Deformation features of sliding surface of construction steel under sliding current collection.pdf Введение Износостойкость является показателем высокой прочности поверхностного слоя триботехнического материала. Эта прочность проявляется при низких напряжениях в пятнах контакта, в первую очередь, при слабом адгезионном или механическом взаимодействии поверхностей контакта [1, 2]. Тогда микрообъёмы в окрестности пятен контакта деформируются упруго, и структура поверхностного слоя не изменяется в процессе трения, т.е. износ отсутствует. Поэтому большинство триботехнических материалов эксплуатируются при нагрузках, создающих в контактных слоях напряжения ниже предела текучести. Большинство расчетов износа [1-8] основаны на выполнении этого условия. Часто результаты расчетов не соответствуют экспериментальным данным, так как модели износа не способны корректно учесть многие факторы, например, геометрию сопряжения, условия теплоотвода, состав окружающей среды и т.п. Очевидно, что такие модели износа не могут быть полезными в случаях, когда структура поверхностного слоя изменяется вследствие его пластической деформации, образования новых фаз, других процессов в зоне трения. Это относится, например, к случаю, когда пары трения взаимодействуют с проявлением значительного износа [9-13]. Возникновение пластической деформации в окрестностях большинства пятен контакта ведет к локальным разрушениям поверхности в режиме малоцикловой усталости. Соответствующие микрообъёмы при пятнах контакта отделяются, выходят в контактное пространство в виде фрагментов разрушения поверхности скольжения, двигаются между контактными поверхностями, изменяются и могут образовывать скопления. Эти фрагменты вызывают дополнительную деформацию и разрушение поверхности скольжения. В некоторый момент они покидают зону контакта в виде частиц износа. Такое общее представление допускает однородность и равномерность разрушения поверхности скольжения. Экспериментальные данные работ [9-15] подтверждают это. Однако известно [16], что фронтальный сектор поверхности скольжения (сектор 1, рис. 1, а) любого материала нагружен сильнее, чем тыльный сектор (сектор 2) в процессе трения. Не исключено, что такое неравномерное распределение напряжений оказывает незначительное влияние на механизм изнашивания в случае низких нагрузок на поверхностный слой, когда реализуется преимущественно упругая деформация в пятнах контакта и проявляется низкий износ в условиях многоцикловой усталости. Однако при повышенных нагрузках, когда поверхностный слой деформируется пластически, следует ожидать проявления разных механизмов его разрушения в секторах 1 и 2 вследствие различия напряжений, возникающих на поверхности скольжения в режиме малоцикловой усталости. Информация о механизмах разрушения в заданных условиях трения представляет интерес для общего понимания триботехнического поведения материалов и может быть полезной при создании новых материалов триботехнического назначения. Следует учитывать, что удовлетворительная релаксация напряжений в пятнах контакта является основным условием минимизации износа. Поэтому получение некоторых начальных сведений об особенностях деформации поверхностного слоя металла при скольжении под воздействием электрического тока может быть одним из направлений исследований подобного типа. Представление об этих особенностях наиболее просто и удобно можно сформировать на начальном этапе при морфологическом изучении поверхности скольжения. Цель настоящей работы - получение начальных сведений о морфологических особенностях формирования поверхности скольжения стали Ст. 3 в разных её секторах при сухом скольжении с высокой плотностью электрического тока. Материалы и методика эксперимента Модельным материалом для нагружения трением и электрическим током служила катаная сталь Ст. 3 с твёрдостью 240 Нμ, которая имеет удовлетворительные характеристики контакта при скольжении под электрическим током плотностью до 280 А/см2 [17]. Рентгенофазовый анализ поверхности проведен на дифрактометре ДРОН-3 в излучении СоKα. 3D- и визуальное изображения поверхности скольжения получены на конфокальном лазерном микроскопе «Olympus OLS 4100». Нагружение материалов трением проведено без смазки под воздействием переменного тока (50 Гц), при давлении р = 0.13 МПа, скорости скольжения v = 5 м/с на машине трения СМТ-1 по схеме «вал - колодка» (точнее «pin-on-ring»), как представлено в [17]. Контртелом служила сталь 45 (572 Нμ). Путь трения составлял 9 км при каждом испытании. Линейная интенсивность изнашивания определена как Ih = h/L, где h есть изменение высоты образца на дистанции скольжения L. Контактная плотность тока рассчитана как j = i/Аа, где i - ток, протекающий через номинальную площадь контакта Аа. Удельная поверхностная электропроводность контакта представлена как σA = j/U, где U - контактное падение напряжения. Результаты эксперимента и их обсуждение Поверхность трения образца после скольжения под воздействием тока вполне явно может быть разделена морфологически на сектор 1 (светлая область - нижняя часть фото, рис. 1, б) и сектор 2 (рис. 1, б). Видно, что сектор 2 содержит большое количество микрообъёмов сектора 1. Такое структурное состояние поверхности скольжения позволяет достигать вполне удовлетворительные характеристики контакта (рис. 1, в). Рис. 1. Схема распределения напряжений вдоль поверхности скольжения образца [16] (а); морфологическое различие секторов поверхности скольжения стали Ст. 3 при j > 250 А/см2 (стрелка показывает направление скольжения контртела) (б); токовые зависимости удельной электропроводности σA, контакта и линейной интенсивности изнашивания Ih стали Ст. 3 (в) Пластическое течение поверхности скольжения в секторе 1 происходит по одному из механизмов внутреннего трения, когда микрообъёмы в окрестности пятен контакта скользят по более глубоким слоям поверхностного слоя под воздействием адгезионной составляющей силы трения (рис. 2, а). Кроме того, видны следы механического оттеснения (пропахивания) материала поверхности скольжения образца неровностями контртела. Эти борозды характеризуют деформационную составляющую силы трения, которая может превышать адгезионную составляющую. Явные следы адгезии и пропахивания отсутствуют на поверхности скольжения в секторе 2 (рис. 2, б). Здесь деформация реализуется по механизму, близкому к течению вязкой жидкости. Такое составное структурное состояние поверхности скольжения характеризуется присутствием вюстита FeO и ГЦК-железа (рис. 2, в). Более детальный анализ фазового состава секторов 1 и 2 не кажется целесообразным на настоящем этапе исследования. Рис. 2. Конфокальное лазерное изображение поверхности скольжения образца (сталь Ст. 3) при скольжении с j > 250 А/см2 в секторе 1 (а) и секторе 2 (б); рентгенограмма поверхности скольжения при j > 250 А/см2 (в) Параметры шероховатости или пределы значений высот микронеровностей в секторах 1 и 2 могут служить основными морфологическими характеристиками структуры материала при трении. Видно (рис. 3, а), что высоты микронеровностей в секторе 1 находятся в интервале 10- 20 мкм. Высоты микронеровностей в секторе 2 находятся в более высоком интервале 18-72 мкм (рис. 3, б). Рис. 3. 3D-изображения поверхности скольжения образца (сталь Ст. 3) при скольжении с j > 250 А/см2: а - в секторе 1 и б - в секторе 2 Скольжение без электрического тока также сопровождается образованием секторов 1 и 2 на поверхности скольжения (рис. 4, а). Видно, что в таких условиях трения сектор 1 занимает основную долю номинальной площади. Пластическая деформация поверхности скольжения в секторе 1 осуществляется, в основном, благодаря пропахиванию, но следы адгезионного взаимодействия также присутствуют (рис. 4, б). Поверхность скольжения в секторе 2 (рис. 4, в) морфологически близка к поверхности, представленной на рис. 2, б. Рис. 4. Конфокальное изображение изношенной поверхности образца (сталь Ст. 3) при j = 0 А/см2: а - общий вид; б - сектор 1; в - сектор 2 Ранее отмечалось [17, 18], что удовлетворительные характеристики контакта проявляются в случае лёгкой релаксации напряжений путём пластических микросдвигов в окрестностях возникающих концентраторов напряжений, т.е. релаксация должна быть на микромасштабном уровне. Это условие выполняется эффективно, если релаксация напряжений происходит по механизму вязкого течения микрообъёмов или за счёт возникновения наноструктуры в поверхностном слое [19, 20]. Однако напряжения в наноструктуре релаксируются, как правило, с возникновением трещин, а не вязко. Поэтому первичная структура токосъёмного металла должна допускать вязкое пластическое течение в поверхностном слое, чтобы обеспечить низкие напряжения для локальных микросдвигов. Следует также задать низкие напряжения внешнего сдвига в пятнах контакта любой смазкой, например, вюститом (FeO), возникающим в зоне трения при окислении стали [21-23]. Можно предположить, что белый цвет сектора 1 при скольжении с током (рис. 2, а) указывает на отсутствие в нём FeO, который имеет чёрный цвет. Присутствие FeO на рентгенограмме (рис. 2, в) и черный цвет сектора 2 (рис. 2, б) указывает на присутствие вюстита FeO, в основном, в секторе 2. Следует учесть, что пластическая деформация за счёт пропахивания является релаксацией напряжений в зоне трения на макроуровне. Это вызывает ускоренный износ поверхности в секторе 1. Явление ускоренного износа сектора 1 наблюдается на тормозных колодках железнодорожных вагонов и автомобилей, а также в других узлах трения. В этих экстремальных условиях существует проблема образования FeO и его закрепления на поверхности скольжения. При отсутствии вюстита FeO контактное взаимодействие должно ослабеть в этом случае за счёт ускоренного разрушения поверхности в секторе 1 и основная нагрузка должна сместиться в сектор 2. Пятна контакта, несущие основную нагрузку, также должны находиться в секторе 2. Если релаксация напряжений в секторе 2 будет неудовлетворительной и вюстит FeO на поверхности будет отсутствовать, то должен проявляться тяжелый износ вследствие адгезии и пропахивания. Неспособность первичной структуры обеспечить легкую релаксацию напряжений и образование вюстита наблюдается при применении многокомпонентных и легированных материалов типа нержавеющей стали, интерметаллидов и т.п., а также при задании высоких нагрузочных параметров внешнего воздействия. Не исключено, что сектор 2 в этих случаях не может появиться в явном виде, как на рис. 1, б. Поэтому часто наблюдается сектор 1 при отсутствии сектора 2 [9-15, 23]. Высокая шероховатость поверхности в секторе 2 и отсутствие там явных признаков адгезии (рис. 3, б) указывают на ненаправленные интенсивные перемещения атомов и атомных групп разного масштаба. Кроме того, наблюдается плавление в секторе 2 вследствие пластической деформации при температуре ниже 400oC [24]. Подобное низкотемпературное плавление отмечалось также на других металлах [17, 18, 25]. Можно предположить, что атомы сектора 2 возбуждены сильнее атомов сектора 1. Тогда локальные импульсные градиенты температуры в секторе 2 должны быть выше, чем в секторе 1. Высокие импульсные локальные градиенты температуры должны вызвать появление высоких импульсных механических напряжений, которые релаксируют только за счёт высокой пластичности первичной структуры, где отсутствуют легирующие элементы, большое количество фаз и т.п. Подробное обсуждение этих аспектов выходит за пределы настоящей работы. Отметим только, что появление сектора 2 является одним из эффективных способов самоорганизации трибосистемы. Его отсутствие обычно сопровождается заметным износом [9-13, 21-23]. Не исключено, что сектор 2 легко появляется только под током и не во всех металлах. Электрический ток активирует адгезию, диффузию и другие процессы. При скольжении без тока (рис. 4, а, б) адгезия слабо активируется и вызывает лишь деформационное упрочнение, соответствующее приработке контактной поверхности. Тогда отсутствует необходимость самоорганизации трибосистемы, так как микрообъёмы в окрестности пятен контакта деформируются упруго. На это указывает отсутствие износа (рис. 1, в). В этом случае образование FeO и сектора 2 также слабо активировано, поэтому их присутствие слабо выражено и они не могут заметно влиять на контактное взаимодействие. Заключение Сухое скольжение модельного образца конструкционной стали по закаленной стали под воздействием электрического тока высокой плотности (более 250 А/см2) характеризуется следующими особенностями (пара трения сопряжена по схеме «pin-on-ring»): 1. Поверхность скольжения вполне чётко разделена на два сектора. Площади секторов являются сравнимыми для настоящих условий трения под током. 2. Сектор поверхности скольжения, направленный противоположно направлению движения контртела (фронтальный сектор), пластически деформируется благодаря пропахиванию микронеровностями контртела и адгезионному взаимодействию с ним. 3. Другой сектор (тыльный сектор) содержит признаки плавления, что является признаком легкой релаксации напряжений, снижающей износ. Признаки явного адгезионного разрушения этого сектора отсутствуют. 4. Контакт реализуется с удовлетворительной износостойкостью и электропроводностью, что обеспечивается низкотемпературным плавлением и присутствием FeO на стальных поверхностях. Визуальный анализ поверхности скольжения позволяет утверждать, что FeO расположен в тыльном секторе. 5. Шероховатость фронтального сектора заметно ниже шероховатости тыльного сектора. 6. Скольжение образца без электрического тока происходит с образованием аналогичных секторов, но площадь тыльного сектора заметно меньше площади фронтального сектора. Поверхность скольжения деформируется, в основном, благодаря пропахиванию микронеровностями контртела и адгезионному взаимодействию с ним.

Скачать электронную версию публикации