ЗНОСОСТіЙКіСТЬ ЯК ЕНЕРГЕТИЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА МіЦНОСТі МАТЕРіАЛУ В ЗОНі ТЕРТЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------□ □---------------------

В роботі наведено результати дослідження процесів руйнування при терті на прикладі композиційних електролітичних покриттів. Методами аналізу теоретичних та експериментальних результатів дослідження в рамках енергетичної моделі утворення частинок зносу в приповерхневих зонах пари тертя зроблено оцінку процесу руйнування поверхневих шарів. Встановлено наявність залежності розмірів частинок зносу від механічних властивостей матеріалу

Ключові слова: тертя, частинки зносу, композиційне покриття, дислокація, структура, зміцнення, кристалічна гратка □------------------------------------□

В работе приведены результаты исследования процессов разрушения при трении на примере композиционных электролитических покрытий. Методами анализа теоретических и экспериментальных результатов исследования в рамках энергетической модели образования частиц износа в приповерхностных зонах пары трения сделана оценка процесса разрушения поверхностных слоев. Установлено наличие зависимости размеров частиц износа от механических свойств материала

Ключевые слова: трение, частицы износа, композиционное покрытие, дислокация, структура, упрочнение, кристаллическая решетка

------------------□ □---------------------

УДК 665.9

ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ЯК ЕНЕРГЕТИЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА МІЦНОСТІ МАТЕРІАЛУ В ЗОНІ

ТЕРТЯ

В. М. Крамар

Доктор фізико-математичних наук, професор,

завідувач кафедри Кафедра загальної фізики Чернівецький Національний університет ім. Юрія Федьковича вул. Коцюбинського, 12, Чернівці, Україна, 58000 Е-mail: v.kramar@chnu.edu.ua М. В. Кі ндрачук Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри* Е-mail: nau12@ukr.net В. Я. Лобурак Аспірант* Е-mail: vloburak2@mail.ru *Кафедра машинознавства Національний авіаційний університет пр. Космонавта Комарова, 1, Київ, Україна, 03680

1. Вступ

Дослідження зносостійкості матеріалів як експериментальним, так і теоретичним методом приводить до висновку, що руйнування є заключною фазою складного багатоетапного процесу пошкоджуваності, що закономірно розвивається на атомарному та мезоскопічному рівнях задовго до появи зовнішньо спостережуваних проявів їх руйнування і проявляється як неперервний процес збільшення внутрішньої енергії кристалічної гратки, що висвітлено в працях Ібатуліна І.Д. [1]. В роботах [2, 3] показано, що міцність шару поверхні тертя залежить від структури і, в першу чергу, зернистості фаз в зоні тертя. Такі дослідження набувають цінності особливо, коли йдеться про зносостійкість нанесених покриттів.

2. Методика та аналіз результатів дослідження

В роботах [4 - 8] досліджено та систематизовано триботехнічні характеристики дифузійних осаджених і напилених покриттів, включаючи композитні електролітичні покриття (КЕП) на нікелевій основі з різними твердими фазами наповнювача в якості зміцнюючої складової.

На рис. 1 приведено характер зносостійкості системи покриття №^іС від вмісту наповнювача, а на рис. 2

- залежність від розміру частинок SiC.

!. мг/см2за 10 м3 500

400

о

о

£ 300

5

Т

О

£ 200

5

а.

100

0

0 10 20 ЗО 40 50

Вміст віС, об. %

Рис. 1. Залежність зносостійкості КЕП від вмісту

наповнювача при навантаженні 20 Н і швидкості тертя 0,5 м/с. Величина частинок 28/20 мкм [5]

З

© В. іі Крамар, іі В. Ніндрачук. В. я. Лобурак, 2013

dt

Skdt

- швидкість зміни енергії системи;

^ dt

Skdt

швидкість розсіювання енергії;

Рис. 2. Залежність зносостійкості КЕП М^ІС від розміру частинок SiC при навантаженні 20 Н і швидкості тертя 0,5 м/с. Об’ємний вміст наповнювача 24% [5]

З наведених даних видно, що зносостійкість КЕП змінюється зі змінною як кількості, так і розмірів частинок наповнювача, що характеризує структуру покриття, яку можна позитивно удосконалювати шляхом додаткової хіміко-термічної обробки [9]. Оцінити процес зношення такого покриття можна, виходячи з наступних уявлень.

На рис. 3 представлена схема площини тертя з розташуванням в одній із них твердої фази. Під дією сил тертя окремі частинки опиняються на вершині зубців нерівності і в матриці їх утримує енергія взаємодії, яка залежить як від природи матеріалу, так і величини частинок.

Si - площа поверхні тимчасового контакту;

ІсЛс - потужність пливу попутних факторів.

Дисипативні функції процесів пластичної деформації та утворення вільних поверхонь взаємодії різних фаз в яких концентруються сили розсіювання енергії та зародження дефектів кристалічної структури - дислокацій, яким передує пластична деформація визначаються з таких міркувань. Дислокації накопичуються на границях фаз, що призводить до руйнування сил зв’язку між ними і, як результат - викришуванням однієї із фаз - у даному випадку йдеться про фазу ТіС, яка сприяє виникненню абразивного зношування.

Для зручності введемо поняття хімічного потенціалу дислокації - робота, яка затрачається для утворення одиничної дислокації:

Т л Ат

ф = р, л, = Дф = Др,

де ф, - хімічний потенціал дислокації; т - діючі в металах напруження; Р - число дислокацій, яке припадає на одиницю деформованої речовини;Л, - утворення та переміщення дислокаціщДф, - різниця хімічних потенціалів для двох напружених станів матеріалу;Дт - зміцнення матеріалу в процесі його пластичного деформування.

У свою чергу, робота пластичної деформації, яка призводить до виникнення дислокації, записується:

dW„„ = гїб А,,

■ п dD .

де dD = ^— - швидкість накопичення дислокацій в си-

Поділивши обидві частини цього рівняння на отримаємо вираз для дисипативної функції пластичного деформування матеріалу:

Рис. 3. Схема розташування частинок ТІС у поверхневому шарі КЕП

Сили тертя обумовлюють пластичну деформацію, відсутність якої в зоні контакту приводить в ній до накопичення пружних деформацій і супроводжується розсіюванням частини енергії, затраченої роботою сил тертя. Оскільки ці процеси є термодинамічно неврів-новаженими, то їх можна описати з допомогою дисипативної функції [10]:

Т^ = у = £+ ї А ,

* 4 * с с’ де Т - температура системи в 0К;

dWпл dD т . Фдис" dt " dt а а а,

т dD .

де І, = —- швидкість накопичення дислокацій, віднесеної до одиниці поверхні контакту і залежить від енергії пластичної деформації в зоні контакту.

Представляючи процес руйнування в зоні тертя як відколювання частинок на границях їх об’єму за рахунок накопичення по них дислокацій, запишемо:

Ео^і = от^т + o0dS0 - оа^а,

де о0

питома поверхнева енергія в зоні контакту;

dSo - питома площа поверхні контакту (зона пластичної деформації); от - питома поверхнева енергія в процесі зміни площі контакту dSm ; о, і dSd - питома поверхнева енергія і зміна площі поверхні дислокаційних границь.

Отже, дисипативна енергія пластичнодеформова-них поверхонь контакту тертя з врахуванням швид-

Е

кості зміни їх площі (швидкість тертя) приводить до виразу дисипативної функції:

V. = £ (-ДО0 ) + ^ (-ДОт ),

де ДО0 =О0 -^ ДОт =0т “.

2

2

„ dSo dSm . .

Вирази —0 та —т є показниками швидкості зміни дисипативної енергії пластичної деформації на площах контакту в процесі тертя і залежить від багатьох факторів і в першу чергу від навантаження та швидкості процесу тертя. Це знаходить підтвердження в роботах багатьох дослідників [10], які показали, що енергія тертя трансформується в енергію дислокацій і це призводить до крихкості поверхневих шарів і сколювання окремих фаз у зоні тертя.

Вводячи у вираз дисипативної функції коефіцієнти, які характеризують фактори умов тертя (навантаження, швидкість руху, циклічність, температуру і т.п.), а також структурну будову речовини, можна ексклюзивно оцінити характер і ступінь зношування матеріалу при терті.

Виходячи з отриманих результатів, знаходяться пояснення екстремальних результатів залежності зносостійкості від розмірів частинок наповнювача в КЕП, тобто, чим більший розмір частинок наповнювача, тим швидше дисипативна енергія по границі зерна перетвориться в пружну енергію, яка веде до окрихчування - втрати сил зв’язку з матрицею і, як результат, його викришування. В подальшому ці карбіди забезпечують абразивне зношування. Підвищення зносостійкості за наявності включень карбідів з величиною зерна до певних розмірів пов’язано, очевидно, із закономірностями пропрацьовування пари тертя та незруйновани-ми силами зв’язку зерна з матрицею із-за недостатньої кількості накопиченої пружної енергії, яка забезпечує крихке відшарування карбідного зерна.

Відомо, що внутрішня енергія системи залежить як від взаємодії атомів в кристалічній гратці, так і від дії зовнішніх сил. У роботі [1] показано, що зростання з часом внутрішньої енергії кристалу при дії зовнішніх механічних навантажень у парах тертя здійснюється за законом, близьким до лінійного. З досягненням деякого критичного значення внутрішньої енергії матеріалу (енергія активації), відбувається руйнування матеріалу. Отже, руйнування є наслідком нестійкості деякого об’єму матеріалу при досягненні критичного значення густини його внутрішньої енергії.

Розглядаючи фізично нескінченно малий об’єм твердого тіла як відкриту термодинамічну систему, що знаходиться, за усталених зовнішніх умов, у стані локальної термодинамічної рівноваги, умову руйнування матеріалу можна подати у вигляді:

Ди = и0 ,

де Ди та и0, відповідно, - зміна молярної внутрішньої енергії системи та її молярна енергія активації руйнування. Остання з цих величин є фундаментальною енергетичною характеристикою міцності матеріалу. Перша

- накопичується у процесі тертя. При досягненні нею значення, рівного и0, відбувається руйнування матеріалу [10].

Зміна внутрішньої енергії системи описується фундаментальним рівнянням Гіббса:

Ди = TДS - PДV + Дwi,

і

де Т - абсолютна температура; Р - тиск; V - об’єм; S - ентропія; Ці - хімічний потенціал і-го компонента, молярна частка якого у системі дорівнює wi. У загальному випадку внутрішня енергія системи змінюється внаслідок комплексного впливу різноманітних термодинамічних процесів: теплових, механічних, хімічних, дифузійних, електромагнітних та ін. З урахуванням цих факторів умову руйнування матеріалу в приповерхневому шарі пари тертя можна записати [10] у вигляді:

ТЯІп

+ Хіо-'

Ас

2Е

- + сй

+ Аин +^ ^ и0 . (1)

Перший доданок у (1) визначає приріст внутрішньої енергії одного моля речовини приповерхневого шару за рахунок збільшення ентропії, другий - внаслідок зростання енергії пружних і пластичних деформацій кристалічної ґратки (відповідно, перший та другий доданки виразу в дужках), третій - у результаті технологічної обробки поверхні; четвертий - через фізико-хімічні взаємодії з навколишнім середовищем. Тут Я - універсальна газова стала, ^ - молярний об’єм, о - напруження, Е - модуль пружності, є - середня швидкість непружних деформацій, 1 - час перебування системи у навантаженому стані, а т0 - період теплових коливань атомів.

Виконане у роботі [10] дослідження впливу ролі кожного доданку в лівій частині нерівності (1) показало, що основний внесок у процес руйнування матеріалу дає деформаційна частина, значення якої з часом монотонно зростає майже за лінійним законом.

Енергія пружних деформацій є функцією миттєвого значення напруження, а тому вона не накопичується з часом у матеріалі. Для її оцінки за наявності динамічних впливів типу періодичних навантажень у якості ефективного значення До приймається максимальне значення напруження отах.

У процесах зносу тертя акт руйнування локалізується в малому об’ємі матеріалу, який при досягненні критичних напружень відлущується і переноситься на поверхню контратіла у вигляді частинок переносу. Акумуляція їх на поверхні контратіла внаслідок адге-зійного переносу призводить до утворення частинок зносу, які в подальшому відіграють роль абразиву, що переводить механізм тертя ковзання в слабоабразивне зношування, підвищуючи його інтенсивність. Критичні напруження визначаються умовами руйнування. Отже, утворення частинок переносу відбувається за умови виконання нерівності, подібної до (1), в об’ємі відлущуваного фрагменту.

Для оцінки розмірів частинки переносу припускають, що вона обмежена півсферою радіусу d/2, де d -діаметр плями контакту. Тож об’єм її будемо вважати рівним гоі3/12. Якщо V - кількість молів речовини в цьому об’ємі, то умовою утворення частинки переносу є виконання нерівності:

0

т

з

Е<Ы - Es ,

nd3

де Е, f = ^l0-6

def l2

Aom

2Е

^ + omax et

енергія деформації;

( t \

Es = v u0 - TRln - AuH-Ag - енергія активації

vT0 у )

руйнування (викришування фрагменту даного об’єму). Величина останньої визначається когезійними властивостями матеріалу (перший доданок) і зміною його внутрішньої енергії за рахунок збільшення ентропії, технологічної обробки поверхні та її фізико-хімічні взаємодії з навколишнім середовищем.

Оскільки викришування частинок пов’язане з утворенням нових поверхонь, то природно припустити, що енергія активації руйнування пропорційна до величини площі поверхні частинки переносу S=гоі2/2. Коефіцієнт пропорційності визначається когезійними властивостями матеріалу в приповерхневій зоні:

Е. = 27^,

де у - питома енергія когезії. Поклавши отах = Еєтах, де єтах - максимальна деформація, приходимо до висновку, що енергія деформації:

+ et Е

Еа f = ^^^lO-6, def l2 ^ 2

пропорційна величині модуля пружності Е. Тоді:

На рис. 4 показана залежність розміру частинок переміщення від механічних властивостей матеріалу. Тобто розмір частинки викришування залежить від модуля пружності речовини, а попадання її в зону тертя - від питомої енергії когезії.

г “

го

о. о; 1

//

1 /

tfl £ A t4 I >c

1 2 Розмір частинок зносу

Рис. 4. Зміна розміру частинки переміщення (d) при зміні механічних властивостей матеріалу (Е — модуль пружності, у - питома енергія когезії)

3. Висновки

З аналізу випливає, що умова руйнування матеріалу в процесі тертя досягається швидше для частинок переносу більших розмірів. До того ж, розмір частинок переносу менший у матеріалу з більшою твердістю (великі значенням Е), але більший у матеріалу з більшою міцністю (великі значення у).

Література

1. Ибатуллин, И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев [Текст] / И.Д. Ибатуллин. - Самара: Самарский гос. тех. ун-т, 2008. - 387 с.

2. Кіндрачук, М.В. Вплив дисперсності твердої фази в електролітичному покритті на його зносостійкість при терті ковзання [Текст] / М.В. Кіндрачук, A^. Корнієнко, В.Я. Лобурак, A„n. Головін // Проблеми трибології. - 20l3. - № l. - С. 30-36.

3. Кіндрачук, М.В. Формування зносостійких композиційних електролітичних покриттів, зміцнених наночастинками карбіду кремнію / М.В. Кіндрачук, М.В. Лучка, A.О.Корнієнко, Я.П. Замора [Текст] // Металознавство та обробка металів. - 2005.

- № 2. - С. 3-8.

4. Кіндрачук, М.В. Структуроутворювання та формування триботехнічних властивостей евтектичних покриттів [Текст] /

М.В. Кіндрачук, ЮА. Куницький, О.І. Дудка. - К.: Вища школа, l997. - l20 с.

5. Кіндрачук, М.В. Експериментально - аналітичні дослідження триботехнічних характеристик покриттів матричнонаповнено-го типу [Текст] / М.В. Кіндрачук, М.В. Лучка, A.О.Корнієнко // Проблеми трибології. - 2005. - № 2. - С.74-80.

6. Эволюция структуры и свойств эвтектических покрытий при трении [Текст] / М.В. Киндрачук, Ю.Я. Душек, М.В. Лучка, AM. Гладченко // Порошковая металлургия. - l995. - № 5- 6. - С. l04-ll0.

7. Кіндрачук, М.В. Трибологія покриттів матрично-наповненого типу [Текст] / М.В. Кіндрачук, М.В. Лучка, І.М. Джамаль, A^. Корнієнко // Проблеми тертя та зношування. - 2006. - Вип. 45. - С. l27-l40.

8. Кіндрачук, М.В. Трибологічні характеристики гетерогенних карбідовмісних покриттів [Текст] / М.В. Кіндрачук, ЕА. Кульгавий, Д.І. Перро, В.О. Подлєсний // Наукоємні технології. - 2009. - № 4. - С.32-35.

9. Лучка, М.В. Износостойкие композиционные диффузионно-легированные электролитические покрытия [Текст] / М.В. Лучка, М.В Киндрачук, Р.Ю. Микитюк. - К.: Техника, l993. - l43 с.

10. Gassner, Е. On the influence of fretting corrosion on the fatigue life of notched speciment of an Al - Cu - Mg 2 Alloy [Текст] /

Е. Gassner // Fatigue Aircraft Stract. Oxford - L - N - Y - Paris, Pergamon Press, l963. - р. 87-95.

£