Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
2.7.1. Исследования на электронном микроскопе Пленку меди на стали и на бронзе, образовавшуюся при трении бронзы о сталь в среде глицерина, изучали на электронном микроскопе ЭМ-7. На фотографии поверхности пленки, полученной при помощи угольно-серебряных реплик (рис. 2.13), видно, что сервовитная пленка имеет микропористость, причем некоторые поры имеют огранку. Это так называемые отрицательные кристаллы, которые образуются в результате коагуляции (слияния) вакансий, в избытке имеющихся в пленке. Рис . 2.13. Участок защитной пленки, образовавшейся при избирательном переносе на бронзе БрАЖМц (х15000) Таким образом, исследование пленки на электронном микроскопе показало, что пленка толщиной 1...2 мкм имеет рыхлую, пористую структуру. Этот вывод подтверждает следующий опыт. Тщательно промытый и высушенный образец с медной пленкой на поверхности выдерживали в вакуумном шкафу. В результате на поверхности "выпотевал" глицерин, появление которого свидетельствовало, что в пленке находились поверхностно- активные компоненты смазочного материала. 2.7.2. Рентгеноструктурный анализ Для более глубокого изучения структуры сервовитной пленки Л.М. Рыбакова и Л.И. Куксенова разработали метод исследования тонких поверхностных слоев с использованием "скользящего" пучка рентгеновских лучей. Метод позволяет без разрушения поверхности проводить послойный анализ исследуемых материал отражающей поверхностью состоянии слоев материала разной При λ→0 толщина анализируемого значения при λ = 10...30' (в X, и плотности материала). При меньших значениях λ не позволяющего получить от исследуемого материала Рис .2.14. Схема анализа поверхностного скользящего Для того чтобы получить и проводить послойное исследование глубине), необходимо иметь авторы данного метода создали коллимационным устройством практически параллельного исследуемую поверхность образца Коллективом ученых рентгеновская камера, деформированные слои металла результаты анализа интерференционной полученных при послойных меди и ее сплавов, трение которых уделялось изменениям в тонких микрометра, и которые ранее для их анализа выпадали из Пластическая деформация вакансионная структуры интерференционной линии о размерах блоков мозаики рентгеновские лучи) и микродеформации Таким образом, величина 49 материалов путем только изменения угла поверхностью. Изменяя угол λ, можно получить материала разной (заданной) толщины (рис. 2.1 толщина анализируемого слоя уменьшается, = 10...30' (в зависимости от длины волны рентгеновских материала). Указанные значения угла λ являются λ наблюдается явление полного внешнего получить интерференционную картину рентгеновских материала. анализа поверхностного слоя различной толщины скользящего пучка рентгеновских лучей получить информацию от слоев металла исследование с заданным шагом (сканирование иметь узкий пучок лучей малой расходимости метода создали рентгеновскую камеру со устройством, которое обеспечивает формирование параллельного пучка рентгеновских лучей, поверхность образца. ученых под руководством Л.М. Рыбаковой камера, которая позволила исследовать слои металла на глубине до 0,1 мкм. Далее интерференционной картины на рентгеногра послойных съемках скользящим пучком рентгеновских трение которых протекало в условиях ИП. Особое изменениям в тонких поверхностных слоях, измеряемых которые ранее в связи с отсутствием соответствующих выпадали из поля зрения исследователей. деформация сервовитной пленки. Дислокационная структуры . Разработанный метод позволил определить линии (рис. 2.15). Рентгенограмма содержит мозаики (единицы структуры, когерентно и микродеформации кристаллической решетки величина β отражает один из основных процессов изменения угла между лучом и получить информацию о рис. 2.14). уменьшается, достигая малого рентгеновских лучей являются предельными. внешнего отражения, рентгеновских лучей различной толщины методом металла малой толщины шагом (сканирование по расходимости. Для этого камеру со специальным формирование узкого и лучей, падающих на Рыбаковой разработана исследовать пластически Далее рассмотрены на рентгенограммах, рентгеновских лучей . Особое внимание измеряемых долями соответствующих методов Дислокационная и позволил определить ширину содержит информацию когерентно рассеивающей кристаллической решетки металла. процессов в металле, связанных с развитием дислокационной деформации и обусловливающих поверхностных слоев. Характер изменения работающего в условиях трении ширина линий к поверхности увеличение степени пластической контакте давления, то в условиях На рис. 2.15, а интерференционных линий толщины меди, которое поступательным движением служила сталь 45, смазочной реализовала эффект безызносности основном в поверхностных поверхности, т.е. в очень тонких следует из экспериментальных испытания для этих слоев постепенно 1,6 раза меньше, чем в процессе из меди β изменяется монотонно Сначала полученные ширина линий на рентгенограмме расти в зависимости от степени трением (кривая 1,рис. 2.15 Рис . 2.15. Изменение физического различной глубине поверхностного испытаний (а) и глубины деформации трении Такую зависимость пластифицирования – эффекта перемещения и размножен 50 развитием дислокационной структуры в ходе обусловливающих, в конечном итоге изменения величины β-поверхностного условиях ИП, оказался неожиданным. Если к поверхности возрастает 1 (на рис 2.1 пластической деформации под влиянием в условиях ИП она падает 2. а представлены результаты изменения линий в функции времени испытания в слоях которое проводилось на машине трения движением с постоянной нагрузкой и скоростью смазочной средой был глицерин. Эта безызносности. Как видно, изменение поверхностных слоях, прилегающих к свободной очень тонких слоях, измеряемых долями микр экспериментальных данных, уширение линий в функции слоев постепенно падает и в установившемся в процессе приработки. Кроме того, по глубине нотонно (рис. 2.15, б). полученные экспериментальные данные вызвали рентгенограмме поверхностных слоев вместо от степени пластической деформации 5, б), уменьшалась до нулевого значения Изменение физического уширения рентгеновских глубине поверхностного слоя в зависимости глубины деформации (б) при обычном трении трении в режиме ИП (кривая 2) зависимость Л.М. Рыбакова объясняет действием эффекта Ребиндера, который заключается размножения дислокаций, облегчении выхода ходе пластической итоге, разрушение поверхностного слоя образца, сли при обычном рис 2.15, б), указывая на влиянием действующего в изменения ширины испытания в слоях различной трения с возвратно- скоростью. Контртелом Эта пара трения изменение β происходит в свободной (несущей) долями микрометра. И как линий в функции времени установившемся режиме β в по глубине образцов вызвали недоумение: вместо того чтобы деформации, обусловленной значения (кривая 2). рентгеновских линий на зависимости от времени трении (кривая 1) и действием эффекта заключается в облегчении выхода дислокаций и снижения их плотности на наружной Этот процесс происходит в толщине соизмерим со средней Именно от этих слоев, непосредственно средой и составляющих доли Таким образом, авторами поверхностных слоев при первичное влияние ПАВ материала. Отсутствие размытия свидетельствует о том, как поверхностном слое при режи трущегося в обычных условиях Подвижность точек приводит к их разрядке. большого количества вакансий кристаллической решетки, сопровождающего Процесс разрядки интерференционные линии радиального размытия, но свидетельствуют о формировании металла, полностью свободных Обычно подобные рентгеносъемке отожженного рекристаллизации. Оценка данном случае показала, что почти на порядок (рис 2.16 Рис . 2.16. Зависимость размера меди в слоях различной 51 плотности на наружной поверхности в присутствии происходит в слое металла, примыкающем к поверхности средней длиной дислокационных сегментов слоев, непосредственно взаимодействующих составляющих доли микрометра, была получена информация авторами разработанного метода при трении впервые экспериментально ПАВ смазки на структурное состояние размытия интерференционных линий на как пишет Л.М. Рыбакова, что плотность при режиме ИП на 2‒3 порядка ниже, чем условиях. точек выхода дислокаций под действием разрядке. Интенсивность последней усиливается количества вакансий, образовавшихся вследст решетки, сопровождающего процесс трения при разрядки дислокаций настолько интенсивен линии на рентгенограмме не только размытия но на них просматриваются отдельные формировании относительно больших по размеру свободных от искажений кристаллической подобные интерференционные пятна наблюдаются отожженного после деформации металла, Оценка размера областей, свободных от показала, что они возрастают в функции времени 6). Зависимость размера блока мозаики кристаллической различной толщины от времени испытания условиях ИП присутствии ПАВ в смазке. к поверхности, и по сегментов в кристалле. взаимодействующих со смазочной информация. метода исследования но было показано состояние трущегося линий на рентгенограмме плотность дислокаций в ниже, чем у материала, действием ПАВ смазки усиливается наличием вследствие ИП атомов трения при ИП. интенсивен, что только не показывают отдельные пятна. Они по размеру областей кристаллической решетки. наблюдаются при а, в процессе его свободных от искажений, в функции времени испытания кристаллической решетки испытания при трении в Полученные экспериментальные высказанное ранее предположение ИП нашло свое обоснование Диффузионные процессы вопросом при изучении результате диффузии атомов перераспределение элементов легирования по глубине поверхностных поверхности, внедрение чужеродных основного металла или, напротив кристаллической решетке и Все эти факторы формирующуюся при рентгеносъемке влияние на положение интерференционных относительно их теоретического изменением параметра λ кристаллической Анализ местоположения металла разной толщины, позволил медного сплава в условиях легирующими элементами (рис. 2.17). Более того, как сопровождается формированием фазы с границей раздела с ос Рис . 2.17. Изменение периода бронзы БрАМЦ 1 – исходное состояние; 2 – Основанием для такого полученные при малом угле лучей от 0,5 до 1°. 52 экспериментальные данные позволяют предположение о действии эффекта пластифицирования обоснование и экспериментальное подтверждение процессы и параметр решетки. Вторым изучении структуры ИП является процесс диффузии атомов кристаллической решетки элементов, составляющих сплав, изменение глубине поверхностных слоев, уход (растворение внедрение чужеродных атомов в кристаллическую или, напротив, образование пустых мест решетке и др. факторы влияют на интерференционную рентгеносъемке. В первую очередь положение интерференционных линий — происходит теоретического положения, вызванный соответствующ кристаллической решетки металла. местоположения линий на рентгенограммах, полученных толщины, позволил сделать следующие выводы условиях ИП происходит обеднение поверхнос элементами при этом параметр λ к поверхности как пишет Л.М. Рыбакова, процесс растворения формированием на поверхности сплава новой раздела с основным металлом. периода а кристаллической решетки латуни БрАМЦ 9-2(б) при трении в условиях – после трения для такого утверждения служат рентгенограммы малом угле скольжения первичного пучка позволяют заключить, что пластифицирования при подтверждение. . Вторым важным процесс диффузии. В решетки происходит зменение степени растворение) элементов с кристаллическую решетку пустых мест (вакансий) в интерференционную картину, очередь они оказывают происходит сдвиг линий вызванный соответствующим полученных от слоев выводы. При трении поверхностных слоев поверхности уменьшается процесс растворения атомов новой металлической решетки латуни Л90 (а) и условиях ИП: рентгенограммы, пучка рентгеновских Анализ рентгенограмм имеет систему интерференционных принадлежность к меди. Триботехнические испытания поступательным движением реализуется лишь в случае трения линейных и точечных 2.18). Рис . 2.18. Зависимость интенсивности уширения рентгеновской λ (в) сплава БрА5 от удельной Отклонение от оптимального трения, вызывая либо повышенную разрушению поверхностных 53 рентгенограмм показал, что эта пленка является металлической интерференционных линий, характеризующую Триботехнические испытания на машине трения движением (77МТ-1) показали, что режим случае оптимального количества возникающих точечных дефектов кристаллической решетки Зависимость интенсивности изнашивания I (а), рентгеновской линии β (б) и периода кристаллической 5 от удельной нагрузки р при трении в оптимального соотношения дефектов нарушает повышенную плотность дислокаций, которая поверхностных слоев, либо к усиленному растворению является металлической и характеризующую ее трения с возвратно- режим безызносности возникающих в цикле решетки металла (рис. (а), физического кристаллической решетки трении в масле АУ дефектов нарушает режим дислокаций которая приводит к растворению трущегося 54 металла – его коррозии. Следовательно, эффект безызносности можно реализовать только при сочетании определенных материалов, смазки и внешних параметров (нагрузки, скорости, температуры, кинематики движения). Обобщающие результаты закономерностей структурных изменений, диффузионного перераспределения легирующих элементов по глубине трущегося материала в смазочных средах разной природы подробно рассмотрены далее. Результаты исследований, полученные радиоизотопным анализом и методом ожеспектроскопии подтвердили данные о перераспределении легирующих элементов сплава при трении. Они указывают на резкое различие в содержании легирующих элементов в поверхностных слоях (вплоть до полного их растворения при формировании сервовитной медной пленки) при разных условиях трения, в частности, при использовании смазочных сред разной природы. Послойный эмиссионный микроспектральный анализ (с использованием лазерного луча) показал, что под сервовитной пленкой на границе со сталью имеется слой оксидов меди, легирующих элементов или примесей толщиной около 0,1 мкм. Физико-химические исследования структуры сервовитной пленки дали основание высказать предположение, что материал пленки находится в состоянии, подобном расплавленному. Она не способна к наклепу, имеет малые сдвиговые усилия, пориста. Пленка в поверхностной части не имеет окислов, способна к схватыванию, при трении ее частицы могут переходить с одной поверхности на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения. Пленка может играть роль твердой смазки. Трение бронзы о сталь в условиях ИП можно уподобить скольжению тела по льду, при котором низкий коэффициент трения вместо воды обеспечивает пленка расплавленного металла. 2.8. Физические основы (факторы) эффекта безызносности (избирательного переноса) 2.8.1. Общие сведения Анализ физических процессов при ИП проводился в сравнении с процессами, происходящими при граничном трении — наиболее изученном и широко распространенном в узлах трения машин и механизмов. Как известно, при граничном трении основными факторами, определяющими износ поверхностей трения, являются: – пластические деформации, приводящие к наклепу поверхностей и разрушению микронеровностей; 55 – окислительные процессы: образующиеся при трении окисные пленки, хотя и препятствуют схватыванию и глубинному вырыванию, хрупки и быстро разрушаются; – внедрение отдельных участков поверхности одной детали в сопряженную поверхность другой, что при скольжении вызывает образование неровностей поверхностей и при многократном воздействии их разрушение; – адгезионное схватывание, приводящее к переносу материала одной детали на другую и усиление изнашивания; – наводороживание поверхностей трения деталей, что ускоряет изнашивание в зависимости от условий работы трущихся деталей более чем на порядок. В связи с отмеченными факторами, защита от износа должна быть многофакторной, вероятно, в некотором соответствии с перечисленными выше явлениями. Заметим, что применение для защиты от изнашивания только смазки хотя и предохраняет от схватывания (не всегда надежно), но не спасает от взаимного внедрения неровностей, пластического деформирования, окисления и разрушения окисных пленок и других необратимых процессов. Если обратиться к биологическим процессам живых организмов, то для них характерным является многократное перекрывание и дублирование жизненно важной функции. В области же износа деталей машин имеется явная недостаточность предохранения и компенсации износа. Подтверждением недостаточности "однофакторного" подхода является то, что разработка в течение многих десятилетий огромного числа различного рода смазочных материалов и присадок к ним с целью снижения износа хотя и достигла эффективных результатов, но не дала возможности существенно поднять ресурс машин и механизмов. Одно только усиление адсорбционной (или хемосорбционной) защиты от адгезии в виде слоя смазки толщиной 0,1 мкм (что имеет место при граничном трении) не в состоянии устранить ни усталостные процессы, ни элементарное деформирование выступов шероховатостей. Разрушение поверхностей деталей, как показал еще Л.В. Елин [1], может происходить и без разрыва тонкой пленки смазки в результате многократного взаимодействия шероховатостей поверхности. Переход к гладкой поверхности при граничной смазке вызывает масляное голодание и схватывание в зоне контакта. При ИП защитные системы построены по принципу избыточности, так как сервовитная пленка поглощает деформацию, а внедрение неровностей практически отсутствует. Впадины между выступами шероховатостей поверхности заполнены веществом, обладающим свойствами смазки и способностью нести нагрузку, сервовитной пленкой. Кроме того, это вещество 56 не уносится из зоны трения, а лишь поступает туда и удерживается там, т.е. обладает свойствами сохранности. Именно такой многофакторной защитой отличается от граничного трения явление ИП. Действительно, сервовитная пленка исключает взаимодействие шероховатостей поверхностей, а электрический заряд частиц износа возвращает частицы в зону контактного взаимодействия поверхностей. Нужны также меры против окисления металлов, так как окисные пленки, разрушаясь при трении, составляют часть расхода металлов на износ. В режиме трения при ИП это достигается восстановительным характером химических процессов при трении. Возникает еобходимость преодолеть трудность, связанную с термической нестабильностью смазок и металлов. При ИП преодоление осуществляется путем усиленной интенсификации окислительных процессов продуктов трибодеструкции смазки и восстановлением окисных пленок меди до металла. Тогда создается возможность хемосорбции окисленных продуктов, образующихся в результате трибодеструкции смазочного материала на восстановленном металле с образованием комплексных соединений. Свободное комплексное соединение (соединение, находящееся в масле) работает как ПАВ, в хемосорбированном виде оно создает прочный термодинамический защитный слой и, наконец, способствует обмену веществом сервовитной пленки со средой, хемосорбируясь на атомах со свободными связями, образующимися у выхода дислокаций. Таким образом, оно выполняет тройную функцию. Факторы безызносности, которые проявляются в процессе ИП и обеспечивают малые силы трения и безызносность узлов трения, в работах А.А. Полякова называются "системами снижения износа и трения" (СИТ). Такое название ближе подходит при рассмотрении ИП с термодинамических позиций. Поскольку в прежних изданиях книги "Триботехника" использовался термин "факторы безызносности", в этом издании он оставлен. |