Vestnik of Don State Technical UniversityVestnik of Don State Technical UniversityВестник Донского государственного технического университета1992-5980434710.12737/6911Технические наукиTechnical sciencesТехнические наукиDIFFUSION AND SEGREGATION PROCESSES IN HEAVY-LOADED FRICTION UNITSДиффузионные и сегрегационные процессы в тяжелонагруженных узлах тренияКолесников Игорь ВладимировичKolesnikov Igor Владимировичkvi@rgups.ru3012201430122014144125132https://naukaru.ru/en/nauka/article/4347/view
Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что в тяжелонагруженных сопряжениях, таких как тормозная система подвижного состава, максимальное значение температуры в колесе находится не на поверхности, а в подповерхностном слое. Рассмотрение нестационарной контактной связанной термоупругости в задаче о вращении тормозного диска и экспериментальные исследования диффузии водорода показали, что характер расчетной зависимости температурного поля удовлетворительно описывает процесс диффузии водорода в его функциональной зависимости от температуры. При этом максимум концентрации водорода совпадает с максимумом температуры. Представлены результаты по исследованию сегрегационных явлений легирующих и примесных элементов в трибосистеме колесо-тормозная колодка. Методом ожеспектроскопии установлен элементный состав на границах зерён стали железнодорожного колеса. Верхние слои металла дефектов колеса содержат железо, серу, фосфор и цинк. В рабочем слое бандажа содержание серы и фосфора значительно меньше и соответствует их объёмному содержанию.
It is stated analytically and proved experimentally that in the heavy-loaded conjugations such as a break system of the rolling stock the maximum temperature in the wheel is reached not on the surface but in the subsurface layer. The study of the non-stationary contact coupled thermoelasticity problem on the brake disk rotation, and on the experimental research of the hydrogen diffusion has shown that the design dependence type of the thermal field describes adequately the process of the hydrogen diffusion in its functional dependence on the temperature. Under these conditions, maximum of the hydrogen concentration coincides with maximum temperature. The study results on the segregation processes of the alloying and doping elements in the wheel brake shoe tri-bosystem are presented. The elemental composition on the boundaries of the steel grains of the railway wheel is determined using Auger spectroscopy. The upper metal layers in the defected wheel contain iron, sulfur, phos-phorus, and zinc. In the tread working layer, the sulfur and phosphorus content is much less, and it conforms to their volumetric content.
Введение. Известно, что при трении в результате термомеханической деструкции полимеров в зоне контактирования с металлом выделяются различные по своей природе твердые, жидкие и газообразные продукты, среди которых большое количество водорода. Водород в свою очередь адсорбируется и активно поглощается контактирующей поверхностью металла, что ведет к ее разрушению и переносу твердых частиц металла с этой поверхности на более мягкий полимерный материал. Диффундируя в приповерхностную область, водород попадает в образовавшиеся при деформации трещины. Молизуясь в них, водород создает внутренние расклинивающие давления, превышающие предел прочности материала. По расчетным данным при воздействии колеса с рельсом реализация касательных напряжений также осуществляется на некоторой глубине от поверхности. В совокупности эти факторы вызывают расклинивающее действие на трещину адсорбированного водорода, что способствует развитию трещин в этой зоне и преждевременному разрушению металлического контртела, которое проявляется в «намазывании» металла на сопряженную с колесом поверхность фрикционной колодки.
Schofer, J. Quantitative wear analysis using atomic force microscopy / J. Schofer, E. Santer // Wear. - 1998. - pp. 74-83.Schofer, J., Santer, E. Quantitative wear analysis using atomic force microscopy. Wear, 1998, pp. 74-83.Горячева, И. Г. Механика фрикицонного взаимодействия / И. Г. Горячева. - Москва : Наука, 2001. - 478 с.Goryacheva, I. G. Mekhanika frikitsonnogo vzaimodeystviya. [Friction interaction mechanics.] Moscow : Nauka, 2001, 478 p. (in Russian).Dmitriev, A. I. Simulation of surface topography with the method of mavable cellular automata / A. I. Dmitriev, V. L. Popov, S. G. Psakhie // Tribology International. - 2006. - V.39, № 5. - pp. 444-449.Dmitriev, A. I., Popov, V. L., Psakhie, S.G. Simulation of surface topography with the method of mavable cellular automata. Tribology International, 2006, vol. 39, no. 5, pp. 444-449.Osterle, W. Towards a better understanding of brake friction materials / W. Osterle, A. Dmitriev, H. Klob, I. Urban // Wear. - 2007. - V. 263, № 7-12. - pp. 1189-1201.Osterle, W., Dmitriev, A., Klob, H., Urban, I. Towards a better understanding of brake friction materials. Wear, 2007, vol. 263, no. 7-12, pp. 1189-1201.Mosey, N. J. Atomistic Modeling of Friction / N. J. Mosey, M. H. Müser, K. B. Lipkowitz, T. R. Cundari // Reviews in Computational Chemistry. - 2007. - V. 25. - pp. 67-124.Mosey, N. J., Müser, M. H., Lipkowitz, K. B., Cundari, T. R. Atomistic Modeling of Friction. Reviews in Computational Chemistry, 2007, vol. 25, pp. 67-124.Koskilinna, J. O. Friction paths for cubic boron nitride: an ab initio study / J. O. Koskilinna, M. Lin-nolahti, T. A. Pakkanen // Tribology Letters. - 2007. - V.27, №2. - pp.145-154.Koskilinna, J. O., Linnolahti, M., Pakkanen, T. A. Friction paths for cubic boron nitride: an ab initio study. Tribology Letters, 2007, vol. 27, no. 2, pp.145-154.Yang, R. The effects of 3d alloying elements on grain boundary cohesion in gamma-iron : a first principles study on interface embrittlement due to the segregation / R. Yang, R. Z. Huang, Y. M Wang., H. Q. Ye, C. Y. Wang // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2003. - V.15, № 49. - pp.8339-8349.Yang, R., Huang, R. Z., Wang, Y. M., Ye, H. Q., Wang, C. Y. The effects of 3d alloying elements on grain boundary cohesion in gamma-iron : a first principles study on interface embrittlement due to the segrega-tion. Journal of Physics: Condensed Matter, 2003, vol.15, no. 49, pp.8339-8349.Gesari, S. B. Effect of manganese on grain boundary segregation of sulfur in iron / S. B. Gesari, M. E. Pronsato, A. Juan // Applied Surface Science. - 2007. - V. 253, №14. - pp. 5939 - 5942.Gesari, S. B., Pronsato, M. E., Juan, A. Effect of manganese on grain boundary segregation of sulfur in iron. Applied Surface Science, 2007, vol. 253, no.14, pp. 5939 - 5942.Кохановский, В. А. Трение и изнашивание фторопластсодержащих композитов / В. А. Кохановский, Ю. А. Петров // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 9, № 1 (40). - С. 30-35.Kokhanovskiy, V. А., Petrov, Y. A. Trenie i iznashivanie ftoroplastsoderzhashchikh kompozitov. [Fric-tion and wear of ftoroplast-containing composites.] Vestnik of DSTU, 2009, vol. 9, no. 1 (40), pp. 30-35 (in Russian).Власенко, И. Б. Антифрикционные композиты в активных водных средах / И. Б. Власенко // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2013. - № 7/8 (75). - С. 58-64.Vlasenko, I. B. Antifriktsionnye kompozity v aktivnykh vodnykh sredakh. [Antifriction composites in the active water solutions.] Vestnik of DSTU, 2013, no. 7/8 (75), pp. 58-64 (in Russian).