ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Периодический характер структурных изменений — физическое подтверждение усталостной природы износа из "О природе разрушения поверхности металлов при трении " До недавнего времени характер структурных изменений металлов и сплавов в условиях трения скольжения характеризовался только кривыми с насыщением . Эти кривые свидетельствуют об упрочнении материала до уровня, определяемого его исходным состоянием и условиями трения, и не несут информации о том, что одновременно с упрочнением происходит разрушение тонкого поверхностного слоя. Такое несоответствие обусловлено тем, что в процессе трения толщина структурно измененной зоны составляет десятки, а то и сотни микрон, в то время как толщина слоя, претерпевающего разрушение, в зависимости от условий — микроны и доли микрона. Методы оценки структурного состояния поверхностей трения, которые обычно используются (рентгеноструктурный анализ, измерение микротвердости и т. д.), не позволяют выявить вклад зоны разрушения в общую картину изменения поверхности в процессе трения. [c.48] При количественной оценке периодичности структурных изменений I большое значение приобретает выбор интервала исследования. Только при больших контактных давлениях, близких к пределу текучести материала, прослеживая за изменением состояния поверхностного слоя от цикла к циклу, представляется возможным определить период, за время которого материал проходит всю стадию от упрочнения до разрушения ную зависимость от условий трения. [c.49] Кривая зависимости ширины линий от нагрузки складывается из двух составляющих необратимой (пунктирная линия) и обратимой (см. рис. 24). Необратимая составляющая ширины увеличивается с возрастанием нагрузки, характеризуя увеличение степени упрочнения материала поверхности. Амплитуда обратимой составляющей также возрастает с ростом нагрузки. [c.50] Уменьшение ширины дифракционных линий в процессе циклического воздействия может быть обусловлено следующими причинами 1) обратимостью структурных изменений 2) повышением температуры на контакте, приводящем или к частичному снятию микронапряжений, или к фазовым и структурным превращениям 3) микроразрушением поверхностного слоя. [c.50] Обратимую часть уширения дифракционных линий при трении нельзя связывать с обратимостью структурных изменений, так как фиксируется результат действия полного цикла растяжение — сжатие, т. е. только необратимая часть структурных изменений. [c.51] Возможность фазовых и структурных превращений или частичного снятия микронапряжений вследствие повышения температуры на контакте исключена при постановке эксперимента выбором соответствующих условий трения, в частности низкой скоростью скольжения. [c.51] Таким образом, наличие обратимой составляющей ширины дифракционных линий может быть обусловлено только микроразрушением поверхностного слоя, образованием микротрещин. Это подтверждается циклическим характером изменения относительной упругой деформации решетки от нагрузки при монотонном-уменьшении величины блоков (рис. 25). Периодический характер зависимости ширины линий (110) и (220) a-Fe свидетельствует о том, что при разных нагрузках одно и то же число воздействий индентора соответствует разному состоянию поверхности — различной степени ее упрочнения или разрушения. [c.51] Количественная оценка интенсивности развития процессов упрочнения и разрушения поверхностного слоя металлических материалов проводилась на полированных образцах стали 45 при сухом трении и движении индентора в одном направлении. Нормальные нагрузки изменялись в интервале от 6 до 30 кгс, соответствующие им контактные давления приведены ранее в табл. 3. Каждая точка на кривых рис. 26 является средней из восемнадцати значений. Разброс данных оценивался среднеквадратичным отклонением результата измерений. [c.51] Из представленных на рис. 26 [110] результатов следует, что зависимость ширины дифракционных линий (110) и (220) a-Fe от числа воздействий индентора отражает два вида структурных изменений в процессе трения, которые характеризуются или кривыми с насыщением , или периодически изменяющимися кривыми. Сравнительная оценка характера изменения блоков и микронапряжений по данным рис. 26 показала, что изменение величины относительной упругой деформации решетки в процессе трения носит периодический характер, аналогичный пинии (220) a-Fe, в то время как величина блоков уменьшается на начальной стадии процесса, а затем стабилизируется одновременно со стабилизацией ширины линии (110) a-Fe при значениях тем меньших, чем больше нагрузка. [c.51] Поскольку процесс взаимного контактирования микронеровностей двух сопряженных поверхностей носит случайный характер, выявление определенных закономерностей, связанных с изменением состояния поверхностного слоя в процессе фрикционно-контактного воздействия, возможно лишь при обработке достаточного количества экспериментальных данных. Так, было установлено, что частичная релаксация микронапряжений происходит после некоторого (отличного от единицы) числа воздействий, что является подтверждением усталостной природы процесса в смысле необходимости многократного воздействия для нарушения сплошности исследуемого материала — образования микротрещин. Таким образом, среднее для каждой нагрузки расстояние между минимальными значениями ширины линии (220) a-Fe является числом циклов до разрушения по критерию образования микротрещин. Число циклов до разрушения существенно зависит от внешних условий трения. С увеличением нагрузки на иБдентор оно уменьшается (рис. 29). [c.54] Полученные результаты указывают на существование предельных величин деформации решетки и соответственно упругой энергии, накопленной металлом при длительном внешнем механическом воздействии [111]. Дальнейшее нагнетание упругой энергии в кристаллическую решетку металла приводит к периодически повторяющимся спадам уровня микронапряжений, связанным с возникновением и увеличением микротрещин. Развитие микротрещин приводит к отделению частиц износа. [c.54] Процесс трения характеризуется значительным градиентом деформаций и напряжений по глубине, что следует учитывать при установлении количественных связей между тем или иным структурным параметром (шириной дифракционных линий, микротвердостью) и износостойкостью. Подобное количественное соотношение может существенно меняться в зависимости от толщины исследуемого слоя. [c.58] С этих позиций большое значение имеют приведенные выше результаты исследования характера структурных изменений в процессе трения скольжения методами рентгеновского анализа и измерения электросопротивления. Несмотря на то, что в первом случае исследовался слой толщиной 12 мкм, а во втором образцы толщиной 200—800 мкм, число циклов до разрушения по результатам обоих методов хорошо согласуется. [c.58] Характер структурных изменений в более тонких поверхностных слоях исследовался методом измерения микротвердости. Метод измерения микротвердости является аффективным и наиболее распространенным способом оценки состояния поверхностных слоев материалов при трении. При сопоставлении его результатов с результатами других методов исследования, например рентгеновского анализа, следует иметь в виду, что между ними возможно и сходство [87, 88], и различие [24]. Сходство обусловлено тем, что микротвердость, как и ширина дифракционных линий, находится в линейной связи с величиной блоков и микронапряжений. Различие может быть результатом несоответствия толщины слоев, исследуемых обоими методами. Кроме того, при исследовании многофазных материалов возможно различие в ловедении той фазы, которая исследуется рентгенографически, и всего материала в целом, если микротвердость характеризует его среднеагрегатное состояние. [c.59] Выявленное методом рентгеновского анализа и измерения электросопротивления существование интегральной характеристики поверхностного слоя в каждый момент времени обусловило необходимость выбора нагрузки на пирамиду, при которой отпечаток характеризует среднеагрегатное состояние исследуемого сплава. В противном случае разброс значений, связанный с раздельным измерением микротвердости феррита и перлита, делает невозможным анализ закономерностей структурных изменений методом микротвердости. Известно, что твердость феррита по Бри-неллю в зависимости от величины зерна колеблется в пределах 65—130 кгс/мм в то время как твердость перлита (также в зависимости от величины зерна) составляет 160—250 кгс/мм при средней твердости стали 45 160—180 кгс/мм [ИЗ]. Опробование нагрузок на пирамиду от 10 до 200 го показало, что минимальной нагрузкой, характеризующей среднеагрегатную твердость стали-45, является Р = 50 гс, при этом глубина отпечатка составляет 3—4 мкм. Результаты измерения микротвердости представлены на рис. 32. Условия трения аналогичны тем, при которых проводились исследования методом рентгеновского анализа и измерения электросопротивления. Из приведенных результатов следует, что изменение микротвердости аналогично изменению ширины дифракционной линии (220)a-Fe и электросопротивления. С увеличением нагрузки число циклов до разрушения уменьшается, а среднее максимальное значение микротвердости, пропорциональное величине действующей деформации, увеличивается (рис. 33). Количественная оценка числа циклов до разрушения по результатам измерения микротвердости совпадает со значениями, полученными двумя предыдущими методами (рис. 34). [c.59] Изменение микротвердости от степени пластической деформации при про-давливании образцов из стали 45 через фильеру. [c.62] Влияние силы трения. Смазка является наиболее эффективным средством улучшения фрикционных характеристик пары трения — уменьшения коэффициента трения и интенсивности износа. Ее влияние на состояние поверхностных слоев сложно и многообразно. Особенно это относится к поверхностно-активным веществам. Однако и в тех случаях, когда смазка не является по-верхностно-активной, ее присутствие может оказывать существенное влияние на закономерности развития пластической деформации. Так, в работе [105] показано, что смазка заметно уменьшает градиент деформаций по глубине, способствует ее выравниваник по сечению образца, а в отдельных случаях практически полностью защищает поверхностные слои основного материала от пластической деформации. [c.63] Измерения микротвердости (рис, 40) подтверждают периоди ческий характер структурных изменений, а число циклов до разрушения по результатам двух методов исследования согласуется достаточно хорошо (рис. 41). [c.64] Оценка величины пластической деформации доказала (рис. 42), что ее градиент имеет место и при смазке, однако он выражен меньше, чем при сухом трении. Если в слое толщиной 12 мкм (результаты рентгеновского анализа) величина пластической деформации при трении со смазкой лишь немногим меньше, чем при сухом трении, то в слое толщиной 3—4 мкм (результаты измерения микротвердости) это различие более существенно. Таким образом, смазка не нарушает общего периодического характера структурных изменений, однако количественные характеристики этого процесса в ее присутствии заметно меняются. [c.64] Вернуться к основной статье