УДК 621.891 Общие вопросы. Трение в машине
Изложены экспериментально-теоретические основы материаловедческого подхода к оценке смазочных сред, который базируется на анализе комплекса структурно-чувствительных свойств антифрикционного материала в зоне трибодеформации и позволяет выявить существенную роль процесса взаимодействия смазочных сред с поверхностью трения. Реологические свойства поверхностного слоя, образующегося в трибоматериале в условиях контактной деформации под действием смазочной среды, определяют условия формирования в нем износостойкой структуры. Сформулированы представления о физико-химических основах действия среды применительно к стандартным задачам упругопластичности, описывающим поведение поверхностно-модифицированных материалов в простейших напряженно-деформированных состояниях. Показано, что в поверхностно-упрочненном материале остаточные напряжения во внешнем слое по знаку совпадают с нагружающими, а во внутриобъемной зоне – противоположны им. Распределения остаточных напряжений в поверхностно-пластифицированном образце оказывается обратным случаю поверхностно-упрочненного материала. Приведены схематические эпюры остаточных напряжений, возникающих в приповерхностном слое материала в результате его упругопластического деформирования при трибоконтактном воздействии в поверхностно-пластифицирующей и поверхностно-упрочняющей смазочной среде. Найдено, что в поверхностно-пластифицированном приповерхностном слое остаточные напряжения носят сжимающий характер, а в поверхностно-упрочненном – растягивающий. На межслойной границе имеет место резкая смена знака остаточных напряжений. Распределение напряжений по глубине материала качественно подобно соответствующим распределениям, полученным для случаев кручения и изгиба. На основе анализа эпюр компонент тензора остаточных напряжений, возникающих в поверхностном слое антифрикционного материала при трении скольжения, выявлены условия реализации пластифицирующего и упрочняющего трибоэффекта в реальных антифрикцонных материалах. Показано, что среди промышленных алюминиевых бронз наибольшей износостойкостью в поверхностно-активных смазочных средах обладают бронзы БрА5, БрА7.
антифрикционные материалы, граничное трение, поверхностно-активные смазочные среды, остаточные напряжения, контактная деформация, трение, износ, износостойкая структура материала, эффект Ребиндера
Введение
Проблема повышения надежности, долговечности и безопасности эксплуатации машин и механизмов связана с задачами обеспечения работоспособности нагруженных трибосопряжений, износостойкости конструкционных материалов, совместимости этих материалов и смазочной среды. Эта проблема является одной из наиболее сложных в современной технике. Несколько смягчить ее можно реализацией мероприятий, связанных с методологически обоснованным выбором смазочных сред для скользящего трибоконтакта. Большинство узлов трения работают в режиме граничной смазки. Роль процесса взаимодействия смазочного материала с поверхностями трения отмечалась уже в ранних работах по развитию представлений о структуре системы «смазка трнибоматариал». Был выдвинут ряд гипотез о строении и механических свойствах граничных слоев трибоматериалов. Установлены эффект пластифицирования тончайших слоев металлов (эффект Ребиндера) и расклинивающий эффект тончайших слоев среды (эффект Дерягина), играющие важную роль в механизме граничной смазки [1].
Для оценки качества смазочного материала используются разные феноменологические показатели: коэффициент трения; износ поверхности деталей; критическая температура разрушения смазочного слоя; предельные значения нагрузки и скорости скольжения. Эти показатели обычно используются при инженернных расчетах на износ и заедание трибоузлов [2]. Однако они не отражают изменение структурно-чувствительных свойств материала поверхностного слоя, формирующего частицы износа. Поэтому на их основе весьма затруднительно указывать способы совершенствования смазочного материала. Эта задача оказывается особенно сложной, если в состав смазочной среды входят поверхностно-активные вещества, которые влияют не только на эффективность смазочного действия среды, но и изменяют механические свойства материала зоны контакта, в частности его пластичность,– важный параметр для реализации процесса внешнего трения.
Ряд новых отраслей науки, возникших в ХХ веке, в первую очередь, физико-химическая механика материалов [3], внесли заметный вклад в разработку физико-химических основ смазочного действия на основе эффекта Ребиндера [4]. Эффектом Ребиндера называют явление адсорбционного понижения прочности твердых тел, облегчение их деформации и разрушения вследствие обратимого физико-химического воздействия окружающей среды. Термодинамически он обусловлен уменьшением работы образования новой поверхности при деформировании твердого тела в результате понижения его свободной поверхностной энергии под влиянием активной среды. Его молекулярная природа состоит в облегчении разрыва и перестройки межатомных связей в твердом теле в присутствии инородных атомов, молекул или ионов. В физико-химической механике твердых тел рассматривают две основные формы эффекта Ребиндера: охрупчивающее действие среды, в результате которого падает прочность твердого тела; пластифицирующее действие среды, которое проявляется в снижении макроскопического предела текучести, уменьшении коэффициента упрочнения при активном нагружении или увеличении скорости деформации при испытании на ползучесть.
Многочисленные экспериментальные исследования [5] показали, что при помещении однородного по механическим свойствам металла в инактивную среду последний сохраняет свои свойства. Однако поверхностно-активная среда может оказывать на реологическое поведение материала не только пластифицирующее, но и упрочняющее влияние. Упрочняющее действие среды обусловлено уменьшением подвижности приповерхностных дислокаций в результате их адсорбционной блокировки, тормозящего действия окисных и пассивирующих пленок, под влиянием электрохимических явлений на поверхности твердых тел [6]. Изменения предела текучести приповерхностного слоя образца влияет на характер его напряженного состояния материала, на распределение остаточных напряжений в нем, что в свою очередь оказывает значимое влияние на изменение структуры и свойств модифицированного слоя.
Данная работа посвящена обобщению результатов экспериментальных и теоретических исследований влияния среды на изменение структуры и свойств металлических материалов при разных условиях нагружения с
целью разработки методологических основ структурной оценки качества смазочного материала триботехнического назначения. Работа состоит из двух сообщений: в части 1 дано описание базовых представлений о физико-химических основах действия среды применительно к некоторым задачам упругопластичности и скользящего контакта, описывающих поведение поверхностно-модифицированных материалов в простейших напряженных состояниях и изменения структуры модифицированного слоя при деформации в поверхностно-активной среде. В части 2 приводятся результаты экспериментальных исследований влияния смазочной среды на структурно-фазовые превращения в зоне деформации при трении, на реологические свойства поверхностного слоя. Формулируются условия формирования износостойкой структуры и даются рекомендации по оценке смазочной способности сред.
Материалы и методы исследования
Испытывали пару реверсивного трения скольжения при давлении 20 МПа и средней скорости скольжения 0,1 м/с. Реверсивное трение, относящееся к тяжелым условиям испытаний с точки зрения деформации поверхностных слоев, позволяет более ярко выявлять роль смазочного материала. Интенсивность изнашивания трибообразцов Ih оценивали как среднее значение в результате испытаний от трех до пяти трибопар по потере массы образца на фиксированном пути трения L = 0,36…36 км. Роль среды выявляли с использованием критериальных подходов [7], основанных на экспериментально полученной совокупности значений макроскопического интегрального критерия (феноменологических показателей потерь на износ) и микроскопических критериев (физического уширения рентгеновских линий материала зоны деформации, периода а кристаллической решетки, элементного и концентрационного состава поверхностного слоя), определяемых с применением методов металлофизического исследования.
Физическое уширение β(hkl) рентгеновских линий отражает влияние размера областей когерентного рассеяния – микроблоков D в кристалле, а также усредненных по микрообъему микродеформаций кристаллической решетки (напряжений II рода <ε> = 
). Его величина определяется соотношением:
,
где λ – длина волны рентгеновского излучения; θ – угол дифракции Вульфа-Брэггов; k – коэффициент, зависящий от формы микрокристаллитов. Величина β(hkl) связана с плотностью как скользящих, так и неподвижных дислокаций, присутствующих в деформированном металле: ρΣ = Аβ(hkl)2, здесь ρΣ – плотность дислокаций обоих видов, [ρΣ] = см-2; А – размерная постоянная, [A] = (см∙рад)-2. Очевидно, что первый член соотношения связан лишь с неподвижными дислокациями, которые формируют границы микроблоков; второй – отражает влияние суммарной плотности как подвижных дислокаций, находящихся в объемах микроблоков, так сидячих дислокаций, локализованных в их границах.
Величина периода кристаллической решетки а, оцениваемая по смещению дифракционных пиков на рентгенограмме, определяет сумму главных напряжений (напряжений
I рода) и, кроме того, зависит от концентрационного состава сплава (для твердых растворов замещения выполняется закон Вегарда:
аАВ = САаА + (1 – СА)аВ, где аАВ, аА и аВ – параметры решеток раствора, растворителя и растворенного элемента, соответственно;
СА – атомная концентрация растворителя в сплаве). Поэтому изменение величины аАВ позволяет анализировать диффузионное перераспределение легирующих элементов в зоне механического или любого другого воздействия на сплав.
Рентгеносъемки проводили методом
неразрушающего послойного сканирования зоны контактной деформации (модифицированного слоя) в диапазоне 0,5…10 мкм в Co-Kα излучении.
В качестве смазочного материала применяли глицерин, минеральные масла, модельные смазочные материалы, в состав которых входили ПАВ, промышленные смазочные материалы.
Результаты и их обсуждение
Рассмотрим особенности поведения твердых тел в простейших напряженных состояниях на примере модельного материала, представляющего собой однородную сплошную среду в упругой области и двухслойную с поверхностно-модифицированным слоем – в пластической. Такой анализ обусловлен тем, что в условиях трения и изнашивания трибоматериала в различных микрообъемах его приповерхностного слоя одновременно реализуются разные виды нагружения: растяжение, сжатие, изгиб и кручение (особенно при формировании частиц износа) [8]. При этом величина износа узлов трения находится в прямой зависимости от механических свойств приповерхностных слоев металлических материалов (в первую очередь антифрикционных сплавов) [9], а уровень механических свойств этих слоев находится в прямой зависимости от их внутренней структуры (ее субзеренного и дислокационного строения) [10]. Кроме того, имеет место общая закономерность изменения структурного состояния металла, в частности его дислокационной структуры, на разных участках диаграммы объемной деформации. Также наблюдается эволюция дислокационных структур по глубине поверхностных слоев материала при трении [11].
В качестве примера на рис. 1, а представлена схематическая диаграмма одноосного растяжения поверхностно-пластифицированного круглого цилиндрического стержня (образец подвергался циклу «нагружение-разгрузка») [7]. Параллелограмм 01456 представляет собой траекторию напряжения в пластифицированном слое. Прямая 0178 обозначает траекторию напряжения во внутриобъемной зоне. Ломаная 0123 есть траектория усредненного по сечению напряжения, задаваемого внешней нагрузкой, которая регистрируется экспериментально [12].
Как следует из рис. 1, а, образец при нагружении доводится до состояния, при котором внутриобъемная зона остается полностью упругой, а внешний слой претерпевает пластическую деформацию (участок 1 – 4). После разгрузки в материале появляются остаточные напряжения σrzz. При этом в упругом ядре они оказываются растягивающими σrin, а в поверхностно-пластифицированном слое – сжимающими σrex. Эти напряжения показаны в виде заштрихованных участков для растягивавшегося внешней нагрузкой образца (рис. 1, б) и для сжимавшегося (рис. 1, с). Видно, что во внешнем пластифицированном слое остаточные напряжения противоположны по знаку нагружающим, а во внутриобъемной зоне – совпадают с ними. Легко показать, что в случае одноосного растяжения поверхностно-упрочненного стержня диаграмму напряжение-разгрузка можно получить из рис. 1 б, с, если поменять у обозначений индексы, относящиеся к внутреннему и внешнему слоям материала. Тогда рис. 1, б будет качественно описывать распределение остаточных напряжений в упрочненном стержне после его сжатия внешней нагрузкой, а рис. 1, с – после его растяжения. Таким образом, в поверхностно-упрочненном стержне остаточные напряжения во внешнем слое по знаку совпадают с нагружающими, во внутриобъемной зоне – противоположны им. Иными словами, картина распределения остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном образце оказывается обратной случаю пластифицированного стержня.
Рассмотрим теперь задачу о чистом упругопластическом изгибе поверхностно-модифицированной балки прямоугольного поперечного сечения [13]. Структурная модель такой балки и распределение напряжений в ней при деформации показаны на рис. 2, а – г.
На рис. 2 d – толщина поверхностно-модифицированного слоя; M – изгибающий момент внешних сил; со, ср, сh – полуширина упругого ядра в соответствующих случаях. Штриховкой на рис. 2, а отмечен приповерхностный модифицированный слой. Рис. 2, б иллюстрирует распределение напряжений в поперечном сечении однородной балки, перпендикулярной оси OZ, по обе стороны от нейтральной плоскости. Отлична от нуля лишь компонента тензора σzz, лежащая в плоскости, нормальной к поперечному сечению. Нагружающие усилия выбраны таким образом, чтобы вовлечь в пластическую деформацию приповерхностный слой толщиной bco. Расчеты показывают, что остаточные напряжения в приповерхностном слое балки противоположны по знаку внешним нагружающим, а во внутриобъемной зоне их знаки совпадают.
Аналогичная картина наблюдается в случае испытаний в поверхностно-пластифицирующей среде, рис. 2, в. Расчеты показывают, что, в отличие от однородной балки, на межслойной границе наблюдается скачок напряжений. Если в пластическую деформацию была вовлечена часть внутриобъемной зоны, то величина скачка равна разности соответствующих пределов текучести:
Δσzz = σs - σssp, где σs – предел текучести основного материала (его внутриобъемной области), и
σssp – предел текучести его приповерхностного пластифицированного слоя.
Картина распределения остаточных напряжений при испытании поверхностно-упрочненной балки (рис. 2, г) отличается появлением осцилляций напряжения, сопровождающихся сменой его знака. Знак остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном слое совпадает со знаком внешних нагружающих напряжений. При этом на межслойной границе также наблюдается скачок напряжений, равный разности пределов текучести соседних слоев (здесь σssh – предел текучести поверхностно-упрочненного слоя).
Анализ модели поверхностно-модифицированного круглого стержня при упругопластическом кручении и выявление характера распределения напряжений в сечении, перпендикулярном оси стержня (нормальные компоненты тензора напряжений равны нулю), показали полную качественную аналогию распределениям напряжений в балках после изгиба в тех же средах [14].
Теперь рассмотрим особенности напряженного состояния в материале в условиях его контактной трибодеформации. Как известно, поверхность трения двух шероховатых твердых тел представляет собой набор дискретных контактов, периодически деформирующихся под действием сопряженных микровыступов. После каждого цикла деформации в приповерхностном слое металла возникает упругопластическая деформация, и формируются остаточные напряжения
I рода, знак и величина которых зависит от соотношения механических свойств приповерхностного слоя и внутриобъемной зоны. Задача решалась в двумерном приближении методом численного моделирования, ранее использованном для описания процесса прокатки поверхностно-модифицированных полос и тонких фольг [6]. Рассчитывали распределение нагружающих и остаточных напряжений в полубесконечном идеально упругопластическом пространстве при вдавливании со сдвигом по его поверхности бесконечно длинного абсолютно жесткого цилиндра.
Схематические эпюры остаточных напряжений, возникающих в приповерхностном слое материала в результате его упругопластического деформирования при трибоконтактном воздействии модельного цилиндрического микровыступа в поверхностно-пластифицирующей и поверхностно-упрочняющей смазочной среде приведены на рис. 3.
Расчеты свидетельствуют, что в поверхностно-пластифицированном приповерхностном слое остаточные напряжения носят сжимающий характер, а в поверхностно-упрочненном – растягивающий. Кроме того, наблюдаются осцилляции напряжений по глубине материала. На межслойной границе имеет место резкая смена знака остаточных напряжений. Распределение напряжений по глубине материала качественно подобно соответствующим эпюрам, полученным для случаев кручения и изгиба. Анализ известных экспериментальных данных показывает, что это не случайное совпадение, а проявление общей закономерности, наблюдающейся при механических испытаниях поверхностно-модифицированных материалов, содержащих мягкую и твердую структурные составляющие.
Таким образом, характер напряженного состояния материала в зоне контакта и распределение остаточных напряжений в нем зависит от свойств окружающей среды. Последняя является регулирующими фактором структурообразования (перераспределения дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов сплава, концентрационного и фазового состава модифицированного слоя) и, соответственно, фактором формирования совокупности структурно-чувствительных характеристик механических свойств, которые определяют уровень поверхностного разрушения. Это указывает на необходимость применения материаловедческого подхода к оценке эффективности смазочного действия разных по природе смазочных сред. Сопоставление характера напряженного состояния в условиях объемного и поверхностного (при трении) деформирования дает основание заключить, что в случае нагруженного скользящего контакта в приповерхностных слоях трибоматериалов должны происходить качественно аналогичные структурные изменения – концентрационные и дислокационные. Далее рассмотрим эти особенности.
Прежде всего, остановимся на характеристиках микроструктурного состояния деформированного материала, влияющих на его механические свойства, и рассмотрим процессы эволюции дислокационной структуры и изменения концентрационного состава антифрикционного материала.
Результаты исследования пар трения, в состав которых входят чистые металлы (медь, железо и никель) представлены на рис. 4.
Анализ данных рис. 4 с позиций функциональных взаимосвязей параметров, характеризующих микроструктуру и механические свойства металла, таких как S = f (γ,δ), δ = f(β(hkl)), Hμ = f(δ), Hμ = f(β(hkl)), (где S – истинные напряжения течения; γ – коэффициент пластичности; δ – остаточная деформация) [15], свидетельствует о том, что введение активной добавки в смазочную среду влияет на деформационные процессы в приконтактной зоне и вызывает формирование в материале модифицированного приповерхностного слоя. Так как вазелиновое масло является трибохимически инертной средой, то именно активные присадки изменяют величину β(hkl) (и, соответственно, плотность дислокаций) в тонком поверхностном слое металла по сравнению с вариантом его трения в чистом масле.
Теперь рассмотрим более подробно механизм влияния остаточных напряжений на дислокационную структуру материала [6].
Наличие на межслойной границе поверхностно модифицированного материала резкой смены знака остаточных касательных напряжений I рода (см. рис. 3) приводит к встречному движению дислокаций с однонаправленными векторами Бюргерса в соседних разнозначно напряженных слоях материала. Двигаясь в параллельных плоскостях скольжения, дислокации тормозятся на межслойной границе, формируя в ней простую малоугловую дислокационную стенку. При этом равновесная плотность стеночных дислокаций будет определяться условием силового баланса, записанного, например, в цилиндрической системе координат Оr z [6]:
,
где 
– компонента тензора остаточных напряжений I рода; τst – напряжение старта дислокаций в поскости скольжения;
– внутреннее напряжение в решетке, обусловленное дислокациями фона, т. е. ростовыми и неподвижными
деформационными дислокациями;
дальнодействующее упругое напряжение, созданное стенкой. На основе соотношения для составляющих силового баланса в [6] дана оценка равновесной плотности стеночных дислокаций и показано, что её величина примерно на два порядка превышает плотность дислокаций фона. Например, при плотности дислокаций фона ρph ~ 106 ÷107 см-2 равновесная плотность стеночных дислокаций составляет
ρw ~ 108…109см-2.
Процесс концентрации дислокаций на межслойной границе сопровождается очисткой от них приграничных областей металла. Расчеты показывают, что размер таких областей составляет δg ~ (ρw)-1/2 и по порядку величины совпадает с толщиной поверхностно-модифицированного слоя h, достигающей нескольких микрон для типичных случаев
упругопластического деформирования металлов [6].
Антифрикционный материал, как правило, представляет собой двойной или многокомпонентный сплав. Рассмотрим изменения элементного (концентрационного) состава его приповерхностного слоя под действием остаточных напряжений, тип распределения которых, как отмечалось выше, задается свойствами внешней среды. После первых циклов контактного взаимодействия в активной среде любого модифицирующего типа в приповерхностном слое трибоматериала возникают диффузионные потоки вакансий, атомов примесных и/или легирующих элементов, стимулирующие релаксацию остаточных напряжений. Будет наблюдаться «восходящая диффузия» [16], в результате которой в сжатых областях материала концентрация элементов, размеры атомов которых превосходят таковые для основного металла, понизится, а в растянутых областях – наоборот, повысится. В приповерхностном слое происходит перераспределение легирующих элементов, которое может приводить к изменению фазового состава и, следовательно, к изменению его механических свойств.
Результаты экспериментальных исследований различных промышленных бронз приведены на рис. 5. Анализ этих данных показывает, что диффузионное перераспределение легирующих элементов в алюминиевых бронзах при трении приводит к формированию нескольких типов микроструктуры модифицированного слоя.
Микроструктура первого типа возникает в бронзах, характеризующихся относительно малой концентрации алюминия
(БрА5; БрА7), когда в приповерхностном слое трибоматериала создается износостойкая микроструктура [17] и возможность реализации высокой износостойкости бронзы наиболее вероятна (см. рис. 5, а).
Микроструктура второго типа формируется в трехкомпонентных бронзах
БрАМц9-2, БрАЖ9-4. В зависимости от вида материала и свойств смазочной среды, в зоне контактной деформации этих бронзах возможно формирование трех альтернативных типов микроструктур: например, в виде концентрационно неоднородного по толщине слоя α-твердого раствора, когда условия образования износостойкого структурного состояния нарушаются (кривая 1, см. рис. 5, б); В иных случаях могут образоваться два кристаллографически изоструктурных α-твердых раствора, обеспечивающие создание предпосылок для возникновения износостойкой структуры
(кривые 3, см. рис. 5, в) наконец, в трибоматериале может сформироваться поверхностная пленка меди и подповерхностный концентрационно неоднородный α-твердый раствор, что создает условия для реализации нестабильного режима избирательного переноса
(кривая 2, см. рис. 5, б).
Микроструктура третьего типа возникает в высокопрочных четырехкомпонентных бронзах типа БрАЖМц10-3-1,5 и
БрАЖН10-4-4. В этих бронзах переход поверхностного слоя трибоматериала в износостойкое состояние осуществляется в два этапа: путем образования двух изоструктурных α-твердых растворов с одновременным вытеснением в приповерхностный подслой обогащенной медью фазы и последующим созданием на его поверхности пластифицированной медной пленки (рис. 5, в).
Изменение концентрации легирующего элемента в напряженной области материала в результате восходящей диффузии описывается соотношением [6, 13,14]:
,
где – скачок остаточных напряжений на межслойной границе; δω = ωА - ωВ; ωА и
ωВ – атомные объемы металлов матрицы и примеси. Было показано, что для экспериментов с поверхностно-модифицированными образцами величина (|ΔС|)/С = (10 ÷ 100)%
при | |≈ σS = 0,1 … 1 ГПа, δω = 3∙10-24 см3. Следовательно, при испытаниях в активных средах происходит концентрационное расслоение деформированного материала, которое закономерно влияет на предел текучести его модифицированного слоя. Основываясь на зависимости σS ≈ С1/2 и учитывая выполняющееся в трибоэкспериментах соотношение (|ΔС|)/С→1, можно получить, что |ΔσS|/σS ≈ 50 % [6]. Таким образом, только за счет восходящей диффузии может быть достигнуто пятидесятипроцентное изменение предела текучести, что для случая поверхностно-пластифицирующей среды обеспечивает условия реализации положительного градиента механических характеристик – необходимого условия устойчивого режима трения и высоких антифрикционных свойств.
Таким образом, структурная модификация приповерхностного слоя трибоматериала является значимым механо-физико-химическим явлением, сопровождающим процесс граничного трения в поверхностно-активных смазочных средах. При этом в приповерхностном слое реализуются два структурообразующих процесса: первый процесс – формирование стационарного макроскопического диффузионного потока атомов легирующих элементов и их переход в смазочную среду (изменение периода а), что приводит к созданию поверхностной пластифицированной пленки меди, и второй процесс – понижение плотности неподвижных (сидячих) дислокаций в материале зоны деформации (уменьшение величины β(hkl)), что указывает на эффект пластифицирования материала (снижение предела его текучести).
В результате этих процессов материал зоны контакта будет существенно отличаться от исходного по характеристикам напряженного состояния, микроструктуры и механических свойств. Именно свойствами этого модифицированного слоя и определяется износостойкость трибоматериала и ресурс пары трения. Поэтому оценку смазочной способности той или иной среды, кроме общепринятых в триботехнике феноменологических критериев, целесообразно проводить также с использованием описанного выше критериального подхода, основанного на совокупности данных, соответствующих разным масштабно-аналитическим характеристикам трибосистемы. Недостаток сведений о физико-химическом взаимодействии смазочных композиций с конструкционными материалами в условиях трибодеформации является сдерживающим фактором для методически обоснованного подхода к выбору состава смазочных материалов, которые могли бы существенно повысить работоспособность реальных узлов трения.
Заключение
Для обеспечения высокой износостойкости нагруженных трибосопряжений определяющим фактором является оптимизация реологических свойств приповерхностного слоя, формирующегося в трибоматериале в условиях контактной трибодеформации под действием активной смазочной среды. Подбирать сочетания конструкционных и смазочных материалов необходимо так, чтобы в трибоматериале создавались условия для реализации правила положительного градиента механических характеристик по нормали к поверхностям трения (И.В. Крагельский). В этом случае сдвиговые деформации концентрируются в тонком приповерхностном слое приконтактной зоны трибосопряжения, что и обеспечивает минимальный уровень его разрушения.
В основе методологии подбора материалов триады трения лежит совокупность макроскопических критериев (феноменологических показателей потерь на трение и износ) и микроструктурных характеристик приповерхностного слоя трибоматериала. К последним относятся: физическое уширение рентгеновских линий, отражающее плотность дефектов дислокационной природы, а также период кристаллической решетки, указывающий на изменение элементного, концентрационного и фазового состава и уровня напряжений I рода при трении антифрикционного материала в данной смазочной среде.
В основе формирования износостойкого структурного состояния материала в поверхностно-активной смазочной среде лежат два структурообразующих процесса: первый процесс – формирование стационарного макроскопического диффузионного потока атомов легирующих элементов и их переход в смазочную среду (изменение периода а), что приводит к созданию поверхностного пластифицированного слоя и второй процесс – понижение плотности неподвижных (сидячих) дислокаций в материале зоны деформации (уменьшение величины β(hkl)), что обеспечивает эффект пластифицирования материала (снижение предела его текучести). В результате этих процессов материал зоны контакта существенно отличается от исходного по характеристикам напряженного состояния, микроструктуры и механических свойств.
Именно свойствами этого модифицированного слоя определяется износостойкость конструкционного трибоматериала. Поэтому оценку противоизносной способности той или иной смазочной среды, кроме общепринятых в триботехнике критериев, целесообразно проводить также с использованием описанного выше критериального подхода, основанного на совокупности данных, соответствующих разным масштабно-аналитическим характеристикам трибосистемы.
1. Буяновский И.А., Фукс И.Г., Шабалина Т.Н. Граничная смазка. Этапы развития трибологии: монография. М: ГУП Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. 230 с.
2. Буяновский И.А. К учету влияния смазочных материалов при прогнозировании заедания и износа в режиме граничной смазки // Трение и износ. 1980. Т. 1. № 5. С. 837–844.
3. Щукин Е.Д., Савенко ВИ., Малкин А.И. Лекции по физико-химической механике. М.: Изд-во «Нобель Пресс», 2015. 679 с.
4. Щукин Е.Д., Амелина Е.А., Качанова Л.А., Савенко В.И. Физико-химическая механика контактного взаимодействия // Трение и износ. 1980. № 2. С. 247–262.
5. Shchukin E.D., Kochanova L.A., Savenko V.I. On mechanism of environment-induced plasticizing under contact interactions // Advances in the mechanics and physics of surfaces. 1981. V.1. P. 111–152.
6. Савенко В.И. Роль эффекта Ребиндера в реализации режима безызносности в триботехнике // Эффект безызносности и триботехнологии, 1994. № 3-4. С. 26–38.
7. Савенко В.И., Щукин Е.Д. О соотношениях между феноменологическими и структурными критериями работы узлов трения // Трение и износ. 1987. Т. 8. № 4. С. 581–589.
8. Алексеев Н.М. Новое о структурных особенностях изнашивания твердых тел // Трение и износ. 1989. Т.10. № 3. С. 197–205.
9. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
10. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1970. 472 с.
11. Рапопорт Л.С. Уровни пластической деформации поверхностных слоев и их связь с процессом изнашивания // Трение и износ. 1989. Т. 10. № 5. С. 786–792.
12. Щукин Е.Д., Савенко В.И., Качанова Л.А. Роль поверхности и среды в переходах упругость-пластичность-хрупкость в металлических кристаллах // Поверхность. 1982. № 2. С. 25–41.
13. Савенко В.И., Щукин Е.Д. Об остаточных напряжениях, возникающих в материалах, деформированных в активных средах путем изгиба // Поверхность, 1987. № 12. С. 20–25.
14. Савенко В.И., Щукин Е.Д. Об остаточных напряжениях, возникающих в упруго-пластичных материалах, деформированных в активных средах при кручении // Поверхность. 1989. № 8. С.129–135.
15. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. 212 с.
16. Гегузин Я.Е. Восходящая диффузия и диффузионное последействие // УФН. 1986. Т. 149. № 1. С. 149–151.
17. Kuksenova L.I., Savenko V.I. Physicochemical tribomechanics of antifriction materials operating in heavy-loaded friction pairs in active lubricating media // Journal of Friction and Wear. 2023. Vol. 44. No. 6. P. 333–345.
