ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кинетика разрушения металлов и сплавов при многократном циклическом воздействии Особенности структуры и свойств поверхностных слоев из "О природе разрушения поверхности металлов при трении " Зарождение и развитие различных форм локальной неоднородности кристаллических материалов, приводящей в итоге к их разрушению, тесно связано с особенностями поведения поверхностных слоев в процессе пластического деформирования. Авторы обзора [54] многочисленных экспериментальных и теоретических работ в этой области отмечают, что начало процесса пластического течения чаще всего связывается с поверхностью, ее специфическим влиянием на общий процесс макропластической деформации. Влияние это сложно и многообразно и до конца еще не изучено, так как исследование почти всех новерхностнглх эффектов носит качественный характер из-за отсутствия методов, позволяющих получить раздельную информацию но энергетическим характеристикам пластического течения в поверхностных и внутренних слоях материалов. Окончательно не решен вопрос и о природе аномального поведения поверхностных слоев, хотя большинство исследователей связывают особенности пластического течения в приповерхностных слоях с повышенной концентрацией гомогенных и гетерогенных источников и особенностями генерирования ими дислокаций [54]. [c.22] Существование на поверхности материала особого слоя обнаружено в работах [58, 59] при изучении эпюры остаточных напряжений в образцах из углеродистой стали, деформированных растяжением за предел текучести. Сжимающие остаточные напряжения, распространяющиеся на глубину до 0,1 мм, свидетельствуют о более интенсивном протекании процесса пластической деформации в поверхностных слоях. Авторы предполагают, что поверхностный слой является ослабленным из-за отсутствия атомов кристаллической решетки со стороны свободной поверхности. [c.23] Непосредственное измерение величины линейной деформации зерен поверхностных и внутренних слоев образца из поликристал-лического армко-железа [60] показало, что при деформировании на площадке текучести величина линейной деформации поверхностного слоя составляла 2,52%, в то время как объемные слои продеформированы всего на 0,8%,что свидетельствует о пониженном напряжении течения поверхностных слоев. Различие в напряжениях течения поверхностных и внутренних слоев материалов оказывает существенное влияние на распределение действующих и остаточных напряжений в ГЦК металлах [61]. Сплавы, претерпевающие в процессе трения фазовые превращения [62], а также сплавы, содержащие мягкую структурную составляющую [63], также имеют свойства поверхностных слоев, отличные от глубинных. Соответственно и упрочнение при пластической деформации, отображаемое зависимостью прочности от плотности дислокаций, Б поверхностных слоях (кривая 2) и на глубине (кривая 1) будет протекать различно (рис. 3) [64]. [c.23] Интересно отметить, что сползание поверхностного слоя наблюдается только па полированных и отожженных образцах. На шлифованных отожженных (рис. 4, б) или неотожженных и на закаленных образцах не фиксируется различия в поведении поверхностного слоя и объема металла при растяжении. По мнению автора [66], это объясняется тем, что микрорельеф создает неравномерное поле напряжений в поверхностном слое и этим препятствует его сползанию . Рассмотренные экспериментальные данные показывают, что поверхностный слой, приобретающий в процессе механической обработки определенные механические свойства и структуру, в процессе отжига в вакууме при температуре выше температуры рекристаллизации теряет эти свойства и приобретает новые, которые хорошо выявляются на диаграмме остаточная деформация решетки — напряжение растяжения . Эти новые свойства в меньшей степени проявляются после отжига при 600 °С в течение одного часа вследствие недостаточных для их формирования температуры и времени ее воздействия. [c.24] Таким образом, поведение поверхностного слоя в упругой области определяется механической и термической обработкой. При определенном сочетании этих условий механические свойства поверхностного слоя ниже, чем механические свойства материала, в объеме. [c.24] Более низкие механические характеристики поверхностных слоев проявляются и в меньших по сравнению с объемом значениях микротвердости. В работе [67] исследовалось влияние подготовки поверхности образца и времени между подготовкой поверхности и измерением на микротвердость металлов. Несмотря на то что оба эти фактора оказывают существенное влияние на величину Яц, характер зависимости микротвердости от нагрузки для различных металлов (армко-железо, алюминий, медь) одинаков при нагрузках на индентор 2—5 гс значение всегда меньше, чем при больших нагрузках (рис. 5). [c.25] По мнению автора [66], подвижность кристаллитов поверхностного слоя подтверждается повышенным разбросом значений микротвердости в области малых нагрузок. Если для нагрузок 1—3 гс разброс равен 100%, то для 100—200 гс — менее 10%, а для 3000 гс — менее 3%. [c.25] В процессе нагружения при соприкосновении индентора с кристаллитом происходит его укладка в ложе . При малых нагрузках в зависимости от места соприкосновения индентора с кристаллитом получается отпечаток той или иной величины, что м обусловливает разброс данных. [c.25] Представленные результаты дают основание предполагать, что в приповерхностных слоях реализуются аномально облегченные энергетические условия пластического течения. С другой стороны, известны данные, свидетельствующие о барьерной роли поверхности и приповерхностных слоев в общем процессе макропласти-ческой деформации [69]. Поэтому о большей или меньшей прочности приповерхностного слоя по сравнению с объемом следует говорить исходя из конкретных условий деформации, тина среды, предыстории исследуемого материала. Особенно важно четко различать, на какой стадии микро- или макропластического течения речь идет об аномальном поведении поверхности. Диаграмма напряжение — деформация решетки свидетельствует о том, что после определенной степени деформации свойства поверхностного слоя становятся близкими к объемным. По мнению авторов [54, 69], в общем случае процесс микропластической деформации в приповерхностных слоях кристаллов можно разделить на две основные стадии. [c.26] На первой стадии аномальное поведение выражается в облегченном образовании и движении дислокаций в приповерхностных слоях по сравнению с объемом материала, т. е. в облегченной пластической деформации. [c.26] Вторая стадия — следствие первой стадии аномального пластического течения, результат того, что все процессы деформационного упрочнения на кривой напряжение — деформация у поверхности как бы сдвинуты по фазе . Они опережают по времени аналогичные стадии объемной деформации и у поверхности протекают быстрее. [c.26] В результате вблизи поверхности образуется слой с повышенной плотностью дислокаций, который тормозит развитие объемной деформации. [c.26] Таким образом, характер и кинетика проявления структурных и энергетических особенностей пластической деформации кристаллических материалов вблизи поверхности могут существенно изменяться на различных стадиях деформационного упрочнения, постепенно переходя от более облегченных параметров пластического течения к более затрудненным, к барьерному эффекту поверхности. [c.26] Особенности пластической деформации поверхностных слоев по сравнению с объемом материала могут оказать существенное влияние па процессы трения и износа. Согласно [60, 71, 73], толщина слоя с ослабленными механическими характеристиками ориентировочно равна размеру зерна. Во многих случаях эта величина соизмерима с зоной пластической деформации и разрушения при трении. В то же время при расчетах числа циклов до разрушения и интенсивности износа используются константы механических характеристик, свойственные материалу в объеме. По-видимому, это одна из причин того, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями интенсивности износа составляет не менее 50%, а в некоторых случаях они различаются на порядок. Количественное изучение структурных и энергетических закономерностей пластической деформации поверхностных слоев непосредственно в процессе трения необходимо для уточнения расчета сопряженных деталей на долговечность и поиска структурных критериев разрушения. [c.27] В работе [76] впервые был выявлен принципиально новый, периодический характер структурных изменений при трении (рис. 8). Периодическое изменение микронапряжений в поверхностном слое стали 45 при постоянной величине блоков свидетельствует о периодическом упрочнении и разрушении поверхностного слоя. [c.29] Следы разрушения в виде микротрещин отчетливо наблюдаются металлографически. Такой характер зависимости рассматривается авторами как физическое подтверждение усталостной природы износа. [c.29] Периодический характер изменения макронапряжений и своеобразное поведение износа в зависимости от нагрузки также позволяют сделать вывод об усталостной природе разрушения поверхностей трения [77]. [c.29] Закаленная сталь изнашивалась в условиях трения со смазкой при упругом контакте по схеме кольцевой цилиндр — плоскость. Зависимость макронапряжений от пути трения приведена на рис. 9. Величина макронапряжений колеблется вокруг определенного уровня, который определяется, как и твердость, внешними условиями, в частности нагрузкой. При меньших нагрузках остаточные напряжения и твердость меньше. Спад макронапряжений авторы объясняют разрушением материала. Зависимость объемного износа от пути трения (рис. 10) имеет две точки перегиба. Участок ОА — интенсивный износ в результате соударения высоких неровностей с контртелом и их отделения АВ — период приработки, во время которого происходит упрочнение и увеличение фактической плош ади контакта. Усталостный износ начинается в точке В. Влияние нагрузки на путь трения до начала усталостного износа представлено на рис. И. Если перейти от большей нагрузки к меньшей, то до наступления усталостного износа требуется инкубационный период. При переходе от меньшей нагрузки к большей этого периода нет. Поскольку такое поведение износа аналогично характеру распространения усталостной трещины при изменении напряжения, авторы считают, что износ происходит в результате усталостного разрушения поверхностного слоя. [c.29] С периодическим разрушением поверхностного слоя и выходом на поверхность недеформированного материала связывается периодическое изменение величины блоков при испытании на износ металлов с железным покрытием (рис. 12) [78]. [c.29] Вернуться к основной статье