ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности диффузионных процессов при трении из "Структура и износостойкость металла " Важной особенностью, характеризующей кинетику структурных изменений и диффузионных процессов при трении, является высокая скорость нагрева и охлаждения поверхностей при переходе механической энергии в тепловую, значительно превышающая скорости нагрева и охлаждения при обычных условиях термической обработки. Тепловые и силовые поля характеризуются нестационарностью и большими градиентами температур и давлений. Вследствие изменений химического потенциала металлов при многократном тепловом и силовом воздействии возникают значительные диффузионные потоки атомов по глубине поверхностных слоев толщиной от моноатомных до нескольких десятков микрометров. [c.140] Превращения при трении могут осуществляться микродиф-фузионным путем. Промежуток времени, необходимый для микро-диффузионного превращения, можно оценить как = LVD, где 1 — время диффузии Ь — протяженность пути диффузии В — коэффициент диффузии. [c.140] Таким образом, основным отличием поверхностных слоев при трении и износе является локальность структурных изменений и диффузионного перераспределения компонентов в пределах отдельных микроскопических объемов. Локальные структурные и фазовые превращения в отдельных микрообъемах поверхностного слоя связаны с неоднородностью свойств рабочей поверхности в пределах зоны контакта, что, в свою очередь, определяется различием характера воздействий на материал при контактировании. [c.141] Поведение материала при трении, как и в условиях объемного деформирования, определяется основными четырьмя термодинамическими параметрами температурой в контакте Т, давлением р, продолжительностью контакта т, концентрацией с избыточной фазы. Изучение закономерностей изменения этих параметров позволяет управлять процессами на контакте и с учетом взаимодействия исходной и образующейся структур создавать оптимальную структуру материала контактной зоны, обеспечивающую требуемую износостойкость твердых тел. [c.141] Износостойкость как механическая характеристика металла структурно-чувствительна, т. е. зависит от фазового и химического составов, параметров субмикроструктуры и их изменений, которые происходят в сложной совокупности явлений, сопровождающих трение и изнашивание. К настоящему времени накоплен некоторый экспериментальный материал в этой области науки о трении, на основных положениях которого мы кратко остановимся. [c.141] В работе [35] исследована диффузия Сг, 51, N1, V, Мп, Си в поверхностных слоях чугунов при трении. Оценка коэффициентов диффузии и сопоставление их с соответствующими величинами при высоких температурах показали, что рассчитанные на основании данных микроанализа о концентрации легирующих элементов коэффициенты при трении близки к их значениям при термически активируемой диффузии, когда температура близка к температуре плавления исследуемых сплавов. [c.141] В работе [52] рассмотрено структурное состояние в процессе трения сложных легированных сталей, предназначенных для изготовления тяжелонагруженных шестерен. С увеличением времени работы на трение (рис. 53) в результате деформационных и диффузионных процессов микротвердость каждой структурной составляющей сначала растет, а потом резко падает, т. е. происходит разупрочнение поверхностей трения. Наиболее характерно изменение новой структуры — аустенита трения с момента образования эта структура упрочняется вплоть до максимального значения, затем начинается резкое уменьшение микротвердости. Именно этот этап совпадает со временем, когда формируется один из максимумов скорости износа. На основании этого утверждают, что износ образца зависит в первую очередь от тех микрообъемов рабочей поверхности, в которых образуется аустенит трения, т. е. износ является результатом предельного упрочнения структуры аустенита трения, сформировавшегося в результате интенсивных диффузионно-деформационных процессов. [c.142] Согласно данным [52] в тяжелонагруженных парах трения, имеющих многофазную исходную структуру, образуются новые вторичные структуры — аустенит и мартенсит трения (аустенито-мартенситокарбидная структура со значительным преобладанием аустенита). Показано, что для тяжелонагруженных деталей пар трения оптимальна структура мартенсита и пластичного аустенита . [c.142] Особую роль вторичного аустенита на поверхности трения подтверждают данные исследования стали методом непрерывной фиксации состояния металла при трении рентгеноструктурным анализом [52]. Изменения ширины интерференционных линий а-и 7-фазы, количества аустенита в процессе трения (рис. 54) показывают, что внезапное образование задира сопровождается увеличением ширины линий у-фазы и резким уменьшением количества 7-фазы на участке задира. [c.142] На основании данных рентгенографического исследования показано, что в слоях толщиной 3—4 мкм материал полностью аустенизируется (80—90 % у-фазы). После выхода из контакта происходит 7 а-превращение, следовательно, в исследуемых микрообъемах реализуются квазиобратимые процессы 7 а. Можно, очевидно, предположить, что материал в зоне контакта находится в квазиравновесном состоянии, что обусловливает его хорошую износостойкость. [c.143] Для объяснения высокой износостойкости исследованных пар трения авторы работы [52] используют представления о сверхпластичности материала и его высоком сопротивлении пластической деформации при а 7-превращениях. [c.143] В табл. 6 показано изменение концентрации твердых растворов меди с 2п, А1, N1 и Ое в результате шлифования. [c.144] Наибольшее относительное увеличение концентрации 2п в поверхностных слоях наблюдается (см. табл. 6) для сплава с наименьшим исходным содержанием 2п. Для тройного сплава Си— N —06 отмечено увеличение концентрации N1 в 1,9 раза больше, чем Ое, хотя в исходном состоянии концентрация Ое выше. [c.144] Возрастание концентрации легирующих элементов к поверхности объясняют в [121, 122] как результат упругого взаимо- действия атомов растворенного вещества с дислокациями, генерируемыми в процессе трения. В локальных участках, а затем и в,некоторых областях рабочей поверхности могут развиваться весьма значительные температуры, поэтому в ряде случаев на участках микроконтакта в результате диффузионных процессов образуется новая фаза, существенно меняющая процесс трения и изнашивания. В работе [52] отмечено появление упорядоченной фазы РедА1С на поверхности чугунного образца в результате трения в масле пары магниевый высокопрочный чугун — алюминиевый сплав. [c.145] В работах [123, 124] показано, что сильное пластическое деформирование и высокие температуры в зоне контакта вызывают диффузию к поверхности элементов сплаба или атомов примесей, которые в результате взаимодействия образуют новые структурные составляющие. В [124], например, выявлено диффузионное перераспределение 5п в сплаве Си—5п с образованием интерметаллического соединения типа е — СидЗп, которое приводило к разрушению поверхностных слоев подшипников. Авторы работы 123] наблюдали перераспределение атомов углерода в зоне контакта с кристаллизацией его в решетку графита, что привело к улучшению антифрикционных свойств пары и способствовало уменьшению коэффициента трения и износа. [c.145] Интересно влияние диффузионного перераспределения Сг в чугуне на его износостойкость [55]. Показано, что процесс деформирования трением сопровождается уменьшением концентрации хрома в поверхностных слоях, которое приводит к увеличению износа. Уменьшение содержания хрома от 9,3 до 7% вызывает увеличение износа в 5 раз. [c.145] Исследовали особенности диффузионного перераспределения легирующих элементов в зоне деформации при шлифовании. При этом шлифование рассматривали как сопутствующую промежуточную операцию по обработке поверхности и как финишный процесс. На рис. 56 показано изменение периода а кристаллической решетки меди и ее сплавов с цинком (а-твердый раствор) после отжига при 300 °С предварительно шлифованных образцов, а также стали 45 после шлифования и вакуумного отжига при температуре 850 °С. Видно, что медь М1 и сплав Л90 (Си + 10 % Zn) по всей глубине деформированной зоны имеют постоянное значение периода решетки в пределах точности определения 0,361 нм для меди и 0,363 нм для сплава Л90. Отжиг при 300 °С приводит к перераспределейию цинка в поверхностных слоях латуни Л80. На глубине 1 мкм a so — 0,365 нм, что близко к теоретическому значению, а на расстоянии 0,3 мкм от поверхности а = 0,363 нм. [c.146] Влияние шлифования ярко проявляется на примере стали 45. В тонких поверхностных слоях выявлено резкое уменьшение периода кристаллической решетки, которое не восстанавливает даже отжиг при температуре 850 °С в течение нескольких часов. Только после удаления подвергнутого механическому воздействию поверхностного слоя можно получить табличное значение а. [c.147] Вернуться к основной статье