WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 01;05 Диссипативные процессы в сплавах при проявлении эффекта безызносного трения © Т.А. Шахназаров, Ю.А. Тахтарова, Т.С. Лугуев Институт физики Дагестанского научного центра РАН, 367003 Махачкала, Россия e-mail: oftpm@rambler.ru (Поступило в Редакцию 16 января 2006 г.) Изучены диссипативные процессы при трении скольжения, связанные с самопроизвольным формированием поверхностных слоев из определенного материала и обеспечивающие эффект безызносного трения.

Проанализировано динамическое состояние таких слоев с учетом больших пластических деформаций.

Исследован микромеханизм получения двухфазной структуры поверхностных слоев с помощью метода молекулярной динамики. Произведена термодинамическая оценка поведения системы в процессе проявления эффекта безызносного трения. Полученные результаты позволяют прогнозировать эффект безызносного трения в заданном диапазоне внешней нагрузки.

PACS: 81.40.Pq Введение процессе трения создает поверхностный слой и обеспечивает высокие антифрикционные характеристики [4].

При трении с возрастанием скоростей и удельных В рассматриваемом аспекте интересен результат, понагрузок, ухудшением условий смазки и повышением лученный в [3] при работе медно-графитовых материатребований к КПД механизмов возрастает роль про- лов в условиях высокоскоростного (50 m/s) скольжения цессов, принципиально изменяющих поведение анти- по нержавеющей стали без покрытия (в режиме сухого фрикционных материалов на основе самоорганизации.

трения). Анализ по методу рентгеновской фотоэлектронВ термодинамическом исследовании [1] было показано, ной спектроскопии показал [3], что на глубине до 0.1 µm что в основе самопроизвольного возникновения упо- поверхностный слой состоит практически из углерода, а рядоченных структур при надлежащей интенсивности примеси меди, являющейся основой антифрикционного внешнего воздействия лежит квадратичная зависимость материала, составляют всего несколько процентов. При диссипации энергии от скорости деформации матери- этом даже в самых тонких поверхностных слоях не ала при трении скольжения. Такой подход позволяет найдено следов какого-либо элементопереноса с поверхпринципиально объяснить процесс формирования дис- ности контртела, т. е. за счет обогащенного углеродом сипативных структур и наблюдаемые экстремальные поверхностного слоя полностью исключено адгезионное зависимости коэффициента трения и интенсивности из- взаимодействие трущихся тел (характерное для обычных нашивания от внешней нагрузки, определяющие эффект механизмов изнашивания). Точное определение твербезызносного трения (снижение интенсивности изнаши- дости такого поверхностного слоя не представляется вания на 1-3 порядка). Но причина появления эффекта в возможным из-за его малости но, как показали реопределенном диапазоне скоростей и нагрузок остается зультаты комплекса исследований [3], именно высокая невыясненной. твердость слоя обеспечивала устойчивость поверхности К общим структурным признакам проявления эффекта и его безызносность.

безызносного трения необходимо отнести интенсивную Необходимо отметить, что графит как твердый смафрагментацию и образование мелкозернистного слоя, зочный материал обеспечивает снижение сопротивления появление большого количества скоплений дефектов, ре- трению за счет легкого скольжения гексагональных ализацию ротационных мод пластической деформации, слоев относительно друг друга при малых скоростях, аморфизацию межзеренных границ. В медных сплавах но при возрастании скорости скольжения структурная этот эффект достигается в результате комплексного картина поведения поверхностного слоя существенно физического и физико-химического воздействия, когда усложняется [5].

наряду с деформацией поверхностного слоя протека- При работе медных сплавов в условиях избирательноют процессы взаимодействия составляющих сплава со го переноса [2], когда взаимодействие компонентов спласмазкой, обеспечивая избирательный перенос компонен- ва со специально подобранной смазкой обеспечивает на тов [2], или со специально введенными поверхностными контактирующей поверхности образование медной пленпокрытиями [3]. В антифрикционных сплавах на алюми- ки, достигаются малые значения коэффициента трения ниевой основе эффект безызносного трения реализуется и износа в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

только за счет высокой пластичности „мягкой“ струк- Результаты структурных исследований медной пленки, турной составляющей сплава (свинца, олова), которая в появляющейся на контактирующей поверхности, показаДиссипативные процессы в сплавах при проявлении эффекта безызносного трения ли [2], что уже после небольшого времени испытаний Анализ динамического состояния период кристаллической решетки сильно уменьшается поверхностного слоя при безызносном (до 0.354-0.357 при теоретическом 0.362 nm). Это обътрении с учетом больших пластических ясняется возникновением в процессе трения упругих надеформаций пряжений сжатия и появления вакансий. Наличие на поверхности исследуемых образцов кристаллов размером Следуя последовательности эволюционного развития 0.1 µm и более, а также отсутствие их предпочтительной дефектных структур при больших пластических дефорориентации указывает на рекристаллизационные процесмациях [8], полную картину структурных изменений сы в тонком поверхностном слое. Кроме того, в зоне в поверхностном слое при безызносном трении необтрения меди со сталью пленка содержит минимальходимо представить в следующем виде. С увеличениное число структурных несовершенств дислокационной ем степени деформации в поверхностном слое должприроды и обладает высокой плотностью точечных дена нарастать плотность дислокаций. Соответственно фектов типа вакансий. В результате в работе [2] был уменьшается расстояние между ними, увеличивается сделан вывод, что материал тонких поверхностных слоев среднее значение силы междислокационного взаимодейнаходится в состоянии, подобном расплавленному, что ствия. При непрерывном деформировании поверхностобеспечивает легкое взаимное перемещение контактиного слоя наступает ситуация, когда создается ансамбль рующих поверхностей и малые значения коэффициента сильно взаимодействующих дислокаций, для которотрения и износа.

го существенными становятся коллективные эффекты, В антифрикционных сплавах алюминий-свинец, алюобеспечивающие развитую пластическую деформацию.

миний-олово эффект безызносного трения достигаКоллективные моды эволюции дислокационного ансамбется при сравнительно малых скоростях скольжения ля должны вызвать в поверхностном слое не только (1-5m/s) [6]. Исследования структуры образующихся трансляционные сдвиги, но и пластические развороты.

при трении тонких поверхностных слоев этих сплавов Отличительной чертой наблюдаемых дефектов является показали [7], что в результате интенсивной пластической то, что они составлены не просто из дислокациондеформации приповерхностных слоев мягкие структурных ансамблей, а из оборванных дислокационных граные составляющие экструдируются на контактирующую ниц. Основной закономерностью эволюции дефектных поверхность и „размазываются“ по ней, обеспечивая структур в поверхностном слое на достигаемой стасплошное покрытие. Этот процесс сопровождается индии развития пластической деформации должна стать тенсивной фрагментацией и формированием мелкодиспространственная неоднородность и локализация посперсной структуры. В отличие от медной пленки исслеледней.

дуемые покрытия из свинца и олова имели включения В условиях сильной локализации деформации необокислов, снижающие пластичность этого покрытия. Как ходимо учитывать проявление в поверхностном слое было показано в [4], при создании инертной среды в зоне сдвиговой неустойчивости, что соответствует общим трения после определенной выдержки окисные вклюпредставлениям о появлении в сильных полях внешних чения удалялись, пластичность слоя приобретала совоздействий локальных сдвигонеустойчивых возбужденответствующее значение, и интенсивность изнашивания ных состояний [9]. Эти состояния находятся в динамиснижалась на один порядок и более, что свидетельствоческом равновесии с окружающей их кристаллической вало о полноценном проявлении эффекта безызносного средой и играют в поведении кристаллов основную трения.

роль. Фактически материал поверхностного слоя должен Таким образом, как общие структурные признаки, так переходить в состояние, подобное двухфазному, когда и особенности структурных изменений при формиров нем возникают области с высокой концентрацией вании поверхностных слоев из углерода, меди, свинца дефектов структуры, чередующиеся с областями малоис(олова) свидетельствуют о протекании больших пластикаженной кристаллической фазы и находящиеся с ними в ческих деформаций при проявлении эффекта безызносдинамическом равновесии. Такое двухфазное равновесие ного трения.

термодинаически выгоднее, чем однородно искаженный Показателен пример, приведенный в [2], когда дефоркристалл.

мация слоев металла, близких к поверхности трения, Представления о двухфазном состоянии поверхностпри удельной нагрузке в 1.5 MPa превышала 25%. Для достижения деформации такого уровня при статиче- ного слоя с учетом физической модели пластичности превращения [10] позволяют объяснить наблюдаемое ской нагрузке необходимо довести ее до 600-700 MPa при безызносном трении резкое снижение сопротивле(т. е. увеличить в 400 раз и более). Поэтому при анализе структурной приспосабливаемости материала к услови- ния пластическому деформированию. В условиях поям термомеханического воздействия при трении сколь- являющейся сдвиговой неустойчивости направленное жения необходимо учитывать динамическое состояние механическое воздействие способствует образованию поверхностного слоя под воздействием больших пласти- зародышей некоторых предпочтительных ориентаций и ческих деформаций в течение длительного времени без обеспечивается накопление макроскопической дефорразрушения. мации в сторону приложенного напряжения. Когда к 5 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 68 Т.А. Шахназаров, Ю.А. Тахтарова, Т.С. Лугуев материалу приложены сдвиговые напряжения, для яв- Исследование микромеханизма ления пластичности превращения характерна пропорформирования двухфазной структуры циональность скорости пластической деформации и наповерхностного слоя при безызносном пряжения [11]. Наблюдаемое в рассматриваемом нами трении методом молекулярной случае безызносного трения снижение сопротивления динамики пластическому деформированию является следствием того, что превращение осуществляется за счет сил Моделирование больших пластических деформаций термодинамического характера, а его макроскопичена объемноцентрированных (ОЦК) и гранецентрироское проявление обусловлено возмущающим влиянием ванных (ГЦК) кристаллах проведено в [14], где межнапряжений на выбор благоприятных ориентационных атомное взаимодействие оценивали псевдопотенциалом, вариантов.

рассчитанным по схеме Хейне-Абаренкова-Анималу с При существенно неоднородном напряженном состофункцией экранирования Шоу. Такая схема позволяла янии материала поверхностного слоя принципиально детально оценивать формирование дефектной структуры важное значение имеют условия обеспечения стацирассматриваемых сплавов даже при наличии небольшого онарного режима деформации и динамической устойсодержания неметаллических примесей. Но в этих мочивости постоянно преобразующейся структуры этого дельных экспериментах деформацию осуществляли послоя. Термодинамический анализ процесса пластической этапно с периодическим доведением системы до равнодеформации с позиций изменения условий диссипации весного состояния. Это не позволяет оценивать случай энергии показывает, что скорость процесса следует рассильнонеравновесной системы, в которой одновременсматривать как сумму двух составляющих, связанных с но протекают процессы формирования кристаллической деформационным упрочнением при дефектообразовании решетки и ее разрушения с образованием дефектной и динамическим возвратом (релаксацией) [12]. В таких фазы.

условиях пропорциональность скорости пластической Структурная эволюция пластичных материалов при деформации и напряжения, присущая явлению пластичтрении скольжения исследована в [15], где на основе ности превращения, и динамическая устойчивость струксравнения результатов реальных экспериментов и мотуры двухфазного слоя могут быть достигнуты лишь делирования на атомных структурах проведен анализ при формирования поверхностных слоев материалов. Во • • всех случаях отмечено формирование поверхностного ue = q, (1) слоя, по составу и структуре отличного от основного материала с ярко выраженной границей разде• где ue — скорость накопления внутренней энергии, ла между ними. Образующиеся структуры находились • q — скорость релаксационного процесса, т. е. когда при в устойчивом неравновесном состоянии. Проведенное определенной интенсивности деформационных процесмолекулярно-динамическое моделирование взаимодейсов скорость релаксации деформированных объемов стаствия некоторых материалов при трении скольжения новится когерентной (самосогласованной) со скоростью (Cu/Cu, Ta/Al, Cu/Ag) с использованием короткодействунакопления различного рода дефектов.

ющего потенциала Ленарда-Джонса (ПЛД) показало Накопленный к настоящему времени огромный экспе- наличие максимума и последующее значительное (на пориментальный материал по структурным исследованиям рядок) снижение зависимости силы трения от скорости эффекта безызносного трения не дает возможности скольжения. Но в рассматриваемом случае проводилось оценить самосогласованный характер взаимодействия моделирование фрикционного взаимодействия материапроцессов образования дефектной фазы и релаксации лов, а детально процесс формирования поверхностного возбужденных атомов в узлы кристаллической решетки, слоя не изучался.

так как процессы на атомном уровне остаются вне поля Молекулярно-динамические исследования деформирозрения реального эксперимента. На атомарных моделях вания кристаллов в [16] проводились на двумерной методом молекулярной динамики это вполне достижимо.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.