ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

 

Маленко П.И. (ТулГУ, г. Тула, РФ)

 

In clause the questions of maintenance superficial fault probability anti-wear of coverings and structural ways of decrease of effects superficial fault probability are considered.

 

Кинетика повреждаемости износостойких покрытий определяется реализацией процессов трещинообразования, которые основываются на двухстадийности эффектов разрыхления, заключающейся в зарождении и распространении трещин. Все модели зарождения трещин предполагают в качестве первого этапа поверхностного повреждения проявление микропластичности, предопределяемой физико-механическими свойствами кристаллита.

Любой высокопрочный материал покрытий является гетерогенным по своей структуре и содержит макродефекты (поры, включения других фаз, границы зерен) и элементы субструктурных несовершенств (дислокационные и вакансионные скопления различного уровня, полосы скольжения). Тип, геометрия, топография и плотность дефектов наследуются от технологий заключительных термических и механических обработок. В таком покрытии на основные механизмы поверхностного зарождения микротрещин при трении могут накладываться активирующие эффекты концентрации напряжений от макродефектов структуры, а также разупрочнение материала в результате физико-химического воздействия внешней среды. В первом случае при расчете напряжений разблокировки критических субструктурных скоплений для формирования зародыша трещины должна учитываться составляющая внутренних напряжений, во втором - снижение числа дефектов в критическом скоплении за счет уменьшения поверхностной энергии при адсорбции поверхностно-активных атомов или, как и в случае наличия внутренних напряжений, нивелирование критического напряжения разблокировки за счет уменьшения когезионной прочности кристалла [1].

Процессы формирования и развития трещины в общем случае требуют дополнительной затраты энергии трения на микропластическую деформацию. Запасаемая энергия на единицу длины дефекта  может быть определена как сумма . В случае, если материал имеет хрупкую природу и можно допустить, что трещина распространяется до близлежащего структурного макробарьера безэнергетически, а вся запасаемая энергия вкладывается на ее зарождение. Если значение  отлично от нуля, что характерно для квазихрупких тел с определенным уровнем микропластичности, предполагается дискретное удлинение трещины с шагом и частотой, соответствующим свойствам материала и характеристикам волнового внешнего поля.

Кинетически процессы поверхностной повреждаемости на начальных ее этапах определяются перемещением субструктурных дефектов, которые “запираются” на исходных макробарьерах и постепенно, по мере возрастания количества импульсов воздействия, накапливаются. При создании критической концентрации дефектов у стопоров происходит формирование направленной зародышевой трещины и ее последующее, при достижении неустойчивого состояния, развитие. Подобные структурные разрыхляющие процессы активируются растягивающими в плоскостях развития трещины внутренними напряжениями от микродефектов, а также наличием в структуре материала исходных активных субструктурных дефектов. Процессы разветвления трещин в области микроконтактов и их пересечение формируют характерную ячеистую структуру разрыхления квазидефектного поверхностного слоя.

Снижение уровня повреждаемости при трении может быть достигнуто или за счет увеличения напряжения формирования критического зародыша или торможения развивающейся закритической трещины.

Для торможения трещинообразования позитивными могут быть следующие физические и структурные изменения в материале покрытия: достижение оптимальной степени гетерогенности макродефектов в активном слое, нанесение покрытий с высокой поверхностной энергией и модулем упругости материала, выбор в качестве базовых кристаллических материалов с высоким числом систем скольжения и сильной их заблокированностью.

Необходимо учитывать два фактора возможного собственного торможения трещины, а также изменение ее траектории. Для торможения необходимо создавать технологическими способами протяженные устойчивые поля напряжений сжатия и трещины с затупленными вершинами, структурные барьеры макро- и микроскопического характера, предусматривать торможение трещин “перемыканием” с помощью других разориентированных трещин, с помощью мощных электрических и магнитных полей, принудительным разветвлением динамическими импульсами сжатия, направленными под острым углом к фронту внешних напряжений.

Перспективным представляется структурный путь блокировки распространяющихся трещин посредством формирования специальными предварительными технологическими методами неоднородной структуры по сечению покрытия [2], а также создания когерентных микровключений за счет развития эффектов произвольного в процессе трения старения материала.

Все указанные способы учитывают зависимость энергоемкости покрытия от скорости распространения трещины. При малых скоростях энергетические затраты на микропластичность в вершине трещины велики, с увеличением скорости они падают по меньшей мере пропорционально квадрату скорости. Продвижение “приторможенной” трещины требует нелинейного повышения амплитуды внешней волны напряжений.

Открываются дополнительные перспективы снижения повреждаемости управлением траекторий движения дефекта. В этом случае могут быть применены варианты стабилизации трассы трещины за счет создания статических упругих полей, изменения симметрии поля напряжений вокруг трещины за счет воздействия упругих волн и импульсов ударного характера, а также термоупругих полей напряжений. Эффективным является направление изменения траектории трещины вплоть до ее разворота в противоположном направлении или даже закручивания.

Особый интерес представляют вопросы нивелирования повреждаемости за счет создания оптимальной структурной гетерогенности, тормозящей зарождение и распространение трещины, а также приложением внешнего динамического поля периодического характера. Включение такого поля позволяет уменьшить уровень накопленной активным слоем энергии за счет релаксации деформаций и напряжений и возвращает систему на более низкий уровень повреждаемости.

Литература

1. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. – М.: Машиностроение, 1987. – 304 с.

2. Бурке Д. Обработка поверхности и надежность материалов. – М.: Мир, 1985. – 188 с.