автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование и механизм разрушения поверхностных слоев конструкционных углеводородистых сталей при трении скольжения в условиях термическог схватывания

4 19 0'

тульский ордена Трудового Красного Измени политахшческий инотитут

>

На правах рукописи

МЕЛЬНИЧЕНКО Николай Васильевич

фомробаш и мшниаш разрушения поверхностных слове конструвдюнных углеродистых стадь'й при трении сколшния В условиях тешищского сштыьанш

05.16.01 ~ Металловеданла и термическая обработка металлов 05.02.04 - Трение и-износ в иашша*

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических яаук

Тула - 1Э90

Работа выполнена в Тульском ордена Трудового Красного ¿шамзпи политехническом институте

Научнце руководители

Официальные оппоненты

¿еду иле предприятие

- кандидат технических наук, доцент Власов В.М.

- доктор технических наук, старший научяий сотрудник

Зозуля Р.Л.

- доктор технических наук, профессор Гордиенко Л. К.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Холодилов О.В.

- тульское ПО "Комбайновый закод"

12

.1590 г. в

/4

час.

оашиа состоится в З-ы корпусе, суд. 101 на заседании специализиро-

ванного совета К 063.47.02 Тульского политехнического института. 30С600, г. Тула, проспект Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского политехнического института.

Автореферат разослан

"Л.".

10

1990 Г.

Ученый секретарь ^—^

специализированного совета ^ ^ Годчаренко И.Д.

^штои? - т _

I

I,/»/ ^крздьность проблемы. Одна из первостепенных задач маши- ■ ^ш??р!Мния - повышение надежности и долговечности машин и ме-Схватывание металлов является наиболее распоетранел-*" <пасшлм видом изнашивания в локальних приповерхностных

объемах, что приводит к структурным изменениям в них и катастрофическому разрушения трибосопрлжения.

й исследованиях со^тских и зарубежных учених приводятся объяснения э^екта схватывания, сформулированы и получили развитие различные гипотезы, описывающие его природу. Однако, кинетика структурообразования и разрушения поверхностных слоев конструкционных углеродистых сталей, а также физическая сущность явлений, происходящих при схватывании, остаются еще предметом г-1 тельного изучения. Сложность происходяших процессов требует привлечения физических методов структурного анализа, которые позволили бы избирательно контролировать процессы на поверхности трур'ихся материалов на микроструктурном уровне. Успешное речение этих вопросов позволит наметить пути снижения триботехнкчеокой повреждаемости сталей при трении скольжения и повышения долговечности узлов трения мякин. По отой причине установление обцих закономерностей разрушения поверхностных ^лоев конструкционных углеродистых сталей при схватывании является актуальной задачей и имеет важное научное и прикладное народнохозяйственное значение.

Работа внполнена по планам Тульского политехнического института в соответствии с ре пеннем ВПК и постановления Совета министров СССР £ 250 от 20.07.г. и является состовной частьв ■ теми "Исследование, разработка прогрессивных технологий, улуч-гнтих технологичность и погышавцих живучесть деталей автоматических машин" /№ гос.пег. ОГЯСОЗЧ4Ю/. «

^втоо заштопает.

1. Результаты экспериментальных исследований формирования • поверхностных слоев инструкционных углеродистых сталей в условиях термического схватывания.

2. Результаты экспериментально установленных закономерностей когезионкого разрушения поверхностных слоев стале'й при трении скольтания в режиме термического схватывания.

- ц _

3. Методику дичгностики' процессов когезионного разрушения структур поверхностных «лоев сталей но основе анализа амплиту-дно-чтстотнсго спектра акустического излучения.

4. Разработанные критерии оценки когсзионной прочности динамических структур поверхисотннх слоев сталей.

Исслгдовчнные способы повышения ксгезионной прочности псссст:;1:г. се? ртплрй.

~ ссздание износостойких структур поверхностных слоев конструкционных углеродистых сталей на основе изучения закономерностей структурообразования к механизмов их раз-русения при термическом схватывании в процессе трения.

_иетгодика_иссле_довпний. При изучении структуры и свойств поверхностно слоев сталей и покрытий использованы металлографический, олектронномикроскопический и рентгеноструктур-ный методы.. Гриботохнические характеристики исследованных сталей определяли на стандартных и разработанных автором установках. ГЬрчмстпы процессов тсрмичссксгс схввп.'есния изучали на основе разработанной методики для анализа -мплитудко-частотно-го спектра акустического излучения (АИ\ Кинетику процессов разрувёния оценилтлк по изменению характеристик АЯ, Оптимизацию результатов и расчетов осушествляли на ПоВМ Нейрон И9.66-01 с применением спеиипльных программ.

Научная новизна, I. Предложены механизмы когезионного раз-руиения поверхностных слоев сталей при трении скольжения в условиях термического схватывания.

2. Предложены и нэучно обоснованы критерии оценки когези-онной прочности динамических поверхностных структур сталей при изнашивпнии в режиме схватывания.

3. Разработано и обоснована методика диагностики разрушения поверхностен трения по когезнонному механизму, позволяющая устанавливать ренины трения скольжения и оценивать кинетику- из-нагсивания с учетом различных сочетаний размерных групп мостиков сварки.

Н. Установлено соответствие меиду кинетикой когезионного рчзруЕения и типом исходных структур сталей.

Практическая_иеннооть_и_£еэлизация_£ез^л_ьтатов. Результаты исследования использованы при разработке рекомендаций по'термов

диффузионной импульсной и химико-термической упрочнявшей oOpi-ботке конструкционных сталей, направленных на увеличение срока службы узлов трения машин специального назначения. Созданы методика и установка акустического контроля разрушения поверхностных слоев сталей по когезионному механизму. Способ определения величин^ износа диффузионной зоны никотрировашшх сталей защитен авторским свидетельством № I5II633. Внедрен метод контроля, позволявший значительно снизить трудоемкость исгштиниА на трение и изнашивание. Рекомендации по применению упрочнявших технология поверхностей трения никотрированием внедрены на Тульском машшостроительном заводе им. Рябикова с окономичес-ким эффектом около 33 тыс. руб.

Апробация работы. Результата диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции "Износ в машинах и методы защити от него" (г. 1рянск, 1965 г.). Всесоюзной научно-практической конференции "Теория и практика создания, испытания и аксплуаташш триботехнических систем" (г. Андропов, 1986 г.Ч X Всесоюзном симпозиуме по механоэмис-сии и механехимии -твердых тел (г. Ростов-на-Дону, iy?.6 г.), III Московской научно-технической конференции "Триботехника-машиностроению" (г. Ивантеевка, Московской обл., 1937 г. \ Всесоюзной научнез-технической конференции "Конструктивно-технологические методи повышения надежности и их стандартизация" (г. Тула, 1988 г.\ конференции "Триботехника и надежность инструментальных и конструкционных материалов" (г. Киев, I9B8 г.\ на У1 и УН Всесоюзных совещаниях го взаимодействии между дислокациями и атомами примесей и своРстввми сплавов (г. 1985, I9BB гг.\ на ХУИ и ХУ1П областных научно-технических конференциях Сг. Т>ла, 19П7, I9B9 гг.4, на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава 7ульского политехнического института {19яб-19в9 гг.\

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, получено авторское свидетельство на изобретение.

^щкт^2'л_и_объем_^абота. Диссертационная работа состоит из 5-ти. разделов, общих выводов и приложения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и

- б -

7 таблиц. Список использованной литературу включает 103 наименования.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ ЛИССЕРТАЦЙИ

Процессы термического схватывания зависят от многих технологических и эксплуатационных факторов. В литературе отсут-имг^еЛ п механизмах структурообразования

и кинетике разрушения поверхностных слоев отелей в связи с различными условиями трения.

На основании проведенного анализа сформулированы следуй-цие задачи исследования:

1. Изучить закономерности структурообразования и механизмы разрушения поверхностушх слоев конструкционных углеродистых сталей, изнашиваемых без смазочного материала в условиях термического схватывания.

2. Разработать » обосновать методику диагностики процессов когсзиоиного разрушения поверхностных слоев сталей, основанную на анализе акустического излучения.

3. Разработать критерии оценки когезионной прочности динамических поверхностных структур сталей изнашиваемых при трении скольжения в режиме термического схватывания.

Ц. Обосновать структурные направления повышения когезионной прочности конструкционных сталей для условий трения скольжения.

В качестве материалов для исследований использовали углеродистые стали 15, 30, 45, 60, У8А, в том числе с хромированным, борированным и никотрированнам покрытиями. В качестве модельного материала использовали армко-келезо. Стали подвергали отжигу, нормализации и закалке с последующим низким, средним или высоким отпуском. Поверхностное упрочнение ряда образцов осуществляли алектрогидроиипульсной обработкой.

Триботехнические характеристики материалов исследовали в лабораторных условиях на машине трения 20-70 СМТ-1, а также специальных установках в интервале скоростей трения скольке-ния 0,8-6 и/си контактных давлениях до ^ М^а по схеме трения "штифт-иайба". Коэффициент перекрития состовляд 0,05.

Для оценки влияния длительности изнашивания на процессы структуросбразовария и разрушения поверхностных слоев сталей при нагрузках до 15 МПа экспериме'нтн проводили на машинах

- 7 -

различных марок для сварки металлов трением.

Процессы термического схватывания исследовали с помощью метода АН и трибометрирования.

Определе нив средней температуры не поверхности трения проводили с помощью хромель-алюмелевых микротермопар с диаметром электродов 0,2 мм, зччеканиваемых в специально изготовленные образцы. эффективные значения температуры трения и температурных вспышек определяли по известным расчетным методикам.

Микроструктуру поверхностных слоев изнашиваемых материалов исследовали на оптических микроскопах НПОЗОТ, МиМ-9 и электронном микроскопе СМ-200 на репликах. Измерение микротвердости проводили на приборе ПМТ-3. Средний размер фрагментов со вторичными структурами и когезионными вирывами на поверхности трения оценивали с помомыз метода случайных секущих и на приборе ЗГСНК-ВАНТ. Степень дефектности кристаллического строения, фазовый анализ структуры поверхностных трибослоев и продуктов износа расчитывали на основе данных дифрчктометра ДРОН-2.

Разработанная методика определения длительности упругих импульсов, отрадаюгих рпзрунение локальных микрообъемов поверхностного слоя сталей по когезионнсму механизму, основана на регистрации амплитудно-частотной характеристики сигналов АН и следуо-ших основных предположениях. Частотное положение максимумов спектральной плотности АИ соизмеримо с длительностью процессов разрушения мостиков сварки, Г=1/>'. '/нформяцию о длительности упругого импульса несет передний фронт затухавшей синусомдальноп кривой. Амплитуда максимумов отражает энергию разрушения мостиков сварки с учетом их количества. •

Для приема-и обработки сигналов АН создан измерительный комплекс с характеристиками: • диапазон анализируемых частот- 0,05300 кГц, чувствительность по входу предусилителя - 3 мкВ, коэффициент усиления до 100 дЕ, динамический диапазон - 40 дЕ. 3 состав комплекса входят: пьезоэлектрический датчик, предварительный усилитель, блок широкополосных фильтров, блок узкополосных фильтров, два Слака переработки и коммутации информации, два осциллографа, усилитель отфильтрованного сигнала с выходом на регистрирующую аппаратуру, широкополосный генератор Г>Г22.

Пьезодатчики АЗЗ - 017.2 и П - ИЗ - (0,02 - 0,^ с линеП-ной чувствительностью первого до 20 кГц, второго - 20 ~ 200 кГц,

механическим способом закреплялись на неподвижном образце. Возникавшие в процессе трения упругие импульсы с помощью датчиков преобразовывались в электрический сигнал, усиливались предварительным усилителем, группировали«, по длительности блоками фильтров и с помокью кногофункциончльных блоков передавались на осциллогр-.njH, i K¿ рсгпстрир0?<>л»^ь на экранах в виде амплитудно-частотных характеристик. С помогсыо вирокополосаого блока производился предварительный анализ амплитудно-частотной характеристики сигналов АН, а узкополосный блок позволял уточнять диапазон частот расположения максимумов спектральной плотности излучения.

Установлено, что яря кегегкокнеи разруссн;:'.! сталей в процессе изнашивания формируется, как правило, 3 пика в районе частот О, W и 200 кГц (рис. Г.

Равномерности формирования, поверхностных слоев исследуемых сталей зависят от характера приложения нагрузки. При импульсном взаимодействии трущихся поверхностей и высоких контактных нагрузках происходит образование трех структурных зон по глубине тоибослоя Грис. 2\ Поверхностная слое (зона I4 представляет собой высокодисперсную структуру с фрагментарными образованиями мартенсита ^Мфр^ по его внешней границе. Нике распо-логпются слои со структурой рекристаллизации (зона IIs и с высокой степенью наклепа (зона III4. ?она I характеризуется наиболее высокой микротвердостьо (Н0), но наимсньвим искажением кристаллической речетки. (да/а\ В зоне II отмечается резкое уменьиение Н„- и возростание Да/а - характеристик. 2ти анэма-лии могут быть связаны с протеканием в зоне эффектов активного трешинообразования. Наибольшая степень дефектности структуры на границе рекристпллизованной и наклепанной зон подтверждается характером изменения физической ширины линии/^20' ^икрот-рещины в стыке зон II и III имеют высокую склонность к распо-птранению и, в поеледупщем, смыкаясь между собой, образуют магистральную трепину, что приводит к катастрофическому разрушении! поверхности трения.

Трехзорное строение трибослоя наиболее рельефно проявляется при нагрузке 10 МПа и длительности изнашивания 0,5 с. Нормирующаяся высокая плотность микротрещин длиной до 100 мкм сопровождается интенсивным АН в звуковой области частот с максимумом спектральной плотности на Частоте ~8 кГц. Все отмеченные

Ли,

мВ

Ж

А

40

200

v|

. »ли»

>Ш> кГч

Pitc. I. Амплитудно-частотная характеристика сигнала Ail при когезпонном разрушении иоведоюстк трения сталей в условиях термического схнатизлния

21

fi, мл рад

17

15 13 •

/С / | \ V 1

/ л А (И1 \>Сч!

-У \L/ M^ns.

Зона maeviiP"' ■ иорфазожния |

■в.:',-¡Г.-'. /7 л

: В':.;'»- ■■ \ SI

2,869

о

¿7, А

2,867

2,863 2,865

7

На-Ю~

5

4 3

0 0,5 1,0 1,5

Глубина трибослоя, мм

Рис.2. Изменение характеристик структуры трибослоя стали 40 при режимах изнашивания: V = 2 м/с, Р = 10 ;.Ша; Т. п - 0,5 с.

закономерности проявляется при длительности импульсного взаимодействия трущихся поверхностей менее I с. При увеличении времени взаимодействия процессы тепловыделения в трибослое интенсифицируются, структуры выравнивается по свойствам и граница между эонэми не обнаруживается,

В условиях стационарного изнашивания поверхностей трения пр;; сгссроетг: скольжения 2-4 м/с и давлении 0,2-2 МПа (коэффициент перекрытия 0,0происходит локализация структурных превращений в поверхностных слоях сталей по сравнению с импульсным нэгружениеи. При этом размер фактических площадок контактирования (Шч уменьшается. Б микрообъемях поверхностного слоя вместо структурных зон Т и II формируется вторичная однородная по строению динамическая структура, имеющая четко выраженную границу раздела с нимлеллиим наклепанным слоем. Глубина зон мо»ет достигать 20 мкм. Размеры фрагментарных динамических структур и когезионных вырывов соответствуют размерам ФПК. Когда в поверхностных микрообъемах ФПК контртела не создаются условия для образования мостиков сварки на поверхности трения образна локально формируется "белые слои" (ЕС^. Толщина их практически не зависит от содержания углерода. С понижением концентрации последнего воэростяет толщина слоя повышенной травимом и, образующегося под ЕС, который на армко->елезе достигает максимального значения - 3 мкм. Формирование его может быть связано с диффузионными процессами в ГС.

Размер <?ПК зависит от режимов изнашивания (рис. и увеличивается с повышением средней температуры на поверхности трения и ростом пластичности приповерхностных объемов металла. С повышением контактной нагрузки размеры зон ЕС распределяются в несколько размерных групп. В пределах каждой группы длина ЕС распределена по нормальному закону. Средний размер длины ЕС состов-ляет 2, 8, 26 мкм при глубине соответственно I, 5, 15 мкм. С увеличением углерода в стали, имевшей исходные пластинчатые структуры, размеры ЕС уменьшаются, однако, суммарная их площадь возрос-тает. Данный аффект может быть объяснен в связи с реализуемым «£—¡Г превращением-б поверхностных микрообъемах локальных бон в результате действия температурных вспышек и увеличением плотнос-- ти центров зарождения аустенита.

При изнашивании предварительно закаленных сталей длина зон

2 2,5 3 , м/с 4 О - "белые сло:1", 9 - зони кратеров

Рис. 3. Диаграмма формирования зон с "белыми слояш" и кого-знонннми вырыва-,Е1 при различных pe'iir.tax изнашивания сталей.

SàpaT ' (San <5-— (3 см

а) образование полос б) сиена действия в) дейстг/э упругих р сколккелия напрялешй _ сил

■>упр

г) формирование трещинн д) вирып дефект- е) частичное или иол-отрыва них ¡.шкрообъемов ное залечивание кзнгцн

Рис. 4. Схема образования когезионного кратера в поверхностных микрообъемах 'ЖЖ конструкционных углеродистых сталей

с 1С увеличивается, а толщина их уменьшается в среднем на 20 % по сравнение с отожзюнными и нормализованными структурами. Lto связано с более низкими пластическими свойствами отпущенной в процессе разогрева при трении- структурой.

Применение в качестве материала контртела борированного и никотрированного покрытий показало, что после изнашивания на поверхности трения стальных образцов длина ЕС значительно (до 2 раз4 возростает, происходит выглаживание поверхности. При отом глубина ЕС не превышает 2 мкм. Ког<р в качестве контртела используется сталь с покрытием хромом, то процессы термического схватывания протекают в области режимов практически идентичных случав изнашивания пари трения на основе сталей.

Установлено, что когезионние механизмы повреждаемости реализуется при режимам трения скольжения: У= 2,5-3,5 м/с, Р = 0,2-2 МПа (рис. и могут проявляться в трех формах. I) При невысокой когезионной прочности микрообъемов структуры на границе высокодисrieрсной зоны и слоя о наклепанной структурой повреждаемость происходит в результате удаления поверхностных микрообъ-емов *РН з°, счет роста магиг.тртльной треиины при однократном приложении нагрузки. 2N Рели когезионная прочность указанной границы- превышает контактные напряжения в зоне микросгарки на 1ПК, то кратер формируется путей постепенного охрупчивания дефектных микрообъемов и их удаления при, многократном приложении нагрузки. 3) Возможно так»е развитие подслойнои трещины по границе структур, наследственно трансформирующихся в FC.

Исследованы этапы когезионной повреждаемости сталей, обусловленные треиинообразованием, Образование мостиков сварки в зонах контактирования способствует концентрации напряжений в поверхностных микрообъемах ФПК и формировании в них полос скольжения высокой плотности (рис. í( - фаза А). На глубине действия наибольших касательных напряжений позади мостика сварки происходит переход от сжимающих напряжений dcw к растягивающим брлс (фазы Б и В\ а в самой зоне повышается плотность микротреиин преимущественно вдоль деформационных полос скольжения. Под действием упругих напряжений поверхности трзния размыкаются (фаза Г\ граничная трещина развивается, изменяет свою траекторию и выходит на поверхность, формируя кратер (фаза Д\ Удаляемый дефект-

ный микрообъем может дополнительно окисляться, что подтверждается исследованиями продуктов износа. В последних содержатся преимущественно окислы типа Fe^O^. Повышенная пластичность поверхностных слоев при средней температуре выше 500°С приводит к"залсчмванив" кратеров (фаза Е\

Кинетику когезионного разрушения сталей исследовали на основе анализа формирующихся максимумов спектральной плотности А.И. По форме максимумы описываются кривой нормального распределения при ширине полосы частот не более 10 кГц. В начале проце-, сса изнашивания при коэффициенте перекрытия 0,05 интенсивное Ait регистрируется s области частот 150-200 кГц, что отражает длину разрушаемых мостиков сварки,2 мкм. Амплитуда этого максимума имеет наибольшее значение при Р = 0,6 МПэ. Одновременно формируется пик в области частот 30 -60 кГц 0. ~ S-I3 мкм\ максимум егс амплитуды зарегистрирован при Р = I filia. Дальнейшее nonutre-Hi'e давления в контакте приводит к пони лепя амплитуды максимумов в ультразвуковом и формировании максимума в звуковом частотном диапазоне (L ~ 26-30 мкм\ Максимальное значение амплитуды этого пика наблюдается при Р = 1,2 МПа. При да?ьнейкем увеличении давления интенсивность ЛИ умен».ищется, п при Р = 2 Г-'Па максимумы проявляются только в начале процесса трения. Амплитуд-1 эсех пиков повышается с увеличением содержания углерода в дозв-тектоидных сталях, что предопределяется структурной природой эффектов термического схватывания. По этой причине зернистая структуре улучшенной отяли УРА менее склонна к образованию мостиков сварки, так как плотность центров зарождения аус'тенита при — У переходе значительно iresc, чем в сталях с пластинчатыми структурам«. Амплитуду максимумов АИ для зернистых структур высскоуглсродистых сталей можно сравнить с амплитудой излу- ■ чения для стали 15. Показано, что плотность когезиопннх кратеров связана с характеристиками амплитудного распределения ЛИ.

изнак!1вание закаленных сталей после различных видов отпуска показало, что наибольшей склонностью к схватыванию обладает • структура сорбита с дисперсностью фазовых состовлякших ~0,15 мкм. При этом, амплитуда максимумов ЛИ по сравнению с отожженными сталями повышается на 30 %, а расположение максимумов спектральной плотности закономерно смещается в более низкие частотные диапазоны, соответственно 20 - 30 и 6-8 кГц. .Что можно объяснить

падением пластических свойств отпущенных структур.

Установлен циклический характер процессов повреждаемости. Длительность цикла при отом измеряется секундами при Р < I МПа и минутами при болыгем давлении. Показало, что размер Т-ПК не однозначно влияет на когезионную повреждаемость. Обнаружено, что в разрушении мостиков сварки различной длины в процессе трения гуоествует сложная закономерность. Со отом свидетельствует изменение величины соответствующих максимумов АН, которые проявляются, как правило, в противогазе.

Технологическая обработка поверхностных слоев сталей, связанная с созданием особых структур за счет слсктрогидроимпульс-ной обработки и формирования гетерогенных систем при никотриро-взнии в значительной степени изменяет условия для формирования мостиков сварки. При жестких режимах электрогидроимпульсноИ обработки, когда образуется высокая плотность дислокаций в виде "леса", амплитуда максимумов А1< в 2 раза ниже, чем у сталей изнашиваемых в отокгенном состоянии. Существенно,■ что это различие проявляется в нзиоолькей степени при более высоких контактных нагрузках - 2-4 МПа, Создание гетерогенных структур в диффузионных зонах никотгнровэнных покрытий с объемной плотность» мелких частиц 0,03-0,05 мкм от 40 до 60 % затормаживает, пови-димому, процесс формирования мостиков сварки и ряспострзнение кратерной магистральной трещины. Комики сварки начинают формироваться с начала изнокквания диффузионно» зоны, причем их размер плавно увеличивается до " мкм (а.с. & 15П633\ а плотность воэроетагт, о чем свидетельствует повышение интенсивности АИ. Когезионная повреждаемость в локальных зонах имеет место при Р = 1,2 - 2,8 МПа.

тля оценки триботехнкческих свойств поверхностных слоев исследуемых сталей предложен безразмерный ^ - параметр, нормирующий когозионную динамическую прочность поверхностных микрообъемов ?ПК. Гго определяли через соотношение критического сдвигового напряжения Тм и контактных напряжений ^ • При отом Тсм Г*ог - когезионная состсвлякжая силы

трения, определяемая по изменению величины гармоники момента сил трения; - площадь коггэионных кратеров. Контактные- напряжения рассчитывали из .соотношения давления Р и суммарной »лопари когозионных краторов и фрагментов ГС Сзл ~ Р/(5е + .$,гс).

Параметр когезионноЛ прочности для заданных режимов изнашивания зависит от содержания углерода в стали, степени субст-рукгурного упрочнения поверхностного слоя сталей, а также характеристик гетерогенности. Наибольшее значение f - параметра для термообрзботатшх по различным режимам сталей получено при Р 1,2 МПа, что соответствует средней расчетной температуре поверхности трения ~ 250°С. Упрочнение термообработкой на мартенсит отпуска обусловливает повышение ^ до 2 раз по сравнению с отожженными сталями.

Высокоонергетическая импульсная термодиффузионная обработка сталей смещает критические значения контактных давлений до 2,8 МПа. ¿то объясняется тем, что при термосиловом воздействии кристаллическая решетка предельно искажается, блоки тонкой структуры измельчается, а также значительна до 3 х ем-'", вшаается плотность дислокаций. Величина Увеличивается до 3,8. Образувшиеся субструктури имеет специфическое неблочное строение, что препятствует локализации деформаций и тормозит процесс формирования иикрогрецин.

Образование высокодисперсных структур с размерами частиц второй фазы менее 0,05 мкм предотвращает развитие процессов схватывания вследствие торможения фазы роста микротресшн. Пра плотности частиц менее % когезмонная повреждаемость .активируется и проявляется в сильной степени при " - 2 МПа.

Предложен вариант определения - ¡г-р^ет-а по данным амплитудного анализа ЛИ. V - 1 гДе ¿ан - амплитуда на-ибольиего максимума спектральной плотности АН, К - эмпирический коэффициент, равный 1-1,3. Большие его значения соответствуй! максимумам Ай в ультразвуковой области частот.

Характерно, что значение когезионной прочности поверхностного слоя сталей до 7 раз пике прочности стали используемой обычно в триботехнических расчетах. Это связано с выявленными эффектами разупрочнения по границам между динамическими структурами с различной степенью наклепа. Активированию разрушения поверхностного слоя в зонах §ПК способствует также изменение реальных прочностных' свойств самой матрицы в динамической структуре, которые наиболее сильно сказываются при средней температуре поверхности трения ~250°С.

Когезионная прочность поверхностных слоев исследуемых ста-

лей. при создании специфических дислокационных, построений или гетерогенных структур повышается по сравнению с отожженными до 2 раз. Производственные иопитания никотрированных деталей из стали Э8ХНЗМФА показали повышение ресурса узлов трения в два раза по сравнению о традиционным хромированием.

ВЫВОДЫ

I. В условиях стационарного изнашивания конструкционных углеродистых сталей с различными исходными структурами определена область давлений в контакте и скоростей в которой разрушение поверхностных слоев реализуется по когезионному механизму. Эта область ограничена значениями: Р = 0,2 - 2 МПа, V^ 3 м/с.

'2. Для определения длины когазионных вырывов разработана методика, основанная на анализе длительности удругих импульсов порожденных релаксацией напряжений в результате разрушения мостиков сварки. Установлена корреляция меаду интенсивностью изнашивания сталей по когезионному механизму и характеристиками плотности амплитудного распределения акустического излучения. Показано количественное соответствие частотной характеристики формирующихся максимумов и длиной разрушаемых мостиков сварки.

3. Установлен немонотонный ступенчатый характер изменения .размеров мостиков сварки, формирующихся на поверхности трения сталей е процессе изнашивания при повышении нагрузки, Распределение дайны мостиков сварки в пределах каадой размерной группы'соответствует нормаланому закону.

4. Ь зависимости от уровня когезионной прочности сталей в зонах контактирования трущихся поверхностей возможно . формирование трех типов структур; белых слоев, высокодисперс-

. ных структур и окислов типа ГвдО^, имеющих выраженные границы с нижелекащей наклепанной структурой.

5. Установлены три формы когезионной повревдаемости сталай: •выкраяшвание поверхностных микрообъемов вторичных закаленных

структур вдоль границы о наклепанным слоем; охрупчивание и последующе? скалывание дефектных' микрообъеиов этой структуры; вырыв поверхностна* микрообъемов в процессе роста магистральной трешинн. Tton разрушения поверхностного слоя предопределяется когезионной прочностью гетерофазных микрообъемов сталей и вида субструктуры, формирующейся в активном слое в процессе трения.

6. Разработана кинетическая схема формирования когезионных кратеров в условиях схватывания сталей. Обнаружена следующая последовательность процессов: концентрация напряжений в поверхностных микрообъемах ^ГГК, повышение плотности полос скольжения в интенсивно деформированных объемах металла, циклическая смена знака и уровня напряжений'на границе структурных зон, образование трещины отрыва в зонах с наибольшими касательными напряжениями.

7. Предложен критерий оценивающий когеэионнув прочность поверхностных слоев сталей в процессе трения скольжения, определяемый на основе данных по когезионной состовляющей момента сил трения или амплитуде акустического излучения. На его основе проведена оценка различных структур сталей по их склонности к схватыванию.

8. Показано, что когезионную прочность поверхностных слоев сталей можно повысить путем задержки стадии зарождения трещин за счет формирования дислокационных построений в форме "леса" олектрогидроимпулъсной обработкой, а также уменьшения скорости роста треиины «а стадии ее раскрытия посредством создания никот-рированиеи высокогетерогенных структур с дисперсными частицами менее 0,С5 мкм.

9. В условиях импульсного взаимодействия труиихся стальных поверхностей при высоких контактных нагрузках, когда формируют-? • ся мостики сварки болзе 100 мкм в длину, процессы схватЛания могут приводить к формированию по глубине изнашиваемого поверх-костного слоя трех структурных зон: верхнего слоя внсокодиспер-сной структуры с фрагментарными включениями нартеипита по внешней границе и ниже расположениями слоями рекристаллизованной структуры и структуры с высокой степенью наклепа. Наибольшая степень дефактности пи границе зон с рекристаллизованной и наклепанной структурами способствует трешинообразованию и катастрофическому разрушению поверхностей трения деталей машин.

10. Разработаны рекомендации по применению упрочняющих технологии поверхностных слоев ряда деталек машпроизводства, изготовленных из конструкционных сталей.

1. Власов в.м., Мельниченко Н.В. Исследование белых зон на поверхности трения конструкционных сталей // Роль. дефектов кристаллической решетки в процессе структурообразования. -Тула: ТулШ, 1989. - с. I57-I6I.

2. Мельниченко Н.Е., Денисов П.П., Боеводин A.A., Спасский С.С. Установка для измерения акустического излучения от взаимодействия трущихся поверхностей // Дислокационная структура в металлах и сплавах ;i методы ее исследования. - Тула: ТулПИ, 1987, - с. 172-175. .

3. Мельниченко Н.В., Власов Ь.М. Контроль методом акустической эмиссии процессов схватывания при сварке трением // Техническая диагностика а неразрушавщий контроль. 1989, J£ I, о, 56-58.

4. Власов ЕЛ.;., Мельниченко Ь'.Б., Рейзер B.C. Диагностика методом акустической эмиссии процессов разрушения мостиков

' схватывания при трении сталей без смазочного материала // Трение и износ. 1989, Т. 10, с. 257-261.

5. Ьласов b.ii., Ьаиана H.H., ¿Мельниченко H.i>. Повышение долговечности деталей конструкционных сталей путем нпкотркро-вания // Конструктивно-технологические методы повшеняя надежности и их стандартизация: Тез. докл. Ьсесоизн. конф. - Тула, 1988. - ч. I - с. 54.

6. Мельниченко Н.Ь., Рекзер S.C. Структурные превращения в поверхностных слоях сталей при динамическом схватывании // Механизмы упрочнения и свойств металлов. - Тула; ТулПИ, 1988. с. 168-173.

7. Способ определения величины износа пары трения. A.C. а 1511633, кл. G Ol II 3/56, IS89 / ¡Власов Ь.йл., шельяиченко Н.В. - 2 с: ил.

ПУБЛШШ ПО РАБОТЕ