Применение синхротронного излучения для анализа структурных и фазовых преобразований в хромоникелевой стали, обусловленных фрикционным взаимодействием | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/181

Применение синхротронного излучения для анализа структурных и фазовых преобразований в хромоникелевой стали, обусловленных фрикционным взаимодействием

Application of synchrotron radiation to analyze the friction induced structural and phase transformations of chrome-nick.pdf Известно, что процессу трения сопутствуют высокие удельные нагрузки, возникающие в зоне контакта, вследствие этого уже на начальном этапе фрикционного взаимодействия могут проявляться эффекты локализации пластического течения, возникать тепловые пятна и другие явления [1, 2]. Структура поверхностных слоев, сформированная на стадии предварительной механической или термической обработки, в условиях сухого трения скольжения существенно трансформируется, причем процесс изменений развивается постепенно, с увеличением количества циклов трения. В выполненных относительно недавно работах [3-6] были предложены in situ подходы, позволяющие наблюдать за структурными преобразованиями в зоне фрикционного контакта тел или в непосредственной близости от нее. Эти подходы основаны на анализе дифракционных картин, полученных с использованием синхротронного излучения. Фиксируя дифракционные картины, возникающие непосредственно в процессе трения материала, авторы анализировали развивающиеся при этом фазовые преобразования, а также оценивали влияние фрикционного воздействия на процессы накопления и аннигиляции дефектов структурного состояния. В работе [5] представлены результаты исследований, полученные при сканировании поверхности трения пучком синхротронного излучения, сфокусированным до микронного размера. Применение такого подхода позволило авторам наблюдать за формированием и развитием дорожек трения, а также судить об измельчении зеренной структуры в области фрикционного контакта. Описанная в работе методика дает возможность оценивать характер распределения размеров областей когерентного рассеяния и плотности дислокаций в зоне трения. Одно из достоинств дифракции синхротронного излучения при использовании лучей микронных размеров заключается в установлении фазовых превращений в различных участках поверхности трения. К примеру, известно, что в аустенитных хромоникелевых сталях при механическом воздействии, в том числе и при трении, может наблюдаться бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит [7, 8], что делает данные стали хорошим модельным материалом, так как γ→α-превращение достаточно легко зафиксировать с использованием рентгеновской дифракции. Кроме того, этот процесс может представлять интерес с прикладной точки зрения, так как он приводит к повышению прочностных свойств [8] и снижению коррозионной стойкости [9] сталей. Цель данной работы - оценить возможности использования дифрактометрии синхротронного излучения в режиме сканирования для выявления фазовых преобразований в условиях сухого трения скольжения в паре хромоникелевая аустенитная сталь - высокопрочный индентор. Методика эксперимента В работе анализировали результаты фрикционного взаимодействия образца из хромоникелевой стали AISI 321 с индентором из сплава ВК20 при реализации схемы «палец - диск». Выбор твердого сплава в качестве материала для изготовления индентора обусловлен высокими значениями его износостойкости, жесткости и химической стойкости. Эти свойства твердого сплава дают основания полагать, что наиболее существенные преобразования при фрикционном взаимодействии материалов будут связаны с деформированием и изнашиванием стали, тогда как геометрия высокопрочного индентора практически не изменится. С позиции функционирования триботехнической установки, описанной в работе [5], это имеет принципиальное значение. Стальной образец имел форму диска диаметром 66 мм. На стадии подготовки эксперимента с целью формирования аустенитной структуры он был подвергнут вакуумной закалке от 1000 °C в масло. В триботехнический контакт с индентором вступала цилиндрическая поверхность образца шириной ~ 1.6 мм, предварительно отполированная с использованием алмазных паст. Полирование рабочей поверхности образца выполнялось для того, чтобы исключить влияние шероховатости на начальном этапе трения на процесс накопления повреждений. Тем не менее применяемый в работе подход позволяет использовать образцы с различным начальным уровнем шероховатости. Скорость движения образца относительно индентора была равна 0.22 м/с, нагрузка на индентор составляла 16 кг, площадь контакта взаимодействующих тел ~ 1 мм2. Для проведения исследований была разработана установка, позволяющая анализировать поверхность трения с использованием синхротронного излучения. Детальное описание схемы эксперимента приведено в работах [5, 6, 10, 11]. Эксперименты были выполнены в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) на станции ID13 с энергией рентгеновского излучения 13.9 кэВ. Детальное описание оптической схемы, реализованной на станции, представлено в работе [12]. Сканирование рабочей поверхности образца с использованием синхротронного излучения ( = = 0.8919726 нм) проводилось в исходном состоянии (перед началом процесса изнашивания) и после изнашивания с заданным количеством циклов трения. В процессе сканирования установка с зафиксированным на ней образцом перемещалась вдоль осей X и Z с шагом 5 и 1.3 мкм соответственно. При проведении исследований была реализована схема скользящего по поверхности трения пучка, глубина его проникновения в стальной образец составляла ~ 2 мкм. Проекция рентгеновского пучка на поверхность трения была равной 2.8×22 мкм2. Результатом сканирования рентгеновского пучка являлся массив из 121 (по оси Z)  410 (по оси X) = 49610 дифракционных картин. Детальное описание и схема сканирования приведены в работе [10]. Результаты и их обсуждение Результаты сканирования исходной поверхности образца и поверхности трения после 30 оборотов образца представлены на рис. 1, а, б и в, г соответственно. Для построения приведенных картин из каждой дифракционной картины были извлечены данные об уровне интенсивности рефлексов искомых фаз. Указанные рисунки дают информацию о характере распределения по поверхности трения абсолютной интенсивности рефлексов (220) аустенита (γ) и (211) мартенсита (α). Распределение интенсивности рефлекса аустенита по поверхности трения в исходном состоянии (рис. 1, а) менее равномерно, чем после фрикционного взаимодействия (рис. 1, в). Это обусловлено тем, что трение приводит к фрагментации зеренно-субзеренной структуры и, как следствие, появляется большее количество микрообъемов, удовлетворяющих условию отражения Вульфа - Брэгга. Из рис. 1, б следует, что в закаленном состоянии в поверхностном слое образца доминирует структура аустенита. Мартенсит в хромоникелевой стали наблюдается в незначительном количестве. Редкие светлые точки на рис. 1, б, свидетельствующие о локальном формировании α-фазы, обусловлены, вероятно, термическими напряжениями, возникшими при закалке образца. Фрикционное взаимодействие образца с индентором сопровождается мартенситным превращением стали в зоне трения (рис. 1, в, г). Сканирование поверхности трения пучком синхротронного излучения позволяет провести сравнение интенсивности γ- и α-фаз и выявить таким образом местоположение наиболее нагруженной при контактном взаимодействии зоны. Так, на рис. 1, в отчетливо выделяется темная полоса с пониженным содержанием аустенита, положение которой соответствует дорожке трения. В то же время анализ данных, приведенных на рис. 1, г, свидетельствует о том, что в этой же области интенсивность рефлекса мартенсита значительно возрастает. В отдельных местах ее ширина достигает 300 мкм, а глубина - 7-10 мкм. Очевидно, что мартенсит возникал в той зоне трения, где контактные напряжения превышали величину предела текучести стали [13]. Можно ожидать, что дальнейшее продолжение процесса трения будет приводить к расширению области, претерпевшей γ→α-фазовое превращение, и по всей поверхности образца будет сформирована структура мартенсита. Рис. 1. Распределение интенсивности рефлекса (220) аустенита (а, в) и рефлекса (211) α-мартенсита (б, г) в пределах анализируемой поверхности в исходном состоянии и после 30 циклов фрикционного взаимодействия. Описание линии, указанной стрелкой 1, представлено в тексте На рис. 2 представлена совокупность дифракционных картин, соответствующих различным точкам линии, указанной стрелкой на рис. 1, г. Оттенки, отображенные на этом рисунке, характеризуют абсолютную интенсивность рассеяния рентгеновского излучения, значения которой представлены на шкале (справа от изображения). Анализ данных, приведенных на рис. 2, свидетельствует о том, что пики мартенсита проявляются в той же области, что и на рис. 1, г, на расстоянии приблизительно от 0.95 до 1.2 мм. Следует обратить внимание, что интенсивность рефлекса (111) γ в зоне мартенситного превращения сопоставима с (110) α. Принимая во внимание глубину проникновения излучения, можно предположить, что толщина слоя мартенсита, сформированного в процессе трения, составляет менее 2 мкм. Таким образом, столь высокий показатель интенсивности рефлекса (111) γ обусловлен дифракцией от объемов аустенита, находящихся под слоем мартенсита. На рис. 2 также присутствуют области с низкой интенсивностью рефлексов аустенита (отмечены белыми кружками), в которых мартенситного превращения не наблюдается. Их наличие обусловлено особенностями локальной кристаллографической ориентации кристаллов аустенита, микрообъемы которого в различных участках поверхности в разной степени удовлетворяют условию отражения Вульфа - Брэгга. Рис. 2. Распределение интенсивности рассеяния рентгеновских лучей вдоль вертикальной линии, указанной стрелкой 1 на рис. 1, г. Кружками указаны области с относительно низкой интенсивностью Применение синхротронной дифрактометрии позволяет выявить характер распределения отдельных фаз на поверхности трения, а также наблюдать измельчение структуры и протекание индуцированных трением фазовых преобразований. С использованием более сложных моделей профильного анализа и с учетом полученных данных можно определить скорость изменения размеров областей когерентного рассеяния, повышения плотности дислокаций и изменения их типа в зависимости от количества циклов фрикционного взаимодействия. Эти результаты будут представлены в дальнейших работах. Заключение С помощью метода дифракции рентгеновского синхротронного излучения исследовано влияние фрикционного воздействия на структуру поверхности трения образца из стали AISI 321. Показано, что в результате взаимодействия контактной пары сталь AISI 321 - сплав ВК20 формируется дорожка изнашивания, в пределах которой происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит. Остальная часть поверхности трения характеризуется измельчением зеренно-субзеренной структуры аустенита.

Ключевые слова

трение, фазовые превращения, дифракционный анализ, синхротронное излучение, картирование

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Эмурлаев Кемал ИсметовичНовосибирский государственный технический университетаспирант НГТУemurlaev@corp.nstu.ru
Лазуренко Дарья ВикторовнаНовосибирский государственный технический университетк.т.н., доцент, доцент каф. материаловедения в машиностроении НГТУpavlyukova_87@mail.ru
Буров Владимир ГригорьевичНовосибирский государственный технический университетд.т.н., профессор, профессор каф. материаловедения в машиностроении НГТУwburow@yandex.ru
Батаев Иван АнатольевичНовосибирский государственный технический университетд.т.н., доцент, доцент каф. материаловедения в машиностроении НГТУivanbataev@ngs.ru
Батаев Анатолий АндреевичНовосибирский государственный технический университетд.т.н., профессор, профессор каф. материаловедения в машиностроении НГТУbataev@adm.nstu.ru
Всего: 5

Ссылки

Chen L.H. and Rigney D.A. // Wear. - 1990. - V. 136. - P. 223-235.
Tarasov S.Yu., Filippov A.V., Kolubaev E.A., et al. // Tribol. Int. - 2017. - V. 115. - P. 191-198.
Yagi K., Ebisu Y., Sugimura J., et al. // Tribol. Lett. - 2011. - V. 43. - No. 3. - P. 361-368.
Matsuzaki Y., Yagi K., and Sugimura J. // Wear. - 2017. - V. 386. - P. 165-172.
Bataev A., Burov V., Nikulina A., et al. // Mater. Perform. Charact. - 2018. - No. 7. - P. 20170065.
Burov V., Bataev I., and Smirnov A. // MATEC Web Conf. - 2017. - V. 129. - P. 02024.
Kajita S., Yagi K., Izumi T., et al. // Tribol. Lett. - 2015. - V. 57. - No. 1. - P. 1-11.
Makarov A., Skorynina P., Osintseva A., et al. // Met. Work. Mater. Sci. - 2015. - V. 4. - No. 69. - P. 80-92.
De Abreu H.F.G., de Carvalho S.S., de Lima Neto P., et al. // Mater. Res. - 2007. - V. 10. - No. 4. - P. 359-366.
Bataev I. A., Lazurenko D.V., Bataev A.A., et al. // Acta Mater. - 2020. - V. 196. - Р. 355-369.
Батаев И.А., Батаев А.А., Лазуренко Д.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 3. - С. 93-99.
Davies R., Burghammer M., and Riekel C. // Synchrotron Rad. Nat. Sci. - 2006. - V. 5. - P. 96-99.
Olson G.B. and Cohen M.// J. Less Common Met. - 1972. - V. 28. - P. 107-118.
 Применение синхротронного излучения для анализа структурных и фазовых преобразований в хромоникелевой стали, обусловленных фрикционным взаимодействием | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/181

Применение синхротронного излучения для анализа структурных и фазовых преобразований в хромоникелевой стали, обусловленных фрикционным взаимодействием | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/181