Visualization of localized deformation in friction Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Визуализация локализованной деформации при трении

С.Ю. Тарасов1, 2, С.Н. Поляков2, С.А. Бикбаев2

1 Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Проведено іп^іШ наблюдение зон деформации при трении методом вычислительной декорреляции. Обнаружены два типа зон деформации: движущиеся и неподвижные, при этом последние соответствуют локализации деформации в поверхностных слоях образцов. С помощью атомно-силовой акустической микроскопии и растровой электронной микроскопии исследована структура материала в зоне локализации.

Visualization of localized deformation in friction

S.Yu. Tarasov1, 2, S.N. Polyakov2, and S.A. Bikbaev2

1 Tomsk Polytechnical University, Tomsk, 634050, Russia

2 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

In-situ examination of deformation zones in friction has been carried out using a method of computing decorrelation. Two types of deformation zones, namely, moving and fixed, have been revealed. The fixed zones correspond to deformation localization in surface layers of specimens. With atomic force acoustic and scanning electron microscopy we study the structure of the material in the localization zone.

1. Введение

Многообразие процессов, происходящих при трении на поверхности твердых тел, можно свести к нескольким базовым: пластическая деформация, взаимодействие с окружающей средой, перенос материала с одной поверхности на другую и его механическое перемешивание. В качестве первичного акта деформации при трении традиционно рассматривается взаимодействие шероховатостей контактирующих тел и последующее формирование пятен контакта. В свою очередь, ключом к пониманию отмеченных материаловедческих аспектов в трибологии является вопрос о том, с чего начинается, как и до каких пор продолжается пластическая деформация в пятнах контакта при трении скольжения.

Таким образом, изучение процессов деформации, переноса и перемешивания представляется весьма акту-

альным, но, может быть, не менее важным является изучение предшествующих этому процессов формирования фактической поверхности контакта. Недостатком большой части работ в области изучения деформации подповерхностных слоев при трении является то, что исследования проводятся на образцах после испытаний, т.е. после того как произошли структурные изменения, и остается только сравнивать данные, полученные до и после испытаний. Между тем, формирование уже самой первой частицы износа качественно меняет режим трения и изнашивания, превращая трибосистему в подобие механохимического реактора.

При изучении трения скольжения очень важно выяснить, каким образом происходит локализация деформации в приповерхностных слоях образцов, ведь именно она приводит к образованию частиц износа в результате

© Тарасов СЮ., Поляков C.H., Бикбаев C.A., 2005

адгезионного или усталостного взаимодействия и дальнейшего перемешивания материала в зоне трения.

Одной из интересных особенностей поведения материала при трении является формирование мелкокристаллических слоев и вторичных структур на поверхности деталей. Причины и механизмы формирования такого слоя обсуждены в обзоре [1]. Основным механизмом названо перемешивание частиц деформируемого металла. Однако, в наших исследованиях [2] было показано, что подобного рода слои могут формироваться сдвигом одной части материала образца относительно другой с образованием резкой границы. При этом слой состоит только из материала образца без примеси материала контртела. Возможной причиной формирования такого слоя могла бы быть особенность деформации в каком-либо месте образца и дальнейшее ее развитие. Существующие статические методы изучения структур в приповерхностных слоях материалов не дают возможности наблюдать такого рода эффекты.

Целью данной работы является исследование кинетики локализации деформации материала при трении.

2. Метод исследования

Естественным путем развития экспериментальных методов исследований является переход от изучения свойств и характеристик объекта в статике к изучению в реальном времени. В области трибологии такие попытки предпринимались, в основном, с использованием оптической микроскопии [3]. В этой работе было показано, что деформация непрерывно распространяется от поверхности вглубь неподвижного образца. В результате формируется частица износа путем распространения транскристаллитной трещины и последующего ее отрыва с переносом на контртело.

С другой стороны, в ряде работ делались попытки получения распределения деформации от поверхности вглубь образца с помощью лазерной спекл-интерферо-метрии [4] и методом подсчета числа мерцаний субъективных спеклов [5, 6].

Однако в рамках традиционного подхода к спекл-интерферометрии остаются нерешенными проблемы, связанные с высоким уровнем шумов и ограниченным диапазоном непрерывных измерений из-за декорреляции спекл-изображений [7]. В рамках развиваемого подхода предлагается использовать метод вычислительной декорреляции [7, 8] для отображения изменений в объекте при локализованной пластической деформации, в частности для изучения процессов деформации, переноса и перемешивания материала в зоне трения.

Способ предусматривает освещение деформируемой поверхности когерентным светом, последовательное выполнение с заданной частотой набора операций, включающего формирование видеокадра поверхности,

его оцифровку и сохранение в памяти компьютера, получение выборочного коэффициента взаимной декорреляции с другим видеокадром, сдвинутым на программно-заданный промежуток времени, и, наконец, отображение этой картой зон локализации деформации на полутоновом дисплее или цифрового представления поля выборочного коэффициента взаимной декорреляции в файле для последующего отображения деформации другими техническими средствами [8]. Вычисление коэффициента взаимной декорреляции проводится согласно формуле:

чг"’=1 -|(( -(М)% *

х(----{Б>-р)))а)-г,), где Бук, Бу(к-р) — уровни видеосигнала в данном пикселе видеоизображения соответственно первого и второго кадров; (Б)к}, (Бу(к-р^ — усредненные уровни видеосигнала по окну корреляции; аБ , аБ —

Чк )(к-р)

среднеквадратичные отклонения для пикселов, характеризуемых уровнями Бук, Бу (к -р).

Затем производится пространственное сглаживание числа мерцаний и их последующее численное дифференцирование по времени. Данный метод показал линейную зависимость числа мерцаний спеклов от компонент деформации, лежащих в плоскости наблюдения, что является еще одним преимуществом перед методом вычислительной спекл-декорреляции [7].

В связи с этим было разработано и изготовлено устройство для наблюдения трибоконтакта двух или более тел с тем, чтобы зона трения могла быть визуализирована соответствующим методом с подходящим увеличением. Принципиальная схема устройства показана на рис. 1. Устройство может устанавливаться в стандартные захваты машины растяжения, при этом необходимо исключать возможность смещения устройства в захватах. Подвижный захват растягивает образец 2, в то время как неподвижный образец 1 прижимается к нему посредством нагрузочного устройства. В результате более твердый стальной образец 2 деформирует поверхность образца 1 так, что при освещении зоны лазером 4 возникает меняющаяся картина спеклов, которая фиксируется видеокамерой 5 и ее сигнал оцифровывается и записывается на твердый диск компьютера с помощью специально разработанной программы. Важным и необходимым является наличие плотно прижатого к боковым сторонам образца стекла 3, чтобы максимально затруднить формирование наплыва края образца в перпендикулярном плоскости стекла направлении. Скорость подвижного захвата в описываемых экспериментах составляла 5, 10, 20 и 100 мм/мин. Расчеты выполнены для скоростей 5 и 20 мм/мин. В

Рис. 1. Схема метода визуализации деформации при трении: 1 — наблюдаемый неподвижный образец; 2 — подвижный образец (контртело); 3 — стекло; 4 — источник освещения; 5 — видеокамера; 6 — интерфейс

результате испытания получается видеоряд, снятый в реальном времени и сохраненный на жестком накопителе компьютера. После компьютерной обработки данные наблюдений удобно представлять в виде хронограмм, построенных в выбранном сечении образца.

Образцы для испытаний изготавливались из латуни и меди.

3. Результаты

В процессе съемки выделенной области получается картина распределения спеклов, которая затем обрабатывается методом подсчета скорости мерцаний спеклов (рис. 2). Наличие темных пятен на поверхности неподвижного образца 2 соответствует областям поверхности с повышенным уровнем коэффициента вычислительной декорреляции спеклов (либо скорости мерцаний спек-лов) из-за смещения и, главным образом, деформации материала в результате действия напряжений сжатия и сдвига. Обращает на себя внимание то, что данные области могут как перемещаться по боковой поверхности неподвижного образца, так и локализоваться в каком-либо его месте. Существование зон локализации характерно для области сжатия при входе подвижного образца в контакт с неподвижным образцом. Тем не менее, одна из таких устойчивых во времени зон образовалась на трети длины образца, как показано на рис. 2, а. Движущиеся зоны перемещаются как вдоль направления скольжения в непосредственной близости от поверхности, так и поперек, вглубь основного металла. Стационарные зоны соответствуют устойчивой локализации деформации в каком-либо месте образца.

При испытании образцов наблюдали перемещения зон деформации, представленные на рис. 3 в виде хронограммы определенного сечения образца, где они отобра-

Рис. 2. Примеры усредненного распределения коэффициента декорреляции по боковой поверхности неподвижных образцов: 1 — движущийся образец; 2 — неподвижный образец

. 1.5 -

100

200

^ с

300

2 1.

^ с

Рис. 3. Временная развертка (хронограмма) распределения обработанных цифровых спекл-изображений в продольном сечении по направлению скорости скольжения; материал — латунь; скорость скольжения — 5 (а), 20 мм/мин (б); период съемки — 1 с

жаются в виде темных полос. Наклон полос соответствует перемещению зоны со скоростью, сравнимой со скоростью захвата и равной 4.8 ± 1.6 в первом случае и 25 ± 8.3 мм/мин во втором случае.

Горизонтальные полосы соответствуют стационарным зонам, а вертикальные — зонам, которые пробегают сечение образца за время экспозиции. Таким образом, в нашем случае мы имеем движущиеся в подповерхностных слоях образцов зоны деформации.

При металлографическом исследовании неподвижного образца в зоне локализации деформации (стационарная зона на рис. 2, а) было обнаружено, что на поверхности начинает образовываться сильнодеформи-рованный слой металла, а под ним ясно видны следы скольжения (рис. 4, а). С помощью атомно-силовой акустической микроскопии удалось наблюдать начальную стадию формирования нанокристаллических слоев на боковой поверхности образца (рис. 4, б).

4. Обсуждение результатов

При построении моделей трения обычно считается, что деформация распределена равномерно по реальной площади контакта и естественных причин для ее локализации не существует. Однако наблюдения показывают, что существуют области локализации макроскопического масштаба, не зависящие от начальной микрошероховатости поверхности контакта. Одной из причин

этого может быть распределение напряжений при движении индентора вдоль поверхности скольжения. Например, в работе [9] показано, что в задней части движущегося индентора формируется область растягивающих напряжений, тогда как в передней — область напряжений сжатия. В зависимости от величины коэффициента трения эти напряжения могут быть вполне достаточными для формирования устойчивого очага деформации. Разнонаправленность этих напряжений может вызывать вихреобразное смещение материала вокруг центра или от центра к периферии. Кроме того, в работе [10] утверждается, что при трении в поверхности возникают пространственные квазипериодические осцилляции напряжений, которые ответственны за возникновение высоких локальных моментных напряжений. Релаксация этих напряжений вызывает появление ротационных мод деформации и формирование фрагментированной субструктуры. Необходимо отметить, что данное утверждение справедливо, главным образом, в отсутствие ярко выраженного образования частиц износа и влияния окружающей среды (например, окисление материала кислородом воздуха и формирование защитной пленки сложного состава). Характер распределения напряжений в контакте [9] позволяет предположить действие ротационной моды деформации. При этом материал может двигаться кругообразно вокруг центра локализации.

100 j

0 100 200 300 400 нм

Рис. 4. Строение подповерхностного слоя в зоне локализации деформации (см. рис. 2, а): а — пластическая деформация, X1 500 (РЭМ); б — участок с нанокристаллической структурой

Именно такой механизм рассмотрен в работе [11], где рассматривается взаимосвязь между механизмами изнашивания и механизмами деформации в условиях адгезионного изнашивания. Все обнаруживаемые в работе типы катастрофического изнашивания начинаются с адгезии микронеровностей и поэтому называются ад-гезионно-инициируемые катастрофическим изнашиванием. При этом адгезия микронеровностей либо агломерация мелких частиц износа могут приводить к образованию зародыша катастрофического изнашивания. В зависимости от твердости такой зародыш будет либо индентировать родительскую поверхность, либо «размажется» по ее поверхности. Было показано [11], что в первом случае материал может течь кругообразно вокруг адгезионного соединения, и как результат, зона контакта стягивается в упрочненное ядро — зародыш задира. Увеличение доли пятен контакта с подобной структурой может привести к образованию слоя, по площади

близкого к номинальной площади контакта [1, 2]. Механизмом формирования такого слоя может быть не только механическое перемешивание частиц износа и неотслоившегося материала в пятне контакта, но также потеря сдвиговой устойчивости материала пятна контакта, что проявляется как остановка наблюдаемых в данном эксперименте зон. Соответствующая этому моменту картина деформации в пятне контакта зафиксирована на рис. 4, а.

Используемые в работе величины скорости скольжения и контактного давления (10 МПа) не вызывают сколько-нибудь заметного локального нагрева образца, чтобы можно было говорить о термическом разупрочнении или о действии избирательного переноса.

5. Заключение

С помощью используемого в работе метода было показано, что в поверхностных слоях твердых тел при трении на боковых поверхностях твердых тел наблюдаются зоны деформации двух типов: перемещающиеся и стационарные. Стационарные зоны соответствуют устойчивой локализации деформации и последующего за этим этапа формирования нанокристаллического слоя. В соответствующих условиях на практике это означает переход от нормального режима изнашивания к катастрофическому. Как было показано в работе [12], смена механизма изнашивания с нормального окислительного на адгезионный сопровождается увеличением масштаба характерных объемов материала, вовлекаемых в процесс. Таким образом, дальнейшее исследование условий формирования зародышей катастрофического изнашивания может помочь в поисках методов стабилизации деформации на безопасном масштабном уровне. Это может быть либо стабилизация структуры путем упрочнения пятен контакта, либо, наоборот, снижение сдвиговой устойчивости в них — мягкое покрытие или модифицирование.

Литература

1. Rigney D.A. Transfer, mixing and associated chemical and mechanical processes during the sliding of ductile materials // Wear. - 2000. -V. 245. - P. 1-9.

2. Panin V, Kolubaev A., Tarasov S., Popov V. Subsurface layer formation

during sliding friction // Wear. - 2002. - V. 249. - P. 860-867.

3. Mishina H. Surface deformation and formation of original element of wear particles in sliding friction // Wear. - 1998. - V. 215. - P. 10-17.

4. Seif M.A., Mohr P.S., Moslehy F.A., Rice S.L. Deformation and strain fields in pin specimen in sliding contact by laser speckle and metallo-graphic techniques // Transactions of ASME. - 1990. - V. 122. -P. 506-513.

5. Vladimirov A.P., Gorohov A.A., Galkin E.N., Lisin A.L. Using speckle optics for studying the localization and determination of non-reversible deformations // SPIE Procedings. - 2000. - V. 4002. -P. 128-134.

6. Владимиров А.П. Динамическая спекл-интерферометрия деформи-

руемых объектов // Дис. ... докт. техн. наук. - Екатеринбург: УПИ,

2002. - 393 с.

7. Поляков С.Н., Горбатенко В.В., Лопаев Е.Л., Зуев Л.Б. Метод вычислительной декорреляции цифровых спекл-изображений для исследования пластической деформации // Автометрия. - 2003. -Т. 39. - № 5. - С. 102-111.

8. Пат. 2177602. 601 В11/16. Способ отображения зон локализации деформации поверхности / С.Н. Поляков, В.В. Горбатенко, Л.Б. Зуев. - Опубл. в БИ 27.12.2001.

9. Liu Zhiang, Neville Anne, Reuben R.L., Shen Weldian. The contribution

of a soft (thin) metallic film to a friction pair in the running-in process // Tribology Letters. - 2001. - V. 11. - No. 3-4. - P. 161-169.

10. Панин В.Е., Витязъ П.А. Физическая мезомеханика разрушения и износа на поверхностях трения твердых тел // Физ. мезомех. -

2003. - Т. 5. - № 1. - С. 5-13.

11. Маркое Д.П., Келли Д. Адгезионно-инициируемые типы катастрофического изнашивания // Трение и износ. - 2002. - Т. 23. - N° 5.-С. 483^93.

12. Тарасов С.Ю., Колубаев А.В., Липницкий А.Г. Применение фракталов к анализу процессов трения // Письма в ЖТФ. - 1999. -Т. 25. - № 3. - С. 82-88.