Состояния тонких поверхностных структур шлифованных деталей и их изменения в процессе трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР ШЛИФОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ

С.Г. Бишутин

Представлены результаты экспериментальных исследований формирования приповерхностных слоев деталей из конструкционных материалов при шлифовании и в процессе трения. Описаны физические явления, сопровождающие формирование неравновесных состояний поверхностных слоев.

Ключевые слова: шлифование материалов, трение скольжения, термическое воздействие, силовое воздействие; структурно-фазовое состояние, поверхностный слой.

Ресурс большинства деталей машин определяется в первую очередь состоянием их поверхностных слоев. Выявленное разнообразие структур и фазового состава приповерхностных слоев железоуглеродистых сплавов после абразивной обработки [1] обусловлено прежде всего различными уровнями распределения легирующих элементов, термического и силового воздействий. Последнее является основным условием формирования при шлифовании в поверхностном слое неравновесного структурно-фазового состояния материала. Можно констатировать, что в результате сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения материала при шлифовании формируется микро- и наноструктурированный поверхностный слой дисперсного строения. Ниже этого слоя расположен переходный деформированный слой исходного материала или продуктов его распада.

Показательной иллюстрацией формирования неравновесного состояния материала при шлифовании являются микро- и наноструктуры среднеуглеродистой стали при доминировании силового воздействия (рис. 1).

Рис. 1. Приповерхностный слой стали: а - микроструктура (Ч800); б - наноструктура (Ч7000)

деталь шлифование трение конструкционный

При предварительном шлифовании крупнозернистым кругом с открытой структурой приповерхностные зерна значительно вытягиваются вдоль вектора главного движения резания D_r (рис. 1а), нередко образуя сильно дефрагментированную субструктуру из ансамблей зеренных блоков (рис. 1б). Размер блока составляет от 0,1 до 1,0 мкм.

При переходе на чистовые и тонкие режимы шлифования материалов мелкозернистыми и «острыми» кругами с обильным охлаждением (во избежние доминирования температурного фактора) поверхностные зерна не вытягиваются вдоль вектора главного движения резания, а дробятся на крупные зеренные блоки, размер которых в 7…25 раз меньше размера исходного зерна, причем более мелкие блоки расположены ближе к поверхности (рис.2).

Рис. 2. Субмикроструктура (Ч3000) поверхностного слоя среднеуглеродистой стали после чистового шлифования

Усиление температурного фактора при абразивной обработке приводит к формированию поверхностных слоев с сильно измененным структурно-фазовым состоянием, которые хорошо видны (темные области на рис. 3) после травления ниталем микрошлифов исследуемых сталей. Толщина поверхностного слоя в этих условиях может достигать нескольких десятых миллиметра и зависит в основном от глубины проникновения в материал температур выше критических точек данного железоуглеродистого сплава.

а) б)

Рис.3. Поверхностный слой: а - закаленной стали 9ХС (Ч300); б - нержавеющей стали 12Х18Н10Т (Ч500)

В высокоуглеродистых сталях, особо восприимчивых к термическому воздействию, значительное повышение контактной температуры может вызвать появление микротрещин (рис. 4) и даже отслаивание фрагментов приповерхностных слоев (рис. 5), что крайне негативно сказывается на эксплуатационных показателях детали, в частности на интенсивности изнашивания, поскольку значительно облегчается процесс отделения материала с поверхности трения.

Рис. 4. Микротрещина в поверхностном слое после Рис.5. Отслоение приповерхностного слоя вследствие шлифования (Ч1000) высоких контактных температур (Ч500)

Снижение термического воздействия на обрабатываемый материал (сталь 9ХС) путем уменьшения глубины шлифования и повышения скорости перемещения заготовки содействовало достижению материалом более равновесного структурно-фазового состояния с интенсивным дроблением приповерхностных зерен на блоки размером 70…500 нм. Таким образом, реализация неравновесного структурно-фазового состояния металлического материала при абразивной обработке тем более достижима, чем больше интенсивность термического воздействия шлифовального круга.

Деформирование поверхностных слоев приобретает особое значение в процессе трения сопряженных шлифованных поверхностей. При трении основные изменения материала происходят в тонком (до нескольких микрометров) поверхностном слое. Локализация напряжений и их импульсный характер при трении приводят к генерации деформационных дефектов (точечных дефектов, дислокаций, полос скольжения и др.) [2-4]. Эти дефекты, зарождаясь на поверхности, перемещаются затем на некоторую глубину, обусловливая развитие пластической деформации и дислокационной субмикроструктуры (рис.6) в поверхностном слое. Структура и свойства деформированного слоя определяются исходным состоянием материала, условиями нагружения, температурой и внешней средой, в которой работает пара трения.

Далее представлены результаты, полученные при испытаниях образцов нормализованным методом [5].

Высокие степени деформации контактирующих поверхностных слоев при трении обусловлены ротационным деформированием, нередко сопровождающимся вихревым пластическим течением материала (рис. 7). В результате образуется фрагментированная структура с относительным разворотом ее высокодисперсных фрагментов в плоскости, перпендикулярной поверхности трения и параллельной вектору скорости скольжения.

Рис. 6. Дислокационная субмикроструктура стали Рис. 7. Вихревая деформация приповерхностного слоя

Условия испытаний были подобраны таким образом, чтобы реализовывался усталостный механизм изнашивания при граничном трении. Поэтому большинство поверхностных слоев содержали усталостные повреждения в виде микротрещин, единичных и групповых впадин. В отдельных случаях наблюдалось отслоение поверхностного слоя (рис.8). Причина такого разрушения заключается в разной степени деформации поверхностного слоя и основы. Абразивная обработка и процесс трения существенно изменяют структуру приповерхностных слоев, которые получают более высокую микротвердость, формируя, таким образом, концентратор напряжений. Он и обусловливает отслоение приповерхностных слоев. Особенно ярко это проявляется у нержавеющей стали (рис. 8 б), у которой может отслаиваться сразу несколько приповерхностных слоев.

а) б)

Рис. 8. Отслоение при трении приповерхностного слоя у образца из стали: а - 45 (Ч400); б - 12Х18Н10Т (Ч250)

Увеличение нагрузки на образцы привело к интенсификации схватывания поверхностей, преимущественно у образцов из нержавеющей стали, вследствие образования локальных адгезионных связей, способствующих отделению частиц наклепанного материала с поверхности трения. Очевидно, это объясняется сложностями образования у таких сталей оксидных и окисных пленок, препятствующих схватыванию.

С увеличением температуры в зоне трения меняется микро- и наноструктура, физико-механические свойства материала. Весьма часто при фрикционном разогреве поверхностных слоев среднеуглеродистых сталей образуются вторичные структуры, в том числе и оксидные (рис.9, 10).

Рис. 9. Микроструктура оксидной пленки (Ч1500) Рис. 10. Внешний вид образца с поверхностями трения, покрытыми темными оксидными пленками

Обобщая изложенное, можно сделать следующие выводы, необходимые для целенаправленного формирования износостойких поверхностных слоев: 1. Абразивная обработка, обеспечивая периодический сверхскоростной нагрев материала до высоких температур (до 1000 С) и столь же высокоскоростное охлаждение, приводит к формированию в поверхностном слое неравновесного структурно-фазового состояния. Последнее можно регулировать в широких пределах, вплоть до диспергирования приповерхностных зерен до наноструктурного состояния и образования дислокационной субструктуры с упрочнением железоуглеродистого сплава. 2. При усталостном изнашивании деформация локализована в слоях микро- и субмикроскопической толщины с ультрадисперсными вторичными структурами (в том числе и оксидными), свойства которых зависят от условий трения и исходного состояния приповерхностного слоя. 3. Ротационный характер деформирования материала при трении (а в отдельных случаях и при шлифовании) предопределяет формирование поверхностных слоев с аномально высокой степенью деформации (до нескольких сотен процентов), приводящей к существенному изменению повреждаемости рабочих поверхностей деталей машин и механизмов при их эксплуатации.

Список литературы

Бишутин, С.Г. Структурирование поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке/ С.Г. Бишутин. - Брянск: БГТУ, 2009. - 100с.

Колубаев, А.В. Формирование субструктуры поверхностного слоя при трении/ А.В. Колубаев, В.Л. Попов, С.Ю. Тарасов// Изв. вузов. Физика. - 1997. - Т.40. - №2. - С.89-95.

Попов, В.Л. Анализ механизмов формирования поверхностных слоев при трении/ В.Л. Попов, А.В. Колубаев// Трение и износ. - 1997. - Т.18. - №6. - С.818-826.

Лотков, А.И. Наноинженерия поверхности. Формирование неравновесных состояний в поверхностных слоях материалов методами электронно-ионно-плазменных технологий/ А.И. Лотков [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 276с.

Прудников, М.И. Метод триботехнических испытаний цилиндрических поверхностей трения/ М.И. Прудников// Вестн. БГТУ. - 2008. - №2. - С.48-56.

Материал поступил в редколлегию 29.10.09.

Размещено на Allbest.ru