ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Разрушение поверхностей при трении из "Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев " Цель разработки материалов триботехнического назначения заключается в обеспечении максимальной долговечности изделий при заданных условиях эксплуатации и требуемой передаваемой мощности. Необходимо учитывать также себестоимость изделий, технологичность изготовления и т. д. Широкий диапазон условий работы материалов триботехнического назначения— скорость движения, передаваемое давление, состав и температура окружающей среды, возможность применения смазочных материалов, воздействие радиации и т.д. — не позволяет сформулировать совокупность универсальных требований к структуре и свойствам поверхностей материалов триботехнического назначения. [c.4] На протяжении почти всей истории развития науки о трении твердых тел основной тенденцией являлось увеличение твердости материа.тюв триботехнического назначения или их поверхностных слоев. Эта тенденция соответствовала законам трения и эмпирическим закономерностям [83 ]. Увеличение твердости контактирующих поверхностей приводит к уменьшению площади фактического контакта трущихся материалов и снижению макроскопических [шпряжений сопротивления относительному перемещению. Вместе с тем напряжения и энергия, рассеиваемая на отдельных микронеровностях, могут возрастать. Для материалов, близких по типу структурного упорядочения и характеру межатолмных взаи.модействий, возрастание твердости является косвенным, но надежным признаком уменьшения химической и адгезионной активности. Усиление связей между атомами твердого тела затрудняет подстройку его кристаллической решетки, необходимую для установления когерентной границы и образования новых межатомных связей при адгезионном взаимодействии. [c.4] В условиях высокой плотности дислокаций и формирования ячеистой структуры приобретают значение новые механизмы развития деформаций поворотные моды [103], термически активируемые процессы [57 ], переползание дислокаций. Определяющим становится взаимодействие не отдельных дислокаций, а дислокационных ансамблей. Недислокационные процессы деформации и разрушения доминируют также при низких гомологических температурах. Естественно, пластичность материалов в таких условиях мала. К примеру, в карбиде и нитриде титана заметную подвижность дислокации приобретают при температурах около 1000° С и важным параметром, определяющим прочностные свойства материалов, оказывается прочность границ зерен и их насыщенность дефектами строения. Большое влияние на подвижность дислокаций оказывает наличие примесей, стехиометрия соединений, число электронов в связных и антисвязных состояниях. [c.6] С наличием высокой плотности дефектов строения неизбежно связана высокая плотность внутренней энергии системы. Незначительные возмущающие воздействия могут привести к переходу системы в новое энергетическое и структурное состояние. Примерами служат мартенситные превращения и рекристаллизация при трении, самопроизвольное диспергирование в поверхностно-активных средах. [c.6] К сожалению, микроструктура материала в предложенной теории полностью игнорировалась. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что в ряде случаев размер частиц изнашивания и переноса не превышает единиц и десятков нанометров [199]. Поскольку относительное количество поверхностных атомов при уменьшении размера возрастает, появление частиц такого размера можно объяснить лишь с помощью представлений о теоретической прочности. Оценки показывают, что для материалов, имеющих теоретический предел прочности, минимальный размер частиц изнашивания составляет примерно 6 нм, что согласуется с экспериментальными данными. Дальнейшее развитие этого подхода обсуждается в следующей главе. [c.7] Пластическая деформация реальных тел сопровождается образованием и развитием субмикро-, микро- и макротрещин. Исходная структура реальных материалов также далека от совершенства. Причин образования дефектов, в том числе и трещин, много, и здесь нет необходимости подробно освещать этот вопрос. Процесс образования зародышей разрушения связывают прежде всего с движением дислокаций и взаимодействием полей напряжений подвижных и неподвижных дислокаций. Зародыш разрушения возникает при скоплении вакансий, а также дислокаций в микрообъеме, в котором накопленная упругая энергия достигает предельной величины, равной скрытой теплоте плавления. Образование микротрещины и трещины осуществляется при локализации пластического течения на линиях скольжения, формирование которых связано с переориентацией элементов структуры по направлениям вынужденного сдвига вдоль действия главного сдвигающего напряжения объединению микротрещин и их раскрытию способствует пересечение линий Ъсольжения. [c.8] Авторами работ [83, 92] предложена и развивается теория усталостного изнашивания, в рамках которой проводится аналогия между процессами разрушения поверхностей при трении и усталостью материалов. Разрушение при абразивном изна-пшвании может рассматриваться как предельный случай, когда число циклов нагружений до разрушения равно единице. Особенности микроструктуры материалов в условиях абразивного изнашивания менее существенны, что позволило М. М. Хрущову сформулировать известное соотношение о пропорциональности износостойкости и твердости. Однако более поздние исследования [182] показали, что даже в условиях абразивного изнашивания важно, каким образом достигнут заданный уровень твердости материала (рис. 1.3). Лишь в случаях чистых отожженных металлов и хрупких материалов типа керамик реализуется пропорциональность между твердостью и износостойкостью. [c.8] В литературе рассматриваются различные механизмы действия высокопрочных покрытий повышение несущей способности поверхности, изменение ее адгезионных и адсорбционных свойств, локализация деформаций в тонком слое, переход от преимущественно пластической к упругой деформации, микронеровности поверхности, появление потенциального барьера для перемещения дислокаций и вакансий. Преобладание того или иного механизма определяется условиями трения, толщиной модифицированного слоя, соотношением прочностных свойств покрытия, основы и контртела. [c.10] Все возрастающее применение в триботехнике находят покрытия нитридов, карбидов, боридов, окислов и т. д., обладающих высокой прочностью межатомных связей и меньшим адгезионным сродством, чем большинство металлов. [c.10] Работоспособность материалов в условиях контактного взаимодействия во многом определяется возможностью самоорганизации структуры поверхностных слоев применительно к действующей схеме напряженно-деформированного состояния [20, 120]. В качестве примера можно сослаться на понятия эксплуатационная шероховатость [55], третье тело [83], формирование которого подробно обсуждается в гл. 2. [c.10] Возрастающее внимание к процессам самоорганизации структуры при фрикционном взаимодействии обусловлено с одной стороны необходимостью изыскания внутренних ресурсов повышения износостойкости в условиях ужесточающихся требований к триботехническим материалам, а с другой — высоким уровнем свободной энергии, связанной с поверхностными слоями при фрикционном взаимодействии и облегчающей необходимую подстройку структуры. [c.10] К наиболее впечатляющим результатам самоорганизации структуры при трении относятся образование упомянутого ворса адсорбированных молекул смазочного материала, эффект аномально низкого трения, эффект избирательного переноса и др. [c.10] Распространенным примером является развитие текстуры, особенно характерное для тяжело нагруженных пар трения и процессов пластического формоизменения вытяжки, прессования, прокатки, обжатия, редуцирования. Материал приспосабливается к заданной схеме деформации [12]. К факторам, способствующим текстурированию, относятся анизотропия кристаллического строения и ограниченное число плоскостей скольжения, например, в металлах с гексагональной решеткой— титане, цирконии, кобальте. [c.10] Генерация при трении остаточных напряжений также изменяет несущую способность поверхности. Растягивающие напряжения уменьшают сопротив-тение поверхности вдавливанию и таким образом уменьшают ее несущую способность. Сжимающие напряжения вызывают обратный эффект. [c.11] Одним из наиболее универсальных физических явлений, играющих заметную роль в самоорганизации структуры при трении, является диффузия. Следующие факторы усиливают значения диффузионных процессов при трении 1) поверхностная диффузия характеризуется значительно меньшей энергией активации, чем объемная 2) высокие температуры вспышек на пятнах фактического контакта обеспечивают большие скорости диффузионных процессов 3) в современной триботехнике широко применяются метастабильные структуры, реализуемые, например, при обработке поверхности пучками высокоэнергетических ионов и имеющие высокую концентрацию дефектов строения и диффузионную подвижность атомов и вакансий. Важным результатом диффузии в приповерхностных слоях является поверхностная сегрегация. Разница концентраций может достигать нескольких порядков величины [12]. Очевидна возможность радикального изменения адгезионных и деформационных характеристик контактирующих поверхностей вследствие сегрегации. [c.11] При деформации микрообъемов, в том числе тонких пленок, ряд хрупких соединений проявляет заметную пластичность. Пленки нитрида титана выдерживают без разрушения растягивающую деформацию растяжения, на порядок превышающую соответствующие значения для массивного материала. В условиях высокого гидростатического давления, реализуемого на пятнах фактического контакта, высокопрочные соединения также могут проявлять заметную пластичность [93]. [c.12] Вернуться к основной статье