CC BY
237
Механика пластической деформации и разрушения поверхностно упрочненных твердых тел в условиях трения
П.А. Витязь, В.Е. Панин1, A.B. Белый, A.B. Колубаев1
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
На основе представлений физической мезомеханики проведен анализ деформации и разрушения поверхностно упрочненных материалов при трении. Упрочненная поверхность образца блокирует зарождение дислокаций на поверхности и подавляет развитие в образце деформации на микромасштабном уровне. При этом на границе раздела «покрыгтие - основа» нагруженного твердого тела формируются концентраторы напряжений, генерирующие в поверхностно упрочненном слое трещины, а в объеме материала — мезополосы локализованной деформации. Это обусловливает возникновение в деформируемом материале фрагментированной мезоструктуры, по границам которой затем происходит разрушение.
1. Введение
Известные данные о влиянии поверхности на физико-механические свойства твердого тела инициируют усилия исследователей на поиск таких способов модифицирования поверхностных слоев, которые позволили бы направленно влиять на процессы макроскопического деформирования материалов. Распространенными методами обработки поверхности являются химико-термический, газопламенный, ионно-плазменный методы 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 дает 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.
Опубликованные к настоящему времени научные работы о поведении твердого тела при различных способах нагружения, основанные на применении макроскопических методов механики сплошной среды и микроскопической теории дислокаций, дают некоторые представления о роли поверхностных слоев в процессах де-
формирования и разрушения. Однако эксплуатационные характеристики упрочняющих и защитных покрытий в значительной степени определяются сложным напряженно-деформированным состоянием на границах раздела «контртело - покрытие - подложка», которое не может быть описано без привлечения методов физической мезомеханики [1-7]. Степень описания и точность воспроизведения напряженно-деформированного состояния представляются чрезвычайно важными, поскольку от этого зависит применение тех или иных упрочняющих покрытий и технологий их нанесения на узлы и детали различных конструкций.
Физическая мезомеханика описывает нагруженное твердое тело как иерархическую систему, в которой процессы деформации и разрушения развиваются самосогласованно на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Причем пластическая деформация, обусловленная локальной потерей сдвиговой устойчивости твердого тела, начинается в зонах концентраторов напряжений соответствующего масштаба [6] и, в первую очередь, в поверхностных слоях материала, так как они имеют наименьшее сдвиговое сопротивление [5, 8-12]. В результате в поверхностных слоях интенсивно развиваются мезополосы локализованной деформации, снижающие сопротивление сдвигу твердого тела. С позиций физической мезомеханики поверхностный слой в
© Витязь П.А., Панин В.Е., Белый A.B., Колубаев A.B., 2002
деформируемом образце является самостоятельным мезоскопическим структурным уровнем деформации, играющим фундаментальную роль в пластичности и прочности материалов. Поверхностные концентраторы напряжений генерируют деформационные дефекты (точечные дефекты, дислокации, дисклинации, мезопо-лосы 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. Однако блокирование зарождения дефектов и подавление деформации на микромасштабном уровне в поверхностном слое вследствие упрочнения приводят к несовместности деформаций покрытия и основы. Это обусловливает возникновение на границе раздела «покрытие -подложка» концентраторов напряжений, снижает многие характеристики сопротивления деформации материала и вызывает образование трещин в покрытии, которые являются предвестником разрушения твердого тела.
На первый взгляд, данное противоречие ведет к неразрешимым проблемам при разработке материалов с покрытиями, поскольку поверхностное упрочнение, повышая износостойкость материала, как правило, снижает предел текучести и усталостную прочность, которые являются важнейшими физико-механическими характеристиками твердого тела [13]. Новый подход, основанный на физической мезомеханике, позволил вскрыть не только новые механизмы и закономерности формирования деформационных дефектов на границе раздела «поверхностно упрочненный слой - подложка» в условиях внешних воздействий, но и определил пути конструирования градиентных материалов нового поколения. Физическая мезомеханика ответила на вопрос, почему анализ отдельных механических свойств сплавов не может быть достаточным для оценки эксплуатационных свойств поверхностно упрочненного материала. Она показала, какие процессы играют ведущую роль при различных видах нагружения твердого тела, в чем их специфика при трении, кавитации, фреттинге и др. Основным достижением мезомеханики деформируемого твердого тела следует признать обоснование необходимости самосогласованного описания деформирования на всех структурных уровнях (как существующих в исходном состоянии, так и возникающих в ходе деформации), которые вовлекаются в этот процесс в различных комбинациях. Это обстоятельство обусловливает различия в поведении материала при изменении условий внешнего нагружения.
В данной статье поставлена задача обобщения основных физических закономерностей деформации и разрушения упрочненных поверхностных слоев в ус-
ловиях трения. Анализ литературных данных свидетельствует о том, что характер деформирования твердого тела при изнашивании и объемном нагружении качественно подобен. Одним из первых применил методы описания объемной деформации к процессам трения и износа В.И. Владимиров [14]. В дальнейшем, справедливость данного утверждения нашла подтверждение в работах В.Е. Панина с сотрудниками [15-17], в которых продемонстрировано подобие пластической деформации материалов при растяжении и деградации поверхностных слоев при трении. В обоих случаях подобие проявляется в последовательности вовлечения одних и тех же механизмов в процесс деформирования твердого тела. Последнее упрощает анализ процессов, происходящих при трении, так как накопленный за два десятилетия объем экспериментальных и теоретических данных дает достаточно полное представление о закономерностях деформирования и разрушения твердого тела при внешнем нагружении на мезомасштабном уровне.
Статья посвящена анализу основных закономерностей образования и эволюции деформационных дефектов различных масштабных уровней на границе раздела «покрытие - основа» и внутренних слоях материала при одноосном нагружении и трении с позиций методологии физической мезомеханики. Принципиальное значение при этом уделяется механизмам зарождения концентраторов напряжений на границах раздела.
2. Особенности деформирования и разрушения поверхностно упрочненных твердых тел
При формировании модифицированных поверхностных слоев, высокопрочных и защитных покрытий на конструкционных материалах, обеспечивающих повышение износостойкости, защиту поверхности от воздействия высоких температур и агрессивных сред, сталкиваются с проблемой выбора параметров структуры покрытий. К традиционно обсуждаемым в научно-технической литературе критериям выбора того или иного типа упрочнения долгое время относились отдельные показатели механических свойств покрытий (твердость, трещиностойкость, адгезионное взаимодействие с основой) и детали микроструктуры (размер зерна, фазовый состав, пористость). Физическая мезомеханика выявила принципиально новые механизмы поведения нагруженного твердого тела на мезоуровне в зависимости от прочностных свойств покрытия и основы, а также от их структурных характеристик [18, 19]. Это позволило критически пересмотреть обсуждавшиеся ранее представления о факторах, влияющих на поведение поверхностно упрочненных материалов при нагружении, и расширить направления исследований, рассматривая процессы деформирования на мезоскопическом уровне.
Большой объем экспериментальных и теоретических данных в области мезомеханики деформируемого твердого тела определил наиболее важные аспекты в
изучении материалов с покрытиями, которые связаны с особой ролью границ раздела и возникающих на них концентраторов напряжений. Остановимся на некоторых деталях процессов, происходящих на границах раздела «покрытие - основа» при одноосном нагружении, и сравним их с эволюцией структуры поверхностно упрочненных материалов при трении.
При внешнем воздействии материал в локальных областях вблизи границы раздела теряет сдвиговую устойчивость. В результате из-за несоответствия деформаций упрочненного слоя и основы формируются локальные напряжения, величина которых изменяется вдоль границы квазипериодически [20]. Зоны повышенных напряжений являются источниками деформационных дефектов — дислокаций, мезополос и трещин.
Так, при одноосном растяжении плоских образцов сталей 65X13 и 12ХМФ1 с упрочненным ионным азотированием поверхностным слоем наблюдали формирование фрагментированной мезоструктуры, обусловленное блокированием микропластической деформации [21]. В этом случае в упрочненном поверхностном слое деформация проявляется в возникновении периодически распределенных микротрещин. С ними связано развитие в объеме материала мезополос локализованной пластической деформации по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Деформирование образца сопровождается пересечением сопряженных мезополос, которые формируют в объеме мезоструктуру, состоящую из отдельных перемещающихся по схеме «сдвиг + поворот» мезообъемов (рис. 1). Поскольку мезофрагменты испытывают сдвиговую и поворотную деформацию в полосе скольжения, возможно перемещение объемных структурных элементов различного масштаба. Подобное развитие пластической деформации наблюдалось при изучении процесса изнашивания модельной системы, представляющей собой пластичный материал, на поверхности которого имеется твердое покрытие [15]. Упрочненная поверхность блокирует зарождение дислокаций на поверхности и подавляет развитие в образце деформации на микромасштабном уровне. Поэтому с течением времени в материале с упрочняющим покрытием локализованная пластическая деформация развивается на мезо-уровне с формированием крупных фрагментов, разворот которых приводит к образованию более мелких фрагментов внутри крупных мезовихрей, которые являются зародышами частиц износа. И при растяжении и при трении размеры зоны деформирования, на которую распространяется влияние упрочненного слоя, зависят от его толщины.
Последнее подтверждается результатами исследований, приведенными в работе [20], в которой также исследовали ионно-азотированные стали. При малой толщине упрочненного поверхностного слоя при растяжении деформация развивается лишь в приповерх-
Рис. 1. Движение приповерхностных мезообъемов в виде трехгранных призм как целого
ностных слоях плоского образца. Основной объем материала деформируется подобно неупрочненным образцам. При этом на начальной стадии доминирующими в объеме образца являются процессы на микроуровне. При большой толщине покрытия (составляющей ~ 7 % от толщины образца) микропластическая деформация на поверхности заторможена и вглубь материала генерируется одиночная макрополоса локализованной деформации, источником которой является макроскопический концентратор напряжений (захват испытательной машины). Распространяясь в направлении максимальных касательных напряжений ттах, данная макрополоса локализованной деформации достигает противоположной поверхности, генерирует новый источник (концентратор напряжений) и вызывает образование трещины в хрупком покрытии, затем «отражается» в сопряженном направлении ттах. Дальнейшее нагружение поддерживает данный процесс распространения одиночной макрополосы локализованной деформации от одной поверхности к другой по всему образцу. Оно сопровождается образованием трещин в местах выхода макрополос на поверхность. При этом степень локализации деформации зависит от величины зерен в материале. В крупнозернистом материале локализация менее выражена из-за диспергирования мезополос, связанного с наличием внутри образца множественных концентраторов, что вовлекает в деформацию больший объем материала и обеспечивает более высокие значения прочности и пластичности.
При сжатии образцов с покрытием характер локализации деформации практически не отличается от деформации неупрочненных образцов. Это обусловлено незначительным влиянием мезоконцентраторов напряжений в условиях схемы сжатия.
Таким образом, исследования процессов деформирования образцов с азотированной поверхностью показали, что распределение мезоканцентраторов напряжений в поверхностном слое задает механизм пластического течения материала с покрытием. Поэтому на-
Рис. 2. Боковая грань образца с покрытием, полученным методом электронно-лучевой наплавки, после образования трещины в результате приложенной нагрузки (стрелкой указан концентратор напряжений)
правленно изменяя структуру и свойства упрочненного поверхностного слоя, можно управлять прочностными характеристиками градиентного материала.
Не менее важным фактором, влияющим на характер развития пластической деформации на мезомасштаб-ном уровне, является соотношение между адгезионным и когезионным взаимодействиями в слоистом материале [19]. Если уровень напряжений на мезоконцентраторе, действующем на границе раздела, превосходит уровень когезионной прочности, происходит растрескивание покрытия. Причем релаксация таких мезоконцентраторов происходит путем распространения трещины от границы раздела по направлению к поверхности покрытия. Наглядно это продемонстрировано при испытании растяжением образцов с упрочненным слоем, полученным методом электронно-лучевой наплавки [22]. На рис. 2 видно, как локальный концентратор напряжений на границе раздела «покрытие - основа» генерирует трещину в покрытии с одновременным развитием двух сопряженных мезополос локализованной деформации в подложке.
Иное поведение демонстрируют образцы с покрытиями, полученными методом газодинамического напыления. В этом случае величина когезионной прочности покрытия превышает величину адгезионной связи и действие мезоконцентратора напряжений приводит к отслаиванию покрытия при растяжении образца [23]. Релаксация действующего мезоконцентратора связана с распространением адгезионной трещины вдоль границы раздела. Интересно, что подобное отслаивание наблюдали при трении скольжения образцов с бориро-ванной поверхностью [24]. Боридные слои, имеющие, на первый взгляд, совершенную структуру и близкую к идеальной границу раздела с основой, при трении с
большими нагрузками разрушались хрупко, с отделением всего слоя (рис. 3). По-видимому, большой градиент прочностных свойств приводит к локализации избыточных локальных напряжений на границе раздела, которые превышают адгезионную прочность покрытия и вызывают отслаивание покрытия.
Отслаивание упрочненного поверхностного слоя при трении может быть и не связано с низкой адгезионной прочностью. Так, при испытании на трение качения образцов из закаленной стали 45, предварительно обработанной ультразвуком, наблюдали отслаивание поверхностного слоя [25]. На рис. 4 показан характерный вид разрушения упрочненного слоя на краю дорожки качения. Причина такого разрушения поверхности заключается в несовместности деформаций поверхностного слоя и основы. Поверхностная ультразвуковая обработка феррито-перлитной стали существенно изменяет структуру материала на глубину до 30 мкм за счет интенсивной пластической деформации. Последующая закалка обеспечивает повышение твердости стали. При этом поверхностный слой имеет более высокую твердость. Говорить о низкой адгезионной прочности в данном случае нельзя. Тем не менее, наличие границы раздела, на которой структура и свойства стали изменяются скачкообразно, вызывает формирование концентратора напряжения при приложении нагрузки. Он и обусловливает отделение поверхностного слоя.
Приведенные выше данные о деформировании и разрушении поверхностных слоев указывают на существенное влияние геометрии профиля границы раздела на поведение композиции. Как показывают исследования, выполненные в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, граница раздела между покрытием и подложкой не должна быть плоской. Последнее приводит к формированию на границе раздела опасных концентраторов напряжений, появлению ква-зипериодических макротрещин в покрытии или образованию трещины вдоль границы раздела. Для диспер-
Рис. 3. Разрушение боридного слоя путем отслаивания
Рис. 4. Край дорожки качения на поверхности стали, обработанной ультразвуком
гирования опасных концентраторов напряжений границу раздела следует делать размытой или зубчатой.
Влияние зубчатой структуры на характер деформации на мезоуровне наглядно продемонстрировано при растяжении образцов с различным строением боридных слоев на малоуглеродистой среднелегированной стали [26]. Действительно, выявились различия в характере разрушения твердого покрытия и, как следствие, деформирования материала основы в зависимости от строения границы раздела. Разрушение твердого слоя происходило путем образования стохастически распределенных микротрещин, распространяющихся на всю глубину покрытия. Изучение боковой поверхности образцов показало, что одновременно от устья трещин в борид-ном слое в матрицу распространялись множественные полосы локализованной пластической деформации. Если боридный слой имел при этом относительно однородное строение, то уже при небольшой нагрузке формировалась единичная полоса локализованной деформации, подобная той, которую наблюдали при исследовании азотированных образцов.
Иной характер развития пластической деформации имел место в образцах с боридным поверхностным слоем с «зубчатой» границей раздела. Деформирование образца с такой структурой поверхности сопровождалось последовательным растрескиванием зубчатого борид-ного слоя. На мезомасштабном уровне развивалась стохастически распределенная множественная деформация (рис. 5). Высокие напряжения, способные вызвать образование магистральной трещины, не возникали. Тем самым существенно повышалась прочность композиции. Такое боридное покрытие было разработано для повышения износостойкости высоконагруженных опор скольжения буровых долот [27]. Высокие напряжения, способные вызвать формирование крупного мезовихря со всеми вытекающими из этого последствиями, релак-сируют в результате множественных диссипативных процессов пластической деформации и образования
микротрещин между зубьями, выходящими на поверхность. Вся поверхность покрывается сеткой микротрещин, однако катастрофического разрушения твердого покрытия не происходит.
В работе [28] методом подвижных клеточных автоматов было показано, что граница раздела в материале с покрытием, являясь макроконцентратором напряжений, служит причиной квазипериодического растрескивания. Причем при выходе трещины на поверхность твердого покрытия возникает упругая волна сдвига, генерирующая вторичные трещины. Эти результаты, хорошо согласуясь с рассмотренными выше экспериментальными данными, освещают еще одну закономерность разрушения твердого поверхностного слоя, а именно: динамическое проявление эффекта растрескивания поверхностного слоя. Подобное развитие деформации и разрушения поверхностно упрочненных материалов, сопровождающееся распространением волн сжатия и растяжения, наблюдается при трении скольжения, при котором в результате взаимодействия сопряженных поверхностей существуют касательные напряжения [29].
Таким образом, краткое рассмотрение и анализ литературных данных свидетельствуют о важной роли типа концентраторов напряжений в развитии деформации и разрушении поверхностно упрочненных материалов. При объемном нагружении твердого тела с упрочненным слоем к существующим концентраторам, связанным с источником нагружения и структурной неоднородностью материала основы, добавляются мезо-концентраторы, обусловленные границей раздела «покрытие - основа». На этой границе в зависимости от ее структуры возникает либо квазипериодическая, либо распределенная система концентраторов напряжений мезомасштабного уровня. Степень влияния их на поведение композиции зависит от вида нагружения.
Ниже мы рассмотрим эволюцию приповерхностных слоев материалов с упрочненными слоями, полученны-
Рис. 5. Множественная деформация образца стали с боридным слоем при растяжении
ми методами ионной имплантации, на фрикционном контакте при трении. Интерес к данному виду модифицирования поверхности в последнее время велик, так как в зависимости от мощности ионного облучения можно получить широкий спектр структур упрочненных слоев. Это обусловлено легированием поверхностного слоя бомбардируемыми ионами, образованием соединений разных элементов, формированием сильно дефектного подслоя (эффект дальнодействия).
3. Деградация ионно-легированных металлов и сплавов при трении в аспекте физической мезомеханики
Одной из доминирующих тенденций современного трибоматериаловедения является переход к использованию градиентных материалов, включая наноструктурные, многослойные и многофазные материалы [1]. Применение концентрированных потоков энергии, включая ионную имплантацию, лазерную, плазменную, электронно-лучевую обработку поверхностей, а также технологии поверхностной обработки второго поколения, сводящиеся к комбинации перечисленных выше методов формирования поверхностей, относятся к числу наиболее перспективных методов получения поверхностно упрочненных структур. В частности, современные методы упрочнения поверхностей позволили ввести в практику многослойные структуры, в которых количество слоев исчисляется сотнями и тысячами.
Не вдаваясь в детали и сравнительные характеристики методов, следует отметить, что использование частиц высокой энергии обеспечивает получение широкого диапазона поверхностных структур, в том числе мета-стабильных, не реализуемых другими методами.
Естественно, возникает проблема адекватного описания такого рода структур. Механика сплошной среды описывает материал на макромасштабном уровне и не учитывает его внутреннюю структуру. Современные теоретическая физика твердого тела, физика прочности и пластичности твердых тел более или менее хорошо справляются с описанием структур, обладающих идеальным строением. Дефекты кристаллического строения, термодинамически неравновесные состояния многократно усложняют задачу, и описать на микромасштабном уровне поведение ансамблей, например 108-1012 дислокаций, на сегодняшний день не представляется возможным [30].
К числу научных дисциплин, для которых сформулированная проблема является принципиально важной, относится трибология. До сих пор не найден ответ на важнейший вопрос трибологии о том, каков механизм разрушения поверхностного слоя при трении. Базовая модель процесса изнашивания должна сводиться к описанию трех основных стадий — зарождения, эволюции дефектов строения поверхностного слоя и механизма
Н
Рис. 6. Зависимость износостойкости /1 от твердости Н в условиях абразивного изнашивания: 1 — хрупкие материалы; 2 — деформационно-упрочненные металлы; 3 — термообработанные стали; 4 — чистые отожженные металлы
отрыва частиц износа. Несмотря на актуальность проблемы, описание закономерностей разрушения поверхностей тел при трении остается в настоящее время феноменологическим.
Начиная с середины пятидесятых годов 20 века, наибольшее распространение получила теория усталостного изнашивания твердых тел [31-33]. Несмотря на значительные усилия, предпринятые по ее развитию, она и сегодня в основном базируется на феноменологическом описании, хотя и позволила установить механизм и кинетику ряда сложных физико-химических процессов при трении. Стало очевидно, что высокая твердость поверхности не определяет ее износостойкость. Увеличение твердости снижает запас пластичности материала и вызывает перенос деформационных процессов в более глубокие слои. Длительное время было принято считать, что существует пропорциональная зависимость между износостойкостью и твердостью в условиях абразивного изнашивания [34]. Однако это представление было опровергнуто более поздними исследованиями [35, 36]. Даже в условиях абразивного изнашивания важно, каким образом был достигнут заданный уровень физико-механических свойств материала (рис. 6). Лишь для чистых отожженных металлов и хрупких материалов типа керамик реализуется пропорциональность между твердостью и износостойкостью. Интерпретация соответствующих данных требует учета того факта, что измерение твердости происходит в условиях преимущественно сжимающих напряжений, а напряженно-деформированное состояние при трении, влияющее на реальный уровень механических свойств, имеет существенно более сложный характер.
В ряде случаев высокопрочный мартенсит сталей не обеспечивает максимальную износостойкость, и нормализация благоприятно сказывается на износостойкости сплава. Крупные включения мартенсита снижают
вязкость сталей, а относительно вязкий остаточный аус-тенит с повышенным содержанием углерода может блокировать распространение трещин. Повышенную износостойкость обеспечивает бейнитная микроструктура с мелкодисперсным строением, высокой плотностью дислокаций, отсутствием охрупчивающих мартенсит-ных и цементитных фаз, благоприятным сочетанием твердости и вязкости на микроструктурном уровне. Кривая упрочнения во многом определяет закономерности изнашивания материала. Деформационные процессы на пятнах фактического контакта локализованы в линзообразных областях, размеры которых определяются топографией поверхности и реологическими свойствами материала, в частности соотношением пределов упругости и текучести [37]. Характерные значения глубины распространения деформационных процессов на пятнах фактического контакта в начальной стадии фрикционного взаимодействия находятся в диапазоне от сотых долей до нескольких микрометров. Деформационное упрочнение, взаимодействие и перекрытие отдельных очагов пластического течения могут приводить к распространению деформаций на слои толщиной 10-100 мкм. При трении сильно упрочняющихся материалов, например коррозионно-стойких аусте-нитных сталей, сдвиговая деформация проникает на большую глубину и интенсивность изнашивания может быть велика [38]. Анализ эволюции микроструктуры металлов и сплавов при усталостном изнашивании [39, 40] показал, что при трении с увеличением деформации распределение приповерхностных дислокаций становится менее случайным с образованием вытянутых в направлении скольжения ячеек и субзерен. Плотность дислокаций внутри этих ячеек невелика. Дальнейшие исследования [41-45] показали, что до определенного момента фрикционного взаимодействия имеет место измельчение микроструктуры поверхностного слоя. Размер ячеек уменьшается до величины - 10-2 мкм, плотность дислокаций на границах раздела достигает величины -1015 м-2, а внутри ячеек----108-1010 м-2. В силу
различной кристаллографической ориентации отдельных зерен и ячеек относительно направления перемещения, имеет место неоднородность степени их деформации, проявляющаяся в различной плотности дислокаций. Размер ячеек определяется физико-механическими свойствами материала, а поскольку плотность энергии, связанной с границами между зернами, становится сравнимой с величиной поверхностной энергии материала, дальнейшее деформирование приводит к его фрагментации и образованию частиц износа [46]. В рамках теории усталостного износа удалось проследить влияние энергии межатомных взаимодействий, дефектов упаковки, ряда параметров микроструктуры на износостойкость [47, 48].
В семидесятые годы начала активно развиваться теория износа отслаиванием [49, 50]. Основная гипотеза
теории сводилась к существованию на поверхности твердого тела тонкого слоя с пониженной плотностью дислокаций. К сожалению, до настоящего времени эта гипотеза, не отвергнутая в принципе, не подкреплена достаточными количественными соотношениями. Не раскрыты физика образования микропор и микротрещин при накоплении высоких степеней деформации поверхностного слоя, закономерности распространения подповерхностных трещин и последующего образования частиц износа. Не удалось продвинуться дальше феноменологического описания и в рамках исследований, связанных с построением карт изнашивания и установлением областей различной размерности в пространстве «нагрузка - скорость - температура» для определения допустимых условий трения [51, 52].
В работах [5, 12, 15, 17] предпринята попытка объединить микро- и макроскопическое рассмотрение деформаций и разрушения поверхностных слоев при трении в рамках нового подхода, получившего название физическая мезомеханика и учитывающего синергетику развития трансляционных и поворотных мод деформации. В основе физической мезомеханики лежит описание движения структурных элементов твердого тела (мезообъемов) по схеме «сдвиг + поворот». Число таких элементов сравнительно невелико и может быть описано уравнениями механики. Процессы, происходящие на микроуровне, в мезомеханике рассматриваются как аккомодационные на основе представлений континуальной теории дислокаций, а макроскопическое описание деформируемого твердого тела достигается как результат усреднения движения конечного числа мезообъемов.
На атомарном уровне рассмотрения пластическое деформирование определяется движением дислокаций. Несмотря на то, что зарождение и перемещение каждой конкретной дислокации контролируется микроструктурой материала, макроскопически картина выглядит как их хаотичное движение. Самоорганизация этого движения приводит к формированию специфической мезоскопической структуры, состоящей из мелких зерен и фрагментов, ориентированных в соответствии со схемой деформирования и способных к перемещению друг относительно друга. Помимо условий и характера деформирования на формирование микро- и мезострук-туры оказывает влияние ряд особенностей исходной микроструктуры материала. Примером служит неоднородность пространственного распределения высокопрочных включений, часто наблюдающаяся после ионной имплантации примесей внедрения [53, 54]. Миграция точечных дефектов к границам зерен приводит к появлению областей с пониженной концентрацией вакансий и меньшей вероятностью образования нитридов.
Как было уже отмечено выше, пластические сдвиги в нагруженном твердом теле рассматриваются как потеря сдвиговой устойчивости материала в локальных зонах концентраторов напряжений. Поскольку наимень-
I
Рис. 7. Схемы для иллюстрации неустойчивости цепочек атомов в плотноупакованной кристаллической решетке по отношению к вращению с возможным возникновением напряжений и деформаций сдвига
шую сдвиговую устойчивость в твердом теле имеет свободная поверхность и первичные неупругие сдвиги в структурно-однородной среде развиваются в поверхностных слоях материала, у реальных материалов нет выраженного предела текучести. Изменяя поверхностное состояние материала, можно существенно изменять его физико-механические характеристики. Классическими примерами для иллюстрации вывода являются эффекты Роско, Иоффе, Ребиндера [36].
В определенных условиях при растяжении идеального кристалла (рис. 7, а) вдоль оси симметрии может возникнуть деформация сдвига (рис. 7, б) [55], нарушающая симметрию и приводящая к разрушению сдвигом. Основная симметричная траектория равновесия идеального кристалла становится неустойчивой в связанной с катастрофой сборки неустойчиво симметричной точке ветвления [56]. Из точки ветвления выходит вторичная траектория неустойчивого равновесия с ненулевыми деформациями сдвига. Нагрузка, вызывающая бифуркацию, является разрушающей для данного кристалла. При такой нагрузке бесконечно малые возмущения инициируют разрушение механически нагруженного кристалла. Сдвиговые напряжения действуют как начальные несовершенства, вызывая отличные от основной траектории деформации. Геометрические несовершенства также влияют на прочность кристалла. Наличие дополнительного к исходному растягивающему напряжению о11 растягивающего напряжения а22 при положительном значении а22 подавляет бифуркационную неустойчивость. Такая ситуация характерна для фрикционного взаимодействия, когда на пятнах фактического контакта, составляющих незначительную часть видимой поверхности твердого тела, действуют давления, слабо зависящие от величины приложенной нагрузки и составляющие величину порядка 10-2-10-3
модуля упругости. В результате на общее напряженно-деформированное состояние накладываются флуктуации напряжений в окрестности пятна фактического контакта, что предопределяет зону фрикционного разрушения, появление поворотных мод деформации [57].
Близкие к физической мезомеханике идеи о роли поворотных мод деформации при разрушении поверхностей трения были высказаны и экспериментально подтверждены рядом специалистов в области трибологии [43, 58, 59]. Высокие степени деформации, связанные с массопереносом на поверхности, обусловлены «ротационным» характером деформирования с разворотом фрагментов структуры вокруг оси, перпендикулярной направлению трения и параллельной поверхности скольжения. Механизм ротационной пластичности, связанный с проскальзыванием ультрадисперсных фрагментов относительно друг друга, обеспечивает в поверхностных слоях трущихся тел большие пластические деформации. Следует отметить, что с уменьшением размера частиц до 10 нм, их механические свойства приближаются к значениям, характерным для бездефектной решетки [60]. Поэтому при формировании мелких мезо-вихрей можно ожидать высокой прочности отдельных мезофрагментов при сравнительно невысокой прочности границ раздела.
Физическая мезомеханика постулирует существование следующих стадий развития пластической деформации при трении [15]: образование сильно деформированного поверхностного слоя, формирование мелкодисперсной фрагментированной структуры (характерный размер мезофрагмента 25-30 мкм) на стадии приработки и увеличение размера мезофрагментов (200300 мкм) на стадии установившегося износа. Важнейшими задачами на сегодняшний день являются идентифицирование масштабных уровней самосогласован-
температура имплантации
Рис. 8. Схема для иллюстрации фазовых состояний в металлических материалах, подвергнутых ионно-лучевой обработке
ной пластической деформации при трении и количественное описание вихревой деформации в иерархии микро- и мезомасштабных уровней деформации, в первую очередь у градиентных и ионно-легированных материалов.
На рис. 8 приведена диаграмма фазовых состояний ионно-легированных слоев [53, 61, 62]. Анализируя диаграмму, следует отметить, что целесообразность реализации на поверхности трения твердых растворов (например зон внутреннего азотирования) не однозначна. В общем случае гомогенная структура поверхностного слоя способствует блокированию образования мезових-рей и повышению износостойкости. Однако твердые растворы низколегированных сплавов обладают, как правило, сравнительно низкой твердостью и износостойкостью по сравнению со слоями высокопрочных выделений. В случае высоколегированных сплавов износостойкость твердых растворов может быть выше износостойкости гетерогенного слоя, содержащего высокопрочные включения. Формирование таких слоев, характеризующихся достаточно высокой вязкостью разрушения, перспективно при обработке, например, режущего и некоторых видов штампового инструмента.
Ионная имплантация при высоких концентрациях легирующей примеси и сравнительно невысоких температурах обработки может приводить и к потере дальнего порядка расположения атомов в поверхностном слое. Потеря дальнего порядка и образование наноструктурного слоя связаны с процессами твердофазной аморфизации и имплантации из плазменного облака, образованного бомбардирующими ионами и распыленными ионизированными атомами из поверхности облучаемого материала [63].
Распад твердого раствора в случае ионной имплантации при повышенной температуре или при последующем фрикционном взаимодействии связан с образованием тонких (однослойных) предвыделений частиц новой фазы, когерентных с матричной решеткой. Образование когерентных с матричной решеткой выделений не требует существенной перестройки структуры на гра-
нице раздела и способствует высокой скорости образования частиц новых фаз. С повышением температуры развиваются процессы коагуляции и укрупнения частиц с постепенным или резким нарушением когерентности строения. Дисперсное упрочнение начинает заметно проявляться при среднем расстоянии между частицами упрочняющей фазы 10 мкм и меньше [44, 45]. Считается, что оптимальный упрочняющий эффект имеет место в материалах со средним размером частиц 0.010.05 мкм и при расстоянии между частицами 0.1-
0.5 мкм, то есть при содержании упрочняющей фазы 5-10 объемных процентов. В этом же диапазоне оказывается и максимум сопротивления усталостному изнашиванию гетерогенных сплавов в функции концентрации выделений [47]. Можно полагать, что рост концентрации частиц способствует измельчению мезових-рей, но одновременно снижает предельно допустимую степень деформации для ее поворотных и сдвиговых мод. Присутствие в сплавах относительно больших количеств упрочняющих частиц и межфазовых деформаций снижает деформационное упрочнение сплавов при трении за счет блокирования частицами систем вторичного скольжения.
Создание при ионной имплантации поверхностного упрочненного слоя толщиной 10-100 нм может существенно повлиять на износостойкость материала. Такой слой, не изменяя несущую способность поверхности, служит препятствием для выхода на нее дислокаций. Перемещение дислокаций значительно легче происходит в направлении, параллельном поверхности, что приводит к своеобразной анизотропии свойств. Деформация сдвига локализуется вдоль поверхности, вызывая дополнительное упрочнение. Исчерпание ресурса пластичности и развитие подповерхностных трещин происходит, прежде всего, в плоскости локализации сдвигов и возникновения поворотных мод деформации. Наличие высоких нормальных напряжений на пятнах фактического касания в общем случае препятствует раскрытию трещин и разрушению поверхности.
Современные методы проведения ионной имплантации, включая низкоэнергетическую имплантацию при высоких плотностях ионного тока, имплантацию из плазменного источника, импульсную имплантацию [53, 64-66], обеспечивают получение существенно более толстых (до 100 и более микрометров) модифицированных слоев за счет синергетического эффекта баллистического проникновения частиц сравнительно высокой энергии и их радиационно-стимулированного диффузионного перераспределения благодаря проведению имплантации при повышенных температурах. В результате оказывается возможным при имплантации, например азота в борсодержащие стали, одновременный синтез высокопрочного кубического нитрида бора и включений пластичного гексагонального нитрида бо-
ра с высокими антифрикционными характеристиками [67]. Еще одна существенная с точки зрения представлений физической мезомеханики особенность ионной имплантации с использованием синергетического эффекта — получение рельефной границы раздела между высокопрочным поверхностным слоем и нижележащей кристаллической решеткой сплава. В качестве примера на рис. 9 приведены микрофотографии поверхностного слоя стали 40X13. «Случайный» характер микроструктуры поликристаллических материалов делает неизбежным разброс имплантируемых ионов и появление рельефной границы раздела «модифицированный слой -основа» на различных уровнях рассмотрения. Эта граница не должна быть плоской, иначе на ней возникают опасные концентраторы напряжений и макротрещины в поверхностном слое. Рельефная граница раздела обеспечивает более однородное распределение деформаций в отдельных точках. При этом локализованная деформация на макромасштабном уровне не развивается и не создает высоких напряжений, способных вызвать образование магистральной трещины [17]. При трении напряжения, обусловленные растрескиванием поверхностного слоя, релаксируют в результате пластической деформации на микро- и макроуровнях, препятствуя образованию крупных мезовихрей.
Ионная имплантация существенно меняет характер распределения вызванных трением напряжений, подавляя или усиливая (в зависимости от параметров обработки) неустойчивость решетки. Образование при ионной имплантации мелкодисперсных высокопрочных частиц (например Y-фазы) с большим удельным объе-
мом, чем исходная матрица, благоприятно сказывается на износостойкости. Напряжения гидростатического растяжения повышают неустойчивость решетки, облегчают развитие сдвиговых и поворотных мод деформации на различных уровнях рассмотрения и снижают износостойкость материала. Вывод справедлив не только для структурных изменений на стадии предшествующей обработки материала, но и для микроструктурных превращений собственно при фрикционном взаимодействии.
Избыточная энергия, связанная с наличием ионнолегированного слоя, способствует микроструктурным превращениям в поверхностных слоях материалов при фрикционном взаимодействии, включая формирование мелкодисперсных вихрей. Хорошо известный пример — образование мартенсита в поверхностных слоях ионно-легированных аустенитных сталей, обеспечивающее повышение твердости и износостойкости поверхности [68]. Необходимым условием работоспособности такого рода поверхностных структур является достаточная прочность материала матрицы, предотвращающая фрагментацию мартенситсодержащего поверхностного слоя и образование высокопрочных частиц износа, оказывающих абразивное действие.
Как было показано ранее [5, 6], в поверхностном слое может развиваться большая неупругая, но обратимая деформация. Пониженное сопротивление сдвигу поверхностного слоя материала приводит к возникновению продольной складчатой структуры на предварительно полированной боковой поверхности образца, подвергнутого сжатию в упругой области. Высота скла-
Рис. 9. Микроструктура поверхностного слоя образца из закаленной стали 40Х13, подвергнутой ионной имплантации азотом. Энергия ионов составляла 1 кэВ, интегральный флюенс — 3-1019 см-1. Обработка при плотности ионного тока 1 (а); 2 мА/см2 (б)
док при е = 1 % достигает 4-5 мкм, что свидетельствует о неупругом характере деформации поверхности. При разгрузке образца поверхностный рельеф полностью исчезает. Наиболее вероятным механизмом такого поведения является локальный фазовый переход в дефектной структуре поверхностного слоя, содержащей локальные структурные конфигурации нескольких типов (например ГЦК и ОЦК). Локальные перестроения друг в друга структурных конфигураций в поверхностном слое могут происходить многократно и обратимо без диссипации энергии. По своему характеру такая деформация является бездислокационной, обеспечивает пластическое течение поверхностного слоя с высокой скоростью и способствует смещению кривой усталости из области малоцикловой усталости в область многоцикловой.
В случае высокодозной ионной имплантации, обеспечивающей достижение концентрации легирующей примеси от нескольких единиц до десятков процентов, в поверхностном слое уже при сравнительно небольших дозах легирования генерируются напряжения, достаточные для развития пластического течения. В результате уже на стадии упрочняющей обработки (имплантации) имеет место зарождение мезофрагментов и поворотных мод деформации [53, 61, 69-71].
В условиях высоких степеней деформации, характерных для трения поверхностного слоя, наличие мезофрагментов большого размера отрицательно сказывается на триботехнических характеристиках, так как способствует образованию микропор. Поры выстраиваются вдоль линий скольжения в деформируемой области вблизи пятна контакта. Поскольку линии скольжения изгибаются в сторону контактной поверхности, порообразование приводит, в конечном итоге, к образованию и отделению пластинчатых частиц износа. Измельчение микроструктуры при ионно-лучевой обработке способствует измельчению вихрей, более равномерному распределению энергии, выделяющейся в результате внутреннего трения и повышенной износостойкости.
Кинетика развития и формирования фрагментированной мезоструктуры в имплантированных образцах имеет ряд особенностей [15, 17]. В частности, стадии пластической деформации имеют иную, по сравнению с неимплантированными, длительность. Имплантаци-онное воздействие приводит к формированию структуры поверхностного слоя, сходной со структурой поверхности при трении. Основное различие заключается в текстурировании поверхности, деформируемой в условиях фрикционного взаимодействия. Особенно ярко текстурирование, а также появление анизотропии свойств поверхности проявляются при трении тяжело нагруженных сопряжений и в процессах пластического формоизменения (вытяжка, прессование, прокатка, обжатие, редуцирование). Имеет место своего рода само-
организация, и материал «приспосабливается» к заданной схеме деформации [72]. К факторам, способствующим текстурированию, относятся анизотропия кристаллического строения и ограниченное число плоскостей скольжения, например в металлах с гексагональной кристаллической решеткой, имеющих лишь три системы легкого скольжения. Как следствие, гексагональные кристаллы слабо упрочняются при деформации. В процессе фрикционного взаимодействия происходит интенсивное текстурирование поверхности с ориентацией базисных плоскостей параллельно плоскости контакта. При этом уменьшаются сопротивление сдвигу и площадь фактического касания с соответствующим уменьшением коэффициента трения [36]. Сходство микроструктур имплантированных и фрикционно упрочненных слоев обеспечивает в конечном итоге экспериментально наблюдавшееся сокращение или полное исчезновение периода приработки при трении имплантированных образцов.
4. Заключение
Применение методов физической мезомеханики к описанию процессов деформирования поверхностно упрочненных материалов имеет принципиально важное значение при разработке новых технологий и методов модифицирования поверхности и нанесения покрытий. Мезомеханика показывает, какую роль играет поверхностный слой в пластичности и прочности твердого тела, почему концентраторы напряжений формируются на границе раздела «покрытие - основа», как изменяются основные свойства материала: предел текучести, усталостная прочность, износостойкость и др. при нанесении того или иного покрытия.
Обзор работ по мезомеханике деформации и разрушения поверхностно упрочненных твердых тел в условиях трения позволяет сделать следующие выводы.
1. На границе раздела «покрытие - основа» нагруженного твердого тела зарождаются первичные сдвиги, генерируя в объем материала мезополосы локализованной деформации. Они распространяются по одному из сопряженных направлений максимальных касательных напряжений. Данный механизм деформирования имеет место при всех видах нагружения поверхностно упрочненных материалов, в том числе и трении. Упрочненная поверхность образца блокирует зарождение дислокаций на поверхности и подавляет развитие в образце деформации на микромасштабном уровне. С течением времени в материале с упрочняющим покрытием локализованная пластическая деформация развивается на мезоуровне с формированием вихревой мезоструктуры. Данный процесс проходит несколько стадий и завершается отделением частиц износа.
2. На процессы разрушения упрочняющих покрытий при трении влияют не только структура, фазовый состав
и механические свойства, но и морфология границы раздела покрытия с основой. Твердые слои на поверхности металла, имеющие плоскую границу с переходной зоной, при контактном нагружении, характерном для три-босопряжения, практически не деформируются, тогда как материал основы испытывает упругопластическую деформацию. Такая несовместность деформации на границе раздела приводит к локализации напряжений, вызывающих развитие мезополос пластической деформации и образование трещин в твердом покрытии. Наличие дополнительных концентраторов напряжений в виде пор, термических трещин и межфазных границ способствует распространению магистральной трещины либо вдоль плоской границы раздела «покрытие -основа» (при низкой адгезионной прочности), либо перпендикулярно ей с выходом на поверхность.
Твердые слои на поверхности образца, имеющие рельефную структуру границы раздела, лишены отмеченных недостатков. Напряжения в переходном слое распределяются стохастически, не вызывая концентрации напряжений в отдельных областях. При этом давление на границе раздела, которое передается через твердое покрытие, снижается из-за рельефного профиля меж-фазной границы, увеличивающей ее площадь. Кроме того, «зубчатая» структура слоя, а также возможное присутствие фаз с различными упругими характеристиками подавляют возникновение поверхностных волн, которые имеют место при трении упругих тел и вызывают растрескивание твердого покрытия.
3. Наглядным модельным примером управления износостойкостью материалов служит ионная имплантация. Современные методы проведения ионной имплантации позволяют модифицировать поверхность, задавая необходимый фазовый состав, прочностные свойства, геометрические параметры границы раздела «покрытие - основа», что существенно изменяет кинетику разрушения материала при трении. Упрочненный слой препятствует выходу дислокаций на поверхность и тем самым обусловливает своеобразную анизотропию свойств, благоприятно сказывающуюся на процессе деформации приповерхностных объемов. Сдвиговая деформация локализуется в промежуточном слое, вызывая дополнительное упрочнение. Кроме того, существенно меняется характер распределения вызванных трением напряжений, подавляя или усиливая (в зависимости от свойств модифицированного слоя) неустойчивость решетки. Образование при ионной имплантации мелкодисперсных высокопрочных частиц с большим удельным объемом, чем исходная матрица, снижает напряжения, способные вызвать образование микротрещин в поверхностном слое, что повышает износостойкость градиентного материала.
Работа выполнена в рамках совместного научного проекта БРФФИ-РФФИ №№ Ф99Р-105 и 00-01-81134,
при финансовой поддержке РФФИ (грант № 00-1596174).
Литература
1. Панин В.Е., Витязь П.А. Новые мультидисциплинарные подходы в современном физическом материаловедении // Материалы международного конгресса «Наука и образование на пороге III тысячелетия». - Минск: Аналитический центр НАН Беларуси, 2001. -С. 733-743.
2. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
3. Журнал «Изв. вузов. Физика»: Тематический выпуск «Физическая
механика среды со структурой». - 1992. - Т. 35. - № 4. - 124 с.
4. Рапт VE. Overview on mesomechanics and fracture of solids // J. Theor. Appl. Fract. Mech. - 1998. - V. 30. - No. 1. - Р. 1-11.
5. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
6. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
7. Макаров П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию
процессов деформации и разрушения // Физ. мезомех. - 1998. -Т. 1. - № 1. - С. 61-82.
8. Орлов Л.Г. Влияние поверхностного натяжения на гетерогенное зарождение дислокаций в кристаллах // ФТТ. - 1972. - Т. 14. -№12. - С. 3691-3709.
9. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. - М.: Наука, 1983. - 280 с.
10. ДударевЕ.Ф. Микропластическая деформация и предел текучести поликристаллов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1988. - 256 с.
11. Антипов С.Ф., Батаронов И.А., Дрожжин А.И. и др. Особенности пластической деформации кремния, связанные с зарождением дислокаций на поверхности и эволюцией их ансамбля в объеме // Изв. вузов. Физика. - 1993. - Т. 36. - № 5. - С. 60-68.
12. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезо-мех. - 2000. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.
13. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Столбов А.А., Синдеев В.И. Конструктивная прочность композиции «основной металл - покрытие». - Новосибирск: Наука, 1996. - 296 с.
14. Владимиров В.И. Проблемы физики трения и изнашивания // Физика износостойкости поверхности металлов. - Л.: ФТИ РАН, 1988. - С. 8-41.
15. Панин В.Е., Колубаев А.В., Слосман А.И. и др. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - No. 1. - С. 67-74.
16. Panin V, Kolubaev A., Tarasov S., Popov V. Subsurface layer formation during sliding friction // Wear. - 2001. - V. 249/10-11. - P. 860867.
17. 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.
18. Панин В.Е., Слосман А.И., Антипина Н.А., Литвиненко А.В. Влияние внутренней структуры и состояния поверхности на развитие деформации на мезоуровне малоуглеродистой стали // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 105-110.
19. Панин С.В., Алхимов А.П., Клименов В.А., Коробкина Н.Н., Не-хорошков О.Н. Исследование влияния адгезионной прочности на характер развития пластической деформации на мезоуровне композиций с газодинамически напыленными покрытиями // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 4. - С. 97-106.
20. Антипина Н.А., Панин В.Е., Слосман А.И., Овечкин Б.Б. Волны переключения макрополос локализованной деформации при
растяжении поверхностно упрочненных образцов // Физ. мезо-мех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 37-41.
21. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - Вып. 2. - С. 129-136.
22. Панин С.В., Дураков В.Г., Прибытков Г.А. Мезомеханика пластической деформации и разрушения низкоуглеродистой стали с высокопрочным деформируемым покрытием // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 51-58.
23. Клименов В.А. Формирование структуры плазменных порошковых покрытий при высокоэнергетических воздействиях. Диссертация ... докт. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2000. - 454 с.
24. Sizowa O., KolubaevА., Trusova G. Einfluß der Struktur von Boridß-Schutzschichten auf Reibung und Gleitverschleiß // Metall. - 1997. -
51. Jahrgang. - Nb. 12. - S. 713-716.
25. Колубаев А.В., Сизова О.В., Трусова Г.В. и др. Комплексная химико-термическая и ультразвуковая упрочняющая обработка деталей подвески электровоза // Сб. научных статей с международным участием: «Новые технологии — железнодорожному транспорту». - Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2000. -
Ч. 3.- С. 160-164.
26. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., Почивалов Ю.И., Сизова О.В. Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей. // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 99-115.
27. Сизова О.В., Колубаев А.В., Ковешников В.И., Трусова Г.В., Тарасов С.Ю. Упрочняющая обработка опор скольжения буровых долот // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1993. - № 4. -С. 25-27.
28. Псахье С.Г., Моисеенко Д.Д., Смолин А.Ю., Шилько Е.В., Дмитриев А.И. Исследование особенностей разрушения хрупких керамических покрытий на основе метода подвижных клеточных автоматов // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 2. - С. 95-100.
29. Попов В.Л., Колубаев А.В. Генерация поверхностных волн при внешнем трении упругих твердых тел. // Письма в ЖТФ. - 1995. -Т. 21. - Вып. 19. - С. 91-94.
30. АшкрофтН., МерминН. Физика твердого тела. - М.: Мир, 1979. -Т. 1. - 399 с.
31. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. -594 с.
32. КрагельскийИ.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. -480 с.
33. КрагельскийИ.В., ДобычинМ.Н., КомбаловВ.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1987. - 526 с.
34. Марченко Е.А. О природе разрушения металлов при трении. -М.: Наука, 1979. - 120 с.
35. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Исследование изнашивания металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 351 с.
36. Hornbogen E. The fracture toughness in the wear of metals // Wear. -1975. - V. 33. - P. 251-259.
37. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 205 с.
38. Макушок Е.М., Калиновская Т.В., Белый А.В. Массоперенос в процессах трения. - Минск: Наука и техника, 1978. - 278 с.
39. Гарбар И.И. Некоторые особенности формирования структуры при трении // Трение и износ. - 1981. - Т. 2. - С. 1076-1084.
40. Garbar I. Structure-based selection of wear-resistant materials // Wear. - 1995. - V. 181-183. - P. 50-55.
41. Попов В.Л. Колубаев А.В. Характерный параметр длины, определяющий формирование субструктуры при больших пластических деформациях // Письма в ЖЭТФ. - 1996. - Т. 22. - Вып. 13. -С. 37-42.
42. Попов В.Л., Колубаев А.В. Анализ механизмов формирования поверхностных слоев при трении // Трение и износ. - 1997. - Т. 18.-
№ 6. - С. 818-826.
43. Ригни Д.А. Физические аспекты трения и изнашивания // Трибология. Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. -М.: Машиностроение, 1993. - С. 52-66.
44. Витязь П.А., Ловшенко Ф.Г., Ловшенко Г.Ф. Механически легированные сплавы на основе алюминия и меди. - Минск: Беларуская навука, 1998. - 351 с.
45. Витязь П.А., Ловшенко Ф.Г., Старенченко В.А. Роль неравновесных дефектов деформационной природы в формировании структуры сплавов при механическом легировании // Материалы, технологии, инструменты. - 1996. - № 4. - С. 88-91.
46. Rabinovich E. Practical uses of the surface energy criterion // Wear. -1964. - V. 7. - P. 9-22.
47. Кукареко В.А. Роль упрочняющих частиц в формировании трибологических свойств дисперсионно-твердеющего сплава ХН77ТЮР // Трение и износ. - 1999. - Т. 20. - № 6. - С. 630-638.
48. Machutov N.A., Gadenin M.M. Tasks of a tribo-fatigue in problems of of safety of technical systems // Proc. III Int. Symposium on Tribo-Fatigue, 22-26 October 2000. - Beijing: Hunan University Press, 2000. -P. 56-62.
49. Suh N.P. Delamination theory of wear // Wear. - 1973. - V. 25. -P. 111-124.
50. Kim D.E., Suh N.P. Frictional behavior of extremely smooth and hard solids // Wear. - 1993. - V. 162-164. - P. 873-879.
51. GauterP., Kato K. Wear mechanisms of silicon nitride, partially stabilized zirconia and alumina in unlubricated sliding against steel // Wear. -1993. - V. 162-164. - P. 305-313.
52. Kato K. Wear mechanisms // New directions in tribology. Proc. First World Tribology Congress, London 8-12 September 1997. - London: Mechanical Engineering Publications Limited, 1997. - P. 43-56.
53. Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В., Таран И.И., Ших С.К. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Минск: Изд-во ФТИ НАН Беларуси, 1998. - 220 с.
54. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.
55. Hutchinson J.W, Tvergaard V Shear plane formation in plane strain // International Journal of Solids Structures. - 1981. - V. 17. - P. 451462.
56. Macmillan N.H., Kelly A. The mechanical properties of perfect crystals // Proc. Royal Society London. - Ser. A. - 1972. - V. 330. - P. 291309.
57. Ишлинский А.Ю., Крагельский И.В., Алексеев Н.М., Блюмен А.В., Добыгчин М.И. Проблемы изнашивания твердых тел в аспекте механики // Трение и износ. - 1986. - Т. 7. - № 4. - С. 581-592.
58. Alexeev N.M., Kuzmin N.N., Trankovskaya G.R., Shuvalova E.A. On the similarity of friction and wear processes at different scale levels // Wear. - 1992. - V. 156. - P. 251-261.
59. Heilmann P., Clark W.A., Rigney D.A. Orientation determination of subsurface cells generated by sliding // Acta Met. - 1983. - V. 31. -No. 8. - P. 1293-1305.
60. Asif S.A., Pethica J.B. New probe methods for nanoscale asperities and thin films // New Directions in Tribology. Proc. First World Tribo-logy Congress, London 8-12 September 1997. - London: Mechanical Engineering Publications Limited, 1997. - P. 243-250.
61. Белыгй А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В., Ших С.К. Фазовые и структурные превращения в материалах на основе железа, подвергнутых низкоэнергетической имплантации азотом при высоких плотностях тока // ФММ. - 1995. - Т. 80. - Вып. 6. -С. 82-95.
62. Byeli A.V, Kukareko V.A., Lobodaeva O.V, Wilbur P.J., Davis J.A. High current density ion implantation and its application to improve the wear resistance of ferrous materials // Wear. - 1997. - V. 203204. - P. 596-607.
63. Белый А.В., Кукареко В.А. К вопросу о формировании и роли нанокристаллических структур в поверхностных слоях сплавов на основе железа, подвергнутых ионно-лучевой обработке азотом // Наноструктурные материалы: получение и свойства. Материалы семинара «Наноструктурные материалы-2000: Беларусь-Россия»,
30-31 мая 2000 г. - Минск: Изд-во Ин-та физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси. - С. 88-91.
64. Wilbur P.J., Daniels L.O. The development and application of an ion implantor based on ion thruster technologies // Vacuum. - 1986. -V. 36. - P. 5-9.
65. Rej D.J. Plasma immersion ion implantation. - Los Alamos: Los Alamos National Laboratory / Preprint LA-UR 96-556.
66. Sharkeev Yu.P, Didenko A.N., Kozlov E.V High dislocation density structures and hardening produced by high fluency pulsed ion beam implantation //Surface and Coatings Technology. - 1994. - V. 65. -P. 112-120.
67. Белый А.В., Биленко Э.Г., Кукареко В.А. Триботехнические свойства борированной стали Ст3, модифицированной ионами азота // Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения. - Полоцк: Изд-во УП «Технопринт» Полоцкого гос. ун-та, 2001. - С. 190-192.
68. Byeli A.V., Kukareko V.A., Boyarenko I.V., Kolesnikova A.A. Friction-induced microstructural variations in steels subjected to low-energy elevated-temperature nitrogen ion implantation // Wear. - 1999. -V. 225-229. - P. 1148-1158.
69. Титов В.В. Роль механических напряжений при легировании материалов с помощью ионных пучков. - М.: ИАЭ им. И.В. Курчатова, 1983. - 48 с. / Препринт.
70. Белыгй А.В., Малышев В.Ф., Ших С.К. Упрочнение мелкодисперсными выделениями и износостойкость ионно-легированной стали Р6М5 // Трение и износ. - 1989. - Т. 10. - № 1. - С. 338-343.
71. Белыгй А.В., Ших С.К. Ионно-лучевое легирование и фрикционные свойства материалов // Трение и износ. - 1987. - Т. 8. - С. 330343.
72. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. - М.: Машиностроение, 1986. - 360 с.
