CC BY
19
УДК 539.219.3; 548.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО МЕХАНИЗМА ДИФФУЗИИ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
П.И. Маленко, К. Д. Релмасира, А.Ю. Леонов, О.В. Костыгова
Рассмотрены особенности действия резонансных процессов в поверхностных слоях никотрированных теплостойких сталей в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием с использованием метода молекулярной динамики. Показано, что в результате этого происходят структурно-фазовые превращения, приводящие к образованию вторичных структур, которые и предопределяют эксплуатационные свойства пар трения.
Ключевые слова: резонансный механизм диффузии, термический удар, вторичные структуры, структурно-фазовые превращения, трение скольжения со смазочным материалом, метод молекулярной динамики.
При работе пары трения в поверхностных слоях происходят структурно-фазовые превращения с образованием вторичных структур (ВС), которые определяют их эксплуатационные свойства и, в частности, склонность к схватыванию, обусловленную резким повышением коэффициента трения [1]. Образование ВС связано с диффузионными и полиморфными (бездиффузионными) процессами в поверхностных слоях. При этом про-
5 8
исходит значительное повышение коэффициента диффузии (В = 10- ...10" м2/с), что подтверждено экспериментально.
Это объясняется морфологией поверхностей трения, а именно наличием суб- и микрошероховатостей, вызывающих пульсирующее изменение температуры, то есть термоциклирование [2], которое, в свою очередь, является причиной возникновения термических ударов (ТУ), а следовательно, резкого повышения давления р в поверхностных слоях [3]. Известные механизмы диффузии (вакансионные, обменные и др.) не объясняют резкого повышения коэффициентов диффузии, поэтому исследование данного явления весьма актуально.
В настоящее время при изучении диффузионных процессов применяют методы молекулярной динамики (ММД), позволяющие моделировать исследуемые процессы.
В работах [4, 5] приведены результаты моделирования ММД процесса перемещения атомов под действием ТУ в поверхностной зоне теплостойкой стали 25Х3М3НБЦА с никотрированным покрытием. Анализ траекторий перемещений атомов позволил определить механизм диффузии
как кооперативный (эстафетный) с коэффициентами диффузии В =
6 8 2
ЮЛ.ЛО-8 м /с. Однако объяснить более высокие экспериментальные ко-
-5 2
эффициенты диффузии порядка В = 10- м/с на основании данного механизма не представляется возможным. Предварительные расчеты показали, что под действием ТУ может возникать другой механизм, определенный
52
как резонансный. Данное предположение основывается на возможности совпадения частот ю0 колебаний атомов в кристаллической решетке и частот ю колебаний внешнего воздействия, то есть тепловых ударов.
Теоретические основы резонансного механизма диффузии изложены в работе [6]. Основанием для исследования подобного механизма диффузии послужил сравнительный анализ экспериментальных коэффициентов диффузии [1] с коэффициентами диффузии Бкооп при коопе-
4 5 2
ративном механизме. Более чем в 70 % случаев Ожсп = 10- ...10- м/с превосходит Бкооп.
Резонансные процессы при трении быстродействующие
12
(т ~ 10- с), что является непреодолимым барьером для экспериментальных исследований. Поэтому предпочтительнее моделирование, при котором резонанс определяется как резкое повышение амплитуд вынужденных колебаний N атомов, расположенных в наборе кристаллических решеток виртуального кристаллита. Атомы совершают тепловые колебания частотой ю0 и испытывают внешние периодические воздействия - ТУ частотой ю. Согласно теореме Борна-Лидермана распределение частот колебаний реального металла, представляющего собой большую кристаллическую решетку из N атомов, близко к распределению частот виртуальной решетки с циклическими граничными условиями [7]. В свою очередь, виртуальная система из N атомов эквивалентна цепочке простых гармонических осцилляторов с соответствующими частотами ©0). Если данную цепочку
связать потенциалом парных взаимодействий (ППВ), то относительно теории колебаний движение атомов в цепочке определяется как движение осцилляторов в поле, заданном ППВ [8]. При отсутствии внешнего воздействия данная система математически описывается как автономная. Так как кристаллическая решетка обладает жесткостью, то ее колебания будут диссипативными. Если в разложении ППВ учесть члены третьего порядка, то есть тепловой ангармонизм, то, во-первых, система будет кубической (нелинейной), во-вторых, в ней появляются дисперсионные частоты, так как ангармонические члены обеспечивают связь между нормальными колебаниями решетки. Если учитывать ангармонические члены, то члены более низких порядков являются, по сути, вязкой средой, диссипирующей энергию дисперсионных осцилляторов.
При наличии ТУ система превращается в неавтономную с кубической нелинейностью диссипаций и дисперсий. Математическое описание такой системы имеет вид [8]
х + ©0х = -2уХ + рх3 + / соб(ю + ф) , (1)
где левая часть уравнения - тепловые колебания атомов частотой ю0, правая - параметры, отражающие воздействие ТУ.
Физический смысл коэффициентов уравнения (1) устанавливается
й т'
из анализа размерностей: g = —t - изменение диссипации энергии, свя-
m
занное с жесткостью решетки у' и массой атома m под действием ТУ;
о b' о/ г PS
p = J— - изменение ангармонизма р под действием массы m; f =— -m m
относительная сила внешнего воздействия; Р - давление ТУ; S - площадь
центрального сечения атома; ю - частота колебаний от давления Р; ф -
сдвиг фаз колебаний.
Объектом исследования послужила теплостойкая сталь 25Х3М3НБЦА с низкотемпературным карбонитридным покрытием (процесс никотрирования). Данная сталь используется для изготовления узлов автоматики стрелково-пушечного вооружения, работающих в условиях трения скольжения с ресурсным смазыванием.
Молекулярно-динамические расчеты проводились с помощью стандартного пакета программ XMD, основные характеристики которого описаны в работе [9]. Данный пакет программ позволяет проводить расчеты с циклическими или свободными граничными условиями в приближении многочастичного потенциала EAM.
Из всех исходных фаз поверхностной зоны стали 25Х3М3НБЦА наибольший интерес с точки зрения действия резонансного механизма диффузии представляют фазы железа и фаза Mo2C. Фазы железа составляют более 80 % в структуре поверхностной зоны. В этой связи структурные изменения в данной фазе будут определять ресурс исследуемой пары трения. Фаза Mo2C и межзеренная граница y-Fe-Mo2C определяют процесс образования ВС MoSi0,65 и MoS2 при Т> 500 К.
Для моделирования резонансного механизма диффузии в a-Fe (ОЦК-решетка), был сформирован кристаллит размером решетки (12x12x12) с количеством атомов n = 3456 при Т = 800 К. Напряжение диффузии одиф (внешнее воздействие) было приложено к центральной области кристаллита, состоящего из 68 атомов. Результаты за 400 шагов моделирования (т = 4-10-4 с) представлены на рис. 1, а, б.
Образовавшийся диффузионный кластер имеет удлинённую сферическую форму и носит название зародышевой поры. При дальнейшем моделировании (увеличении количества резонансных воздействий) зародышевая пора будет распространяться до некоторой критической величины и вызывать локальные разрушения поверхностной зоны.
Для исследования процесса распада фазы Mo2C был сформирован кристаллит из 9-10 атомов. При Т = 600 К к 500 атомам (сфера d = 14 A) кристаллита было приложено соответствующее значение резонансного усилия. Результаты моделирования представлены на рис. 2.
Рис. 1. Действие резонансного механизма диффузии на фазу a-Fe: а - диффузия в объеме кристаллита; б - диффузия в плоскости <001>
Моделирование показывает, что поверхностные атомы углерода, имеющие меньшую энергию связи, чем объемные атомы, покидают кристаллит под действием резонанса. Таким образом, в поверхностной зоне остаются свободные атомы Мо. Эти атомы в дальнейшем образуют с кремнием 81, поступающим из поверхностной зоны, и с серой 8, поступающей из смазки или поверхностной зоны, ВС. Объемные же атомы Мо и С образуют диффузионные кластеры (зародышевые поры).
Рис. 2. Результаты резонансного воздействия на фазу Mo2C
55
Рассмотрим далее действие резонанса на межзеренную границу у-Бе-Мо2С (рис. 3, а, б). Как следует из рис. 3, б, атомы С полностью покидают межзеренную границу и, проходя через у/-Бе, выходят на поверхность. При этом они частично вытесняют на поверхность атомы Бе. Атомы Мо также покидают межзеренную границу, но в у-Бе они перемещаются гораздо медленнее, так как в отличие от кооперативного механизма они практически не диффундируют в у-Бе, проталкивая атомы Бе к поверхности. Вследствие этого диффузия атомов Мо произойдет за несколько резонансных ударов. Следует отметить, что в результате диффузии в кристаллите образуются диффузионные пустоты, перерастающие в дальнейшем в поры.
а(Р>
рел
а б
Рис. 3. Расположение атомов в кристаллите Мо2С (Т=600 К, п=2000 атомов): а - исходное состояние; б - действие резонансного механизма
Анализ результатов моделирования показал, что фаза Бе2Р - это единственная исходная фаза, сохранившаяся во ВС без изменения.
Результаты моделирования резонансного механизма диффузии для фазы Бе2Р представлены на рис. 4.
Сформированный кристаллит состоял из 14400 атомов. Сила резонанса была приложена к шару диаметром 14 А, состоящему из 1360 атомов. Обращает на себя внимание отсутствие превалирующей диффузии, более легкого атома Р. Кристаллические решетки Бе2Р с нарушением дальнего порядка располагались ближе к области диаметра шара, образуя каскады столкновений, в то время как во внутренней области шара образовывалась диффузионная пустота. Следовательно, область каскадов столкновений определяет, в конечном счете, коэффициент диффузии.
л о о „ о . «
Рис. 4. Действие резонансного механизма диффузии на фазу Ее2Р
Для определения коэффициентов диффузии (по формуле Эйнштейна) траектории атомов были спроектированы на плоскость <101> (рис. 5).
5 2 5 2
Расчеты показывают, что = 1,3-10" м /с, 0Ре = 1,0-10 м /с, что близко к
5 2
модельному коэффициенту диффузии Эмод = 10- м /с.
Рис. 5. Траектории перемещения атомов Ее и Р
Таким образом, в результате действия резонансного механизма диффузии, во-первых, помимо собственно диффузии, образуются кластеры диффузионных пустот, которые затем перерастают в поры, и, во-вторых, очевидно, что под действием ТУ происходит восстановление дальнего порядка в фазе Бе2Р, которая таким образом превращается во ВС с уменьшением ее процентного содержания по сравнению с исходной структурой.
Под действием восходящей диффузии в поверхностном слое образуются зародыши пор различных размеров. При этом при резонансном механизме размеры и количество пор в зависимости от фазового состава гораздо больше, чем при кооперативном. Следует отметить в этом плане доминирующее влияние фаз железа.
Список литературы
1. Маленко П. И., Зеленко В. К., Левин Д. М. Температурные поля и эксплуатационные свойства пар трения скольжения со смазочным материалом / под ред. Ю. Н. Дроздова. М.: Машиностроение, 2011. 239 с.
2. Маленко П. И. Исследование температур на дискретных субшероховатых поверхностях при трении скольжения со смазочным материалом // Вестник машиностроения. 2011. № 7. С. 38-42.
3. Дроздов Ю. Н., Маленко П. И. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при трении скольжения // Трение и износ. 2014. Т.35. № 1. С. 87-98.
4. Дроздов Ю. Н., Маленко П. И. Применение метода молекулярной динамики для анализа кинетики структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях упрочненных теплостойких сталей при трении скольжения с ресурсным смазыванием // Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении: тез. докл. III Международ. науч. конф. М.: Издательский Дом «Спектр», 2014. С. 90-92.
5. Дроздов Ю. Н., Маленко П. И. Исследование методом молекулярной динамики диффузионных процессов в поверхностных слоях теплостойких сталей с покрытием при трении скольжения с ресурсным смазыванием // УРАЛ-ТРИБО: материалы Международ. науч.-техн. конф. ученых, ведущих специалистов в обл. трибологии и аспирантов. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. 2014. С. 7-9.
6. Дроздов Ю. Н., Маленко П. И. Исследование резонансных процессов в поверхностных слоях пар трения скольжения со смазочным материалом, вызванных термическими ударами // Вестник машиностроения. 2015. № 2. С. 44-52.
7. Борн М., Хуан Кунь. Динамическая теория кристаллических решеток. М.: Изд-во иностр. лит., 1958. 488 с.
8. Кузнецов А. П., Кузнецов С. П., Рыскин Н. М. Нелинейные колебания. М.: Физматлит, 2002. 292 с.
9. Rifkin J. XMD Molecular Dinamics Program [Electronic resource] // University of Connecticut, Center for Materials Simulation, Storrs, CT, 2002. 104 P. URL: http://xmd.SourceForge.net/ (accessed: 18.02.2011).
Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenko@,tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Релмасира Капреси Джолан, асп., winnerclass@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Леонов Андрей Юрьевич, асп., leonov.emwamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Костыгова Ольга Викторовна, студентка, kostygova_o@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SIMULA TION OF RESONANCE MECHANISM OF DIFFUSION BY MOLECULAR DYNAMICS METHOD
P.I. Malenko, K.J. Relmasira, A.Yu. Leonov, O.V. Kostygova
The article considers the peculiarities of action resonance processes in the surface layers nicotrated heat resistant steels in the process of sliding friction with lubrication of the resource using the method of molecular dynamics. It is shown that the result is a structurally-phase transformations leading to the formation of secondary structures, which determine the operational properties of friction pairs.
Key words: the resonance mechanism of diffusion, thermal shock, secondary structure, structural phase transformation, the sliding friction with a lubricant, the method of molecular dynamics.
Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malen-ko@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Relmasira Kapresi Jolan, postgraduate, winnerclassagmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Leonov Andrei Yurievich, postgraduate, leonov. emw a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kostygova Olga Viktorovna, student, kostygova_o@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
