CC BY
109
Сравнительное исследование частиц износа и поверхностей трения, формирующихся в процессе трения и износа неимплантированной и ионно-имплантированной стали 45
Е.В. Легостаева, Ю.П. Шаркеев, В.А. Кукареко1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220072, Беларусь
Представлены результаты сравнительного исследования морфологии частиц износа и поверхностей трения, формирующихся на различных стадиях пластической деформации стали 45 в исходном неимплантированном и ионно-имплантированном состояниях при трении. Испытания на трение проводили по схеме «вал - колодка». Частицы износа и поверхности трения исследовали методами растровой электронной и оптической микроскопии. Процесс изнашивания ионно-имплантированных и исходных образцов стали 45 в феррито-перлитном состоянии сопровождается образованием частиц износа и бороздок трения, размеры которых соответствуют трем масштабным уровням. При этом для ионно-имплантированных и неимплантированных образцов наблюдается хорошая корреляция между размерами частиц износа различного масштаба и поперечными размерами бороздок для каждого из трех масштабных уровней; размерами частиц износа первого масштабного уровня (единицы микрометров) и размерами фрагментов микроструктуры; размерами частиц износа второго масштабного уровня (десятки микромеров) и размерами фрагментов мезострук-туры; размерами частиц износа третьего масштабного уровня (сотни микрометров) и размерами фрагментов вихревой мезо-структуры. Формирование градиентной мезоструктуры на стадии приработки для неимплантированных образцов сопровождается повышенным износом и подобно формированию вторичной структуры I типа. При трении разрушение фрагментов вторичной структуры приводит к формированию частиц износа трех масштабных уровней и конгломератов частиц износа. Формирование фрагментированной структуры на стадии установившегося изнашивания как для исходных, так и неимплантированных образцов подобно формированию вторичной структуры II типа и характеризуется минимальным износом. Разрушение фрагментированной структуры и формирование крупных вытянутых частиц износа с размерами 100-400 мкм (третий уровень) сопровождается вихревым движением мезофрагментов. Вихревое движение элементов мезоструктуры для ионно-имплантированных образцов наступает значительно позже по сравнению с исходными образцами, что является основной причиной уменьшения количества формирующихся крупных частиц износа (третий уровень) и, следовательно, уменьшения износа ионно-имплантированных образцов по сравнению с исходными.
1. Введение
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий об эффективном использовании метода ионной имплантации для повышения износостойкости изделий различного назначения [1-11]. При оптимизации технологических режимов ионной обработки, а также при разработке новых технологий необходим анализ реальных условий работы изделий, находящихся в трибоконтактах, и причин выхода их из строя. В связи с этим исследование механизмов изнашивания, а также путей повышения износостойкости различных деталей и инструментов, является актуальной задачей.
Перспективным методом исследования механизмов изнашивания поверхностных слоев, включая ионно-ле-
© Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Кукареко В.А., 2002
гированные слои, является анализ частиц износа. Данные о кинетике изменения количества частиц при трении и износе и о распределении частиц износа по размерам содержат существенную информацию о механизмах разрушения поверхностных слоев в процессе трения [7, 12-18]. Форма, размеры, текстура поверхности частиц износа непосредственно связаны с механизмами изнашивания и позволяют сделать определенные заключения о природе и особенностях деформационных процессов в зоне трения, о структурных изменениях в приповерхностной зоне материала и о механизмах изнашивания [12-18]. Важную информацию о процессе фрикционного взаимодействия можно также получить, исследуя структуру поверхностей, формирующихся при трении. Исследование структурных особенностей по-
верхностей трения и механизмов формирования структур с соответствующими морфологическими признаками также помогает анализировать деформационные процессы, протекающие на поверхности трения [19].
В то же время, большое разнообразие сложных процессов в трибоконтактах затрудняет построение единого подхода к описанию изнашивания тел. Поэтому, как правило, исследователи ограничиваются общей классификацией механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением отдельных механизмов и т.д., не выявляя общих закономерностей разрушения поверхности при трении. Несмотря на многочисленные работы по трению и износу, до сих пор в полной мере нет необходимых знаний для создания долговечных и надежных узлов трения.
В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения, которые изменялись по мере углубления представлений о природе твердых тел. Так, в эпоху развития механики абсолютно жестких тел развивались геометрические теории (XVII-XVIII вв.), в эпоху развития молекулярной физики — молекулярные теории (XVIII в. - начало XX в.), а в эпоху разработки теории упругости — механические теории (XIX в. - начало XX в.) [20]. На смену им пришла более универсальная молекулярно-механическая теория, выдвинутая практически одновременно русским ученым И.В. Крагельским [20-22] и английскими учеными Ф. Боуденом и Д. Тейбором [23, 24]. Впервые И.В. Крагельским была предложена концепция «третьего тела», которая основана на представлении о том, что при трении между контактирующими телами формируется пленка с новыми свойствами, которая и определяет фрикционные характеристики пары трения.
В период развития термодинамики неравновесных процессов, информативной механики, а также синергетики (1950-1980 гг.) Б.И. Костецким, Л.И. Бершадс-ким с коллегами была создана теория структурно-энергетической приспосабливаемости материалов при трении, согласно которой трибологическая система самопроизвольно адаптируется к действию внешних факторов [25-29]. Для определения состояния трансформированного поверхностного слоя материала в узле трения была использована концепция вторичных структур. Однако данный подход потребовал изменений триболо-гических концепций и классификаций и первоначально был воспринят учеными-трибологами критически [28, 29].
В 80-х годах XX в. получил развитие новый подход к описанию процессов пластической деформации и разрушения твердых тел на основе представлений о структурных уровнях пластической деформации [30, 31], который нашел свое отражение в соответствующих теориях трения. В.И. Владимиров [32] пытался поставить основные вопросы теории трения в свете последних достижений физики дефектов и термодинамики неравно-
весных процессов. Он попытался объединить принципы самоорганизации диссипативных структур при трении и ротационные процессы, фрагментированные структуры и дисклинации, а также многомасштабность дефектов и процессов пластической деформации и разрушения. Впервые процессы трения и изнашивания твердых тел рассматривались как взаимосвязанные многостадийные процессы, развивающиеся на различных масштабных уровнях в работах Н.М. Алексеева [3335]. Однако концепция структурных уровней деформации твердых тел в это время была остродискуссионной.
В настоящее время концепция структурных уровней нашла свое отражение в новом научном направлении — физической мезомеханике материалов [36-41]. Недавно было проведено сравнительное экспериментальное исследование процессов пластической деформации при трении стали 45 в исходном состоянии (феррито-пер-литная смесь) и в состоянии, имплантированном ионами молибдена [42]. Рассмотрение данной задачи было выполнено в рамках физической мезомеханики. Впоследствии с позиции масштабных уровней деформация приповерхностных слоев при трении также рассматривалась и другими авторами [43-46]. Наконец, в работах [47, 48] было обосновано применение физической мезо-механики к описанию процесса деградации поверхности при трении.
В настоящей работе представлены результаты сравнительного исследования частиц износа и поверхностей трения, формирующихся на различных стадиях пластической деформации и изнашивания стали 45 в исходном и ионно-имплантированном состояниях. Предлагаемую работу следует рассматривать как продолжение работы [42]; в то же время, авторы посчитали необходимым привести краткое описание некоторых результатов, полученных ранее.
2. Методика эксперимента
В качестве материала исследования была выбрана сталь 45 в феррито-перлитном состоянии [42]. Средний размер зерна составил ~20 мкм. Имплантация ионов молибдена была выполнена на вакуумно-дуговом ионном источнике «ДИАНА-2» [11]. Расчетная доза ионного облучения составила 1-1017 ион-см-2. Триботехничес-кие испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме «вал - колодка» с добавлением машинного масла в качестве смазки (режим граничной смазки) при скорости скольжения 1 м/с и нормальной нагрузке 150 Н. Контртелом служил вал из стали марки ШХ15.
Для сбора металлических частиц износа из проб масла и осаждения их на стеклянную подложку в последнее время широко используется метод феррографии [18]. Однако ряд авторов отмечает, что при подготовке фер-рограмм реальные исходные частицы измельчаются до меньших размеров за счет раздавливания под давлени-
ем, создаваемым перистальтическим насосом [18]. Это может быть причиной того, что многие исследователи не обнаруживали крупных частиц износа.
В настоящей работе для сбора частиц износа применялась достаточно простая методика, которая заключалась в следующем. После испытаний на трение держатель с образцами и контртело помещали в ванночку с бензином и тщательно промывали. В результате этого получалась суспензия, состоящая из смазки, частиц износа и бензина. Суспензия отстаивалась в течение одного часа, частицы износа оседали на дно ванночки. Верхняя порция суспензии, состоящая из бензина и смазки, сливалась. Процесс повторялся несколько раз. После этого частицы износа, находящиеся в бензине, с помощью пипетки помещались на стекло (для оптической микроскопии) или медную пластину (для растровой электронной микроскопии). Изучение морфологии частиц износа и поверхностей трения было выполнено по изображениям, полученным методами оптической и растровой электронной микроскопии. Для измерения размера частиц применяли метод «секущей» [49]. По результатам измерения размера частиц была построена гистограмма, аппроксимирующая распределение частиц износа по размерам.
Морфология поверхностей трения исследовалась с помощью растровой электронной микроскопии. В качестве количественной характеристики была выбрана ширина бороздок, сформированных в процессе трения, которая измерялась в направлении, перпендикулярном направлению скольжения.
3. Результаты эксперимента
3.1. Кривые износа
На рис. 1 представлена зависимость толщины унесенного слоя образцов стали 45 для исходного и ионно-имплантированного состояний от времени испытаний на трение и изнашивание по схеме «вал - колодка» [42]. На кривой имеется два участка: стадия приработки (стадия I) и стадия установившегося изнашивания (стадия II). Видно, что для неимплантированных образцов период приработки составил ~ 20 минут, после чего наступает стадия установившегося изнашивания. Время приработки для ионно-имплантированных образцов по сравнению с нелегированными образцами оказалось значительно меньше.
3.2. Морфология поверхностей трения
На рис. 2 представлены изображения поверхностей трения образцов стали 45 в исходном и ионно-имплан-тированном состояниях, полученные методом растровой электронной микроскопии. Поверхности трения, согласно классификации, приведенной в [19], имеют бороздчатую структуру, которая образуется в результате пластического оттеснения материала с поверхности тре-
Рис. 1. Зависимость толщины унесенного слоя от времени испытаний; схема—«вал - колодка»; пара трения — сталь 45 - сталь ШХ15; скорость 1 м/с; нормальная нагрузка 150 Н; стадия I — стадия приработки, стадия II — стадия установившегося изнашивания; исходное состояние (1); имплантированное состояние (2)
ния частицами изнашивания. Характерным морфологическим признаком поверхности трения являются бороздки, геометрические параметры которых (ширина, высота и т.д.) варьируют в широких пределах. Что касается ширины бороздок как основного параметра, можно выделить три интервала или три масштабных уровня. Первый масштаб соответствует размеру бороздок от долей до единиц микрометра, второй масштаб — это десятки микрометров и третий масштаб — сотни микрометров. Поверхность ионно-имплантированных образцов (рис. 2, в, г) состоит из бороздок первого масштабного уровня (уровень 1) и отдельных бороздок второго масштабного уровня (уровень 2), а поверхность неимплантированных образцов (рис. 2, а, б) содержит больше бороздок масштабных уровней 2 и 3.
3.3. Морфология частиц износа
В настоящее время имеется ряд классификаций основных типов частиц износа, морфология которых непосредственно связана с процессами изнашивания [12, 13]. Одна из классификаций частиц изнашивания приведена на рис. 3. Согласно данной классификации частицы износа, возникшие в результате механических процессов разрушения поверхностного слоя, делятся на шесть основных морфологических типов: нормального изнашивания, сферические, стружковые, ламинарные, усталостно-блочные, жесткого скольжения [12, 13]. Авторы классификаций предлагают также и набор количественных параметров для описания типа частиц износа. Однако отметим, что классификация частиц износа, основанная на морфологических особенностях формы, текстуры поверхности, цвета и геометрических разме-
Рис. 2. РЭМ-изображения поверхностей трения стали 45 после испытаний на трение в течение 40 минут: исходное состояние (а, б); ионно-имплантированное состояние (в, г); стрелками показана ширина бороздок соответствующего масштабного уровня
ров частиц износа и т.п. является достаточно условной и носит отчасти субъективный характер. Интегрированная схема классификации частиц износа по морфологическим признакам, составленная на основе анализа классификаций, приведенных в работах [12, 13], а также других работ, представлена в таблице 1. Данная классификация была использована для анализа частиц износа в настоящей работе.
На рис. 4 приведены РЭМ-изображения частиц износа, формирующихся на различных стадиях испытаний на трение для исходного необлученного состояния, а на рис. 5 — для ионно-имплантированного состояния стали 45. Согласно классификации частиц износа, представленной в таблице 1, в случае исходной неимпланти-рованной стали наблюдаются следующие типы частиц: частицы нормального изнашивания, сферические частицы, ламинарные частицы, частицы жесткого изнашивания, а также конгломераты частиц различного типа.
Рассмотрим особенности частиц износа, формирующихся на различных стадиях испытаний на трение для
неимплантированной стали. Отметим, что морфологический тип частиц был определен на основе классификации, приведенной в таблице 1. На стадии приработки (20 минут) формируются частицы нормального изнашивания, сферические частицы и ламинарные частицы (рис. 4, б). Кроме того, наблюдаются конгломераты частиц износа ламинарного типа (рис. 4, а). Конгломераты частиц можно также видеть на оптическом изображении, приведенном на рис. 6, а. Что касается геометрических параметров частиц износа (толщина, площадь, отношение толщины к наибольшему размеру и т.д.), они также имеют три масштаба значений, о чем свидетельствует распределение частиц износа по размерам. Гистограмма распределения частиц износа по размерам, формирующихся на стадии приработки для неимплан-тированной стали, приведена на рис. 7. Первый максимум (уровень 1) на гистограмме находится в интервале 0.1-1 мкм; второй (уровень 2) — 10-30 мкм, что соответствует одному-двум размерам зерен. Третий максимум (уровень 3) локализован в интервале 100-200 мкм
Рис. 3. Схема классификации частиц изнашивания [12, 13]
и соответствует размерам конгломератов частиц износа. Общее количество частиц износа на стадии приработки неимплантированной стали максимально, поэтому износ стали для данного времени испытаний тоже максимален (см. рис. 1, кривая 1). Кроме того, количество частиц уровня 1 значительно больше по сравнению с частицами других размеров.
Во временном интервале 20-30 минут (см. рис. 1, кривая 1) распределение частиц износа по размерам трансформируется в бимодальное. Частицы износа уровня 2 можно охарактеризовать как ламинарные
(рис. 4, в), а частицы уровня 1 — как сферические частицы и частицы нормального изнашивания (рис. 4, г). Конгломераты частиц износа (уровень 3), наблюдавшиеся на стадии приработки, отсутствуют (рис. 6, б). Кроме того, для данного временного интервала значительно уменьшается общее количество частиц износа. Кривая износа выходит на стадию установившегося изнашивания.
При испытаниях в интервале от 30 до 40 минут появляются единичные частицы износа вытянутой формы, поперечный размер которых составляет 100-400 мкм.
Таблица 1
Классификация частиц износа по морфологическим признакам
^^^^^тип частицы морфологический признак"'""^^ нормального изнашивания сферические стружковые ламинарные усталостно-блочные жесткого скольжения
контурная форма неправильная правильная округлая неправильная вытянутая неправильная неправильная неправильная
локальные особенности контура гладкие гладкие извилистые, зазубренные гладкая зазубренные извилистые, зазубренные
текстура поверхности гладкая гладкая грубая трещиноватая гладкая грубая зубчатая грубая трещиноватая, зубчатая
текстурные особенности нет отверстия, ямки бороздки отверстия, ямки отверстия, ямки отверстия, ямки, бороздки
наибольший размер, мкм 1-10 1-10 10-50 1-10 10-100 >100 10-100 10-100 >100 25-100 >100
отношение
толщины 1-2 - 1-10 1 -1 1-10 - 1-40 1 -2 - 1 -10 1-2 - 1-10 1 -5 - 1 -40
к размеру
Рис. 4. РЭМ-изображения частиц износа стали 45 (исходное состояние); время испытаний t = 20 (а, б); 30 (в, г); 40 мин (д, е); конгломераты частиц износа (а); ламинарные частицы (б, в); частица нормального изнашивания (г); частицы жесткого скольжения (д, е)
Лeгocmaeвa E.B., Шapкeeв Ю.П., Kyrnpem B.A. / Фuзuчecкaя Me3oMexaHurn 5 1 (2002) 59-70
Рис. 5. PЭM-изoбpaжeния чacтиц изнoca cтaли 45, имплaнтиpoвaннoй иoнaми мoлибдeнa; вpeмя иcпытaний: t = 20 (a, б); 30 (в, г); 40 мин (д, e); чаcтица нopмaльнoгo изнaшивaния (a); ламинаpныe чacтицы (б, в, г); ycтaлocтнo-блoчныe чacтицы (д, e)
Рис. 6. Оптические изображения частиц износа стали 45, формирующихся при разных временах испытаний: t = 20 (а); 30 мин (б)
Частицы износа вытянутой формы (рис. 4, д, е) представляют собой мезофрагменты, отделившиеся в процессе трения от материала. По морфологическим признакам эти частицы можно отнести к частицам жесткого изнашивания, т.к. поверхность частиц имеет многочисленные бороздки. Отметим, что появление частиц износа такой формы при меньших временах испытаний не отмечалось.
Рассмотрим особенности частиц износа, формирующихся на различных стадиях испытаний на трение для ионно-имплантированной стали. При испытании ионно-имплантированных образцов в течение 20 минут наблюдаются частицы нормального изнашивания, сферические частицы, а также ламинарные частицы (рис. 5, а, б). Конгломераты ламинарных частиц износа, наблюдавшиеся для неимплантированных образцов, отсутствуют. Общее количество частиц износа, сформированных в процессе трения имплантированных образцов, значительно меньше по сравнению с неимплантированными образцами.
При испытаниях в интервале от 20 до 30 минут наблюдаются частицы износа ламинарного типа (рис. 5, в, г). По морфологическим особенностям данные частицы не отличаются от частиц, сформированных в процессе трения неимплантированных образцов для данного времени испытаний, а также от частиц износа, сформированных на стадии приработки имплантированных образцов. Количество частиц износа, сформированных в процессе трения имплантированных образцов, сокращается так же, как и для неимплантированных образцов.
При дальнейшем увеличении времени испытаний (интервал от 30 до 40 минут) наблюдается появление частиц износа вытянутой формы, как и в случае неим-плантированных образцов. В отличие от частиц износа,
сформированных в процессе трения неиплантирован-ных образцов для данного времени испытаний, поверхность таких частиц износа имеет много трещин (рис. 5, д, е). Эти частицы можно отнести, согласно приведенной классификации, к усталостно-блочным частицам. Таким образом, в случае ионно-имплантированной стали 45 в процессе ее износа могут формироваться частицы нормального изнашивания, сферические частицы, ламинарные частицы и усталостно-блочные частицы.
4. Обсуждение результатов
Из анализа приведенных результатов и данных работы [42] следует, что при трении стали 45 для исследованных состояний (ионно-имплантированного и исходного
2 4 6 8 10 20 40 60 80 100 400 размер частиц износа, мкм
Рис. 7. Гистограмма распределения частиц износа по размерам на стадии приработки для неимплантированных образцов; время испытаний t = 20 мин
неимплантированного) деформация поверхностных слоев происходит с образованием вторичных структур, разрушение которых сопровождается образованием частиц износа. Понятие вторичных структур впервые было введено в работах, выполненных киевской школой трибологов в рамках теории структурной приспосабли-ваемости [25-28]. Согласно данной теории установление режима минимального трения сопровождается формированием диссипативных вторичных структур. В работах [16, 50] были предложены механизмы формирования, деформирования и разрушения вторичных структур, а также образования частиц износа при механохи-мическом трении. Согласно этим работам эволюция процессов вторичного структурообразования приводит к формированию вторичных структур двух типов (вторичные структуры типа I и II) с различными свойствами, строением, элементным составом.
Рассмотрим некоторые особенности формирования вторичных структур. На рис. 8 приведена схема строения поверхностных слоев при формировании вторичных структур типа I и II [50]. Этап приработки сопровождается формированием вторичных структур типа I. При этом в результате перемещения на поверхности трения жидкостноподобных ультрадисперсных пленок, происходит залечивание дефектов кристаллического строения, устраняются микропоры и трещины, то есть происходит выглаживание поверхности до образования оптимальной шероховатости. Разрушение поверхности происходит путем уноса пластичных подвижных пленок с их последующей агрегацией в виде частиц износа сферической, пластинчатой, а в некоторых случаях игольчатой формы. Процесс образования вторичных структур типа I характеризуется повышенным износом.
В дальнейшем, при формировании вторичных структур типа II, происходит стабилизация и упрочнение структуры поверхности трения. Частицы износа, формирующиеся на данном этапе, являются результатом отделения и дробления хрупких пленок и имеют более произвольную форму. На поверхности трения наблюдаются все фазы хрупкого разрушения — образование трещин, отделение блоков фрагментов, дробление частиц. Процесс образования и разрушения пленок вторичных структур типа II находится в динамическом рав-
новесии и характеризуется минимальным износом. Причем авторы данных работ отмечают, что переход вторичных структур типа I к вторичным структурам типа II выполняется автоматически при минимальном дополнительном времени и изменении режима нагруже-ния.
При трении исследуемой стали 45 в имплантированном и неимплантированном состояниях также происходит формирование, деформация и разрушение вторичных структур, с последующим образованием частиц износа. Причем закономерности формирования вторичных структур в стали 45 при трении подобны формированию вторичных структур типа I и II, рассмотренных выше. Ранее был проведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния, формирующегося в приповерхностных слоях при трении и износе ионно-имплантированной и неимплантированной стали 45, находящейся в феррито-перлитном состоянии [42]. Было показано, что на стадии приработки в приповерхностном слое неимплантированных образцов формируются градиентные микро- и мезоструктуры, характеризуемые постепенным уменьшением степени деформации по направлению от поверхности вглубь образца. При этом в пределах каждого из слоев на микро-и мезоуровнях происходит процесс фрагментации структуры материала.
В результате разрушения фрагментов вторичной структуры формируются частицы износа различных масштабных уровней, а также конгломераты частиц износа. Образование конгломератов частиц, сопровождающееся повышенным износом, наблюдается только на стадии приработки неимплантированных образцов, в процессе формирования вторичной структуры. Таким образом, формирование вторичных структур на стадии приработки неимплантированных образцов происходит подобно вторичным структурам типа I, описанным выше.
Существенное уменьшение интенсивности изнашивания имплантированной стали связано с тем, что стадия приработки для имплантированных образцов, сопровождающаяся образованием конгломератов частиц износа и повышенным износом, практически отсутствует. В результате ионной имплантации в приповерх-
Рис. 8. Схема строения поверхностных слоев при формировании вторичных структур типа I (а) и II (б) [50]
ностном слое стали формируется особое структурно-фазовое состояние, которое подобно градиентной микроструктуре, формирующейся на стадии приработки при трении неимплантированных образцов [42]. Модифицированное структурно-фазовое состояние является причиной локализации пластической деформации в тонком приповерхностном слое уже в первые моменты испытаний. В свою очередь, локализация пластической деформации приводит к формированию фрагменти-рованной мезоструктуры в приповерхностном слое, выявляемой при анализе полей векторов смещений [42]. В результате разрушения фрагментированной мезо-структуры и формируются частицы износа второго уровня.
Наблюдается хорошая корреляция между размерами частиц износа второго уровня и размерами фрагментов мезоструктуры. Размеры частиц износа первого уровня коррелируют с размерами фрагментов вторичных структур, исследовавшихся методами просвечивающей микроскопии в работе [42].
На стадии установившегося изнашивания как при испытании ионно-имплантированных, так и неимплан-тированных образцов наблюдаются единичные частицы вытянутой формы. Формирование вторичных структур и частиц износа на стадии установившегося изнашивания происходит подобно вторичным структурам типа II, рассмотренным выше.
Однако формирование частиц износа при испытании ионно-имплантированных и неимплантированных образцов имеет ряд отличий. Первое отличие связано с различной морфологией частиц износа. На поверхности частиц износа как для неимплантированных, так и для имплантированных образцов наблюдается хрупкое разрушение, заключающееся в образовании трещин и отделении фрагментов. Однако как поверхности трения, так и частицы износа неимплантированных образцов сохраняют некоторую пластичность и имеют бороздчатую структуру.
Второе отличие заключается в том, что частицы износа для ионно-имплантированного и неимплантиро-ванного состояний стали 45 имеют разные размеры. Это связано с тем, что в имплантированных и неимпланти-рованных образцах пластическая деформация развивается в приповерхностных слоях разной толщины. Максимальная толщина деформируемого слоя для неим-плантированных образцов достигает 60 мкм. Для ион-но-имплантированных образцов максимальная толщина деформируемого слоя равна 20 мкм [42]. Причем наблюдается корреляция между толщиной деформируемого слоя и размерами частиц износа как для имплантированных, так и для неимплантированных образцов.
Третье отличие связано с различным количеством формирующихся вытянутых частиц износа (уровень 3) для имплантированных и неимплантированных образцов. Формирование подобных частиц сопровождается
развитием характерного деформационного рельефа на боковой поверхности образца. В работе [42] было показано, что на стадии установившегося изнашивания в приповерхностном слое наблюдается самосогласованное движение мезофрагментов, которое имеет вихревой характер. Размеры фрагментов мезоструктуры, выявляемой на картине векторов смещений, коррелируют с размерами частиц износа уровня 2, а размеры крупных частиц износа (уровень 3) коррелируют с размерами фрагментов вихревой мезоструктуры, формирующейся в приповерхностном слое материала при трении. Различная интенсивность изнашивания неимплантированных и имплантированных образцов связана с разным развитием пластической деформации на мезомасштабном уровне во временном масштабе. При времени испытаний 40 минут в приповерхностном слое имплантированных образцов не наблюдается ярко выраженного вихревого характера движения элементов мезоструктуры. Это приводит к уменьшению интенсивности формирования вытянутых частиц износа уровня 3, а следовательно, к меньшему износу имплантированных образцов на стадии установившегося изнашивания.
5. Выводы
1. Процесс изнашивания ионно-имплантированных и исходных неимплантированных образцов стали 45 в феррито-перлитном состоянии сопровождается образованием частиц износа и бороздок трения, размеры которых соответствуют трем масштабным уровням.
2. Для ионно-имплантированных и неимплантиро-ванных образцов наблюдается хорошая корреляция между:
- размерами частиц износа и поперечными размерами бороздок для каждого из трех масштабных уровней;
- размерами частиц износа масштабного уровня 1 и размерами фрагментов микроструктуры, исследуемых с помощью просвечивающей электронной микроскопии;
- размерами частиц износа масштабного уровня 2 и размерами фрагментов мезоструктуры, выявляемых на картине векторов смещений;
- размерами частиц износа масштабного уровня 3 и размерами фрагментов вихревой мезоструктуры, выявляемых на картине векторов смещений.
3. Повышенный износ на стадии приработки сопровождается формированием градиентной микро- и мезо-структуры для неимплантированных образцов, которая подобна вторичной структуре типа I. Разрушение фрагментов вторичной структуры приводит к формированию частиц износа трех масштабных уровней и конгломератов частиц износа.
4. Уменьшение длительности стадии приработки для ионно-имплантированных образцов связано с формированием в приповерхностном слое модифицированного структурно-фазового состояния в процессе ионного ле-
гирования. Это приводит к уменьшению износа ионно-имплантированных образцов и сопровождается значительным уменьшением общего количества частиц износа, а также конгломератов частиц износа.
5. Формирование фрагментированной структуры на стадии установившегося изнашивания подобно формированию вторичной структуры типа II и характеризуется минимальным износом. Разрушение фрагментированной структуры и формирование частиц износа уровня 3 сопровождается вихревым движением мезофрагментов.
6. Начало вихревого движения элементов мезострук-туры для ионно-имплантированных образцов наступает значительно позже по сравнению с исходными неим-плантированными образцами. Это является определяющей причиной уменьшения интенсивности формирования частиц износа уровня 3 и, следовательно, уменьшения износа имплантированных образцов.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность А.В. Колубаеву, Б.П. Гриценко, С.В. Панину, В.В. Беспалову за интерес к работе и обсуждение результатов. Работа была выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ-БФФИ (№ 00-01-81134 Бел2000а) «Физическая мезомеханика деформирования и разрушения материалов, модифицированных плазменными, электронно-лучевыми, ионно-лучевыми и газотермическими методами».
Литература
1. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия,
1990. - 216 с.
2. Ионная имплантация / Под ред. Дж.К. Хирвонена. - М.: Металлургия, 1985. - 391 с.
3. Hirvonen J.K. Industrial application of ion implantation // Mat. Res. Symp. Proc. - 1984. - V. 27. - P. 621-629.
4. SingerI.L. Surface analysis, ion implantation and tribological processes
affecting steels application // Application of Surface Science. - 1984. -V. 18. - No. 11. - P. 28-62.
5. Singer I.L. Tribomechanical properties of ion implanted metals // Mat. Res. Symp. Proc. - 1984. - V. 27. - P. 585-595.
6. Hubler G.K., Smidt F.A. Application of ion implantation to wear protection of materials // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 1985. - B. 7/8. - P. 151-157.
7. Белый A.B., Ших С.К. Ионно-лучевое легирование и фрикционные
свойства металлов // Трение и износ. - 1987. - Т. 8. - № 2. - С. 331343.
8. 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. 203/ 204. - P. 596-607.
9. Белый A.B., Кукареко B.A., Лободаева O.B., Таран ИИ., Ших С.К. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Минск: Изд-во ФТИ НАНБ, 1998. - 220 с.
10. Белый A.B., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.
11. Sharkeev Yu.P., Gritsenko B.P., Fortuna S.V, Perry A.J. Modification of metallic materials and hard coatings using metal ion implantation // Vacuum. - 1999. - V. 52. - P. 247-254.
12. Григорьев А.Я., Чанг P., Юн Е.-С., КонгХ. Классификация частиц износа по семантическим признакам // Трение и износ. - 1999. -Т. 20. - № 2. - С. 159-166.
13. Григорьев А.Я., ПенгЖ., Кирк Т.Б. Классификация частиц износа по текстуре поверхности с помощью матриц совместной встречаемости // Трение и износ. - 1998. - Т. 19. - № 5. - С. 606-615.
14. Холодилов О.В., Сергиенко В.П., Моисеева Т.М., Левин И.А. Оценка триботехнических характеристик фрикционных материалов по статистическим параметрам распределения частиц износа по размерам // Трение и износ. - 1997. - Т. 18. - № 4. - С. 543-548.
15. Громаковский Д.Г., ЛогвиновЛ.М., ОтражийВ.И. Исследование параметров частиц износа, генерируемых в процессе трения // Трение и износ. - 1996. - Т. 17. - № 1. - С. 95-99.
16. Костецкая Н.Б. Механизмы деформирования, разрушения и образования частиц износа при механохимическом трении // Трение и износ. - 1990. - Т. 11. - № 1. - С. 108-115.
17. Квон О.К. Образование сферических частиц изнашивания в контакте скольжения со смазкой // Трение и износ. - 1996. - Т. 17. -№ 1. - С. 58-66.
18. Balogh I., Ali W.Y. Ferrographic examination of solid particles contamination lubrication oil // Metall. - 2000. - V. 54. - No. 4. - P. 731-738.
19. Кузьмин Н.Н., Шувалова Е.А., Транковская Г.Р., Муравьева Т.И. Методы анализа структур поверхностей, формирующихся в процессе трения // Трение и износ. - 1996. - Т. 17. - № 4. - С. 480486.
20. КрагельскийИ.В. Трение и износ. - М.: Машиздат, 1962. - 328 с.
21. Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. -480 с.
22. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. - М. : Машиностроение, 1984. - 280 с.
23. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. - М.: Машиностроение, 1968. - 503 с.
24. Бриско Б.Дж., Тейбор Д. Аддитивность процессов трения // Трение и износ. - 1992. - № 1. - С. 6-15.
25. Поверхностная прочность материалов при трении / Под. ред. Б.И. Костецкого. - Киев: Техшка, 1976. - 396 с.
26. Костецкий Б.И. Структурно-энергетическая приспосабливае-мость материалов // Трение и износ. - 1985. - № 2. - С. 201-213.
27. Бершадский Л.И. О самоорганизации и концепциях износостойкости трибосистем // Трение и износ. - 1992. - № 6. - С. 10771095.
28. Бершадский Л.И. Борис Иванович Костецкий и общая концепция в трибологии // Трение и износ. - 1993. - Т. 14. - № 1. - С. 6-18.
29. Памяти Лазаря Иссаковича Бершадского // Трение и износ. -1992. - Т. 13. - № 6. - С. 1128-1130.
30. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.П. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
31. Панин В.Е., ГриняевЮ.В., ДаниловВ.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Сиб. отделение РАН, 1990. - 255 с.
32. Владимиров В.И. Проблемы физики трения и изнашивания // Сборник научных трудов «Физика износостойкости поверхности металлов». - Ленинград, 1988. - С. 8-41.
33. Алексеев Н.М., Богданов Р.И., Буше Н.А., Мелашенко А.И., Нагорных С.Н., Транковская Г.Р. Новое о структурных особенностях трения твердых тел // Трение и износ. - 1988. - Т. 9. - № 6. -С. 965-974.
34. Алексеев Н.М. Новое о структурных особенностях изнашивания твердых тел // Трение и износ. - 1989. - Т. 10. - № 2. - С. 197205.
35. Алексеев Н.М., Кузьмин Н.Н., Транковская Г.Р., Шувалова Е.А. О самоподобии процессов трения и изнашивания на различных масштабных уровнях // Трение и износ. - 1992. - Т. 13. - № 6. -С. 161-171.
36. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
37. Панин В.Е. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 1. - С. 7-34.
38. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
39. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
40. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
41. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.
42. 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.
43. Колубаев А.В. Деформация приповерхностных слоев металлических материалов при трении скольжении // Материалы Меж-дунар. науч.-практ. симпозиума «СЛАВЯНТРИБО-5. Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения». -С.-Петербург-Рыбинск: ВМПАВТО, МФ СЕЗАМУ, РГАТА,
2000.- С. 61-64.
44. Погодаев Л.И. Новые теоретические подходы к проблемам прогнозирования надежности материалов и оборудования // Мате-
риалы Междунар. науч.-практ. симпозиума «СЛАВЯНТРИБО-5. Наземная и аэрокосмическая трибология - 2000: проблемы и достижения». - С.-Петербург-Рыбинск: ВМПАВТО, МФ СЕЗАМУ, РГАТА, 2000. - С. 9-16.
45. Батаев В.А., Батаев А.А., Тушинский Л.И., Которое С.А., Суханов Д.А. Ротационный характер пластического течения в стали с гетерофазной структурой // Вестник ТГУ. - 2000. - Т. 5. -Вып. 2-3. - С. 289-291.
46. Панин С.В., Панин В.Е., Байбулатов Ш.А., Беляев С.А., Дураков В.Г. Изучение пластической деформации на мезо- и макро-масштабных уровнях при трении и изнашивании композиции «сталь 20X13 - упрочняющее композиционное покрытие» // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 4. - С. 59-72.
47. Панин В.Е., Колубаев А.В., Слосман А.И., Тарасов С.Ю., Панин С.В., Шаркеев Ю.П. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. -С. 67-74.
48. Panin V., Kolubaev A., Tarasov S., Popov V. Subsurface layer formation during sliding friction // Wear. - 2001. - V. 249. - P. 860-867.
49. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.
50. Костецкая Н.Б. Динамика двухступенчатой приработки трущихся сопряжений машин // Трение и износ. - 1993. - Т. 14. - № 1. -С.112-120.
