. 18. Vyp4, 1938-1940.
15. Parton, V. Z. (1990). Mekhanika razrusheniia., 240. M.: Nauka.
16. Bagdasarian, A. A. (2014). Strukturno-fazovoe sostoianie i fiziko-mekhanicheskie svoistva nitridnykh pokrytii na osnove Ti, Hf, Zr, V i Nb., 140. Sumy.
17. Ryzhkin, A. A. (2005). O vliianii temperaturnogo polia na tribologicheskie kharakteristiki pary treniia. Vestnik DGTU, T.5. 3(25), 460-471.
18. Bulakh, A. G. Metody termodinamiki v mineralogii., 175.
