автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Структурные изменения в металлических материалах в условиях адгезионного трения

На правах рукописи

ТАРАСОВ СЕРГЕИ ЮЛЬЕВИЧ

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ В УСЛОВИЯХ АДГЕЗИОННОГО ТРЕНИЯ

(специальность 05.02.01 - материаловедение в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск- 2008

ООЗДЬаичо

003453043

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН и ГОУ ВПО Томском политехническом университете

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

доцент A.B. Колубаев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.А. Батаев

доктор физико-математических наук,

профессор

Д.Л. Мерсон

доктор технических наук O.A. Кашин

Ведущая организация: ГОУ ВПО Алтайский государственный

технический университет им. И.И. Ползунова

Защита состоится "-/У " /¿¿^/¿¡/Л 2008г. в часов на заседании диссертационного совета Д обз.038^02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г.Томск, просп. Академический, 2/4,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор ^ ^ Данилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одной из самых важных тенденций развития машиностроения является снижение материалоемкости машин и механизмов. Уменьшение размеров и массы изделий приводит к необходимости передачи более высоких контактных напряжений и мощностей, что приводит к быстрому изменению свойств и структуры материала, особенно в случае трения. Большое разнообразие сложных физико-химических процессов, одновременно протекающих на поверхностях трашя, затрудняет построение единого подхода к описанию процесса изнашивания трущихся тел. Поэтому в литературе обычно ограничиваются общей классификацией известных механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением характера каждого отдельного механизма. Диссертация посвящена исследованию структурных изменений в поверхностных слоях металлических материалов с различной исходной структурой в процессе трения и изнашивания, главными действующими факторами которого являются деформация, фрикционный нагрев и адгезионное взаимодействие. В ходе работы были получены результаты, которые могу г быть использованы при разработке физических моделей процесса, выборе материалов пар трения, диагностике ресурса несущей способности материала и оптимизации состава смазочных композиций.

Актуальность темы диссертации. Трение и изнашивание материала в условиях адгезии является сложным многофакторным видом нагружения, в результате которого в поверхностных слоях материалов происходят изменения, непосредственно связанные с образованием сильнодеформированного, фрагменти-ровашюго поверхностного слоя и переходом от нормального механизма изнашивания к катастрофическому. Катастрофическое изнашивание можно охарактеризовать как резкое и необратимое увеличение масштаба разрушения в поверхностных слоях образца, сопоставимое с размерами самого образца. С практической точки зрения важной и актуальной задачей является как прогнозирование этого перехода, так и выработка методов по его предотвращению путем перевода процесса на докритический микроскопический масштаб. В связи с этим изучение развития фрагментировапной структуры и ее влияния на разрушение поверхностного слоя твердого тела (изнашивание) при трении является важной научной и практической задачей. Представленные в диссертации результаты исследований актуальны также вследствие того, что посвящены и связаны с проблемами материаловедения и физической мезомеханики как научного направления Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

Связь с крупными мучными программами. Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетной НИР, включенным в программу СО РАН но приоритетному направлению "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий", проектом 8.1.2 «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимосвязи и корреляции процессов локализации деформации на мезо- и макроуровнях в структурно-неоднородных материалах и конструкциях с концентраторами напряжений и принципы построения критериев предельных состояний для них» Программы фундаментальных исследований СО РАН на 2004-2006 гг., раздел «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях», проектом 3.6.1.2 «Экспериментальная и теопетичс,-.

екая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации структурно-неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценки прочности, износостойкости и долговечности материалов и конструкций» Программы 3.6.1 фундаментальных исследований СО РАН на 2007-2009 гг., раздел «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях», грантом РФФИ №06-08-00775а и международным DOE IPP проектом DE-AC36 99G010337 по разработке и поиску применений наноразмерных материалов.

Цели и задачи исследования. Основная цель этой работы: разработать научно-обоснованные критерии устойчивости материалов к изнашиванию и изучить особенности формирования структуры металлических материалов, их физико-механических и трибологических свойств в различных условиях трения и изнашивания.

Объект и предмет исследования. Объектами исследований являются металлы, сплавы, стали, композиционные материалы и диффузионные покрытия. Выбор объектов исследования диктовался практическими и методологическими целями. Предметом исследований является процесс адгезионного трения и изнашивания этих материалов.

Структурные изменения в поверхностных слоях твердых тел при трении в условиях, близких к схватыванию заключаются в образовании особого поверхностного слоя, структура которого сильно измельчена под действием деформации, перемешивания и генерируемого трением тепла. Обычно образование такого слоя связывается главным образом с переносом и перемешиванием фрагментов и частиц износа на поверхности. Таким образом, по общепринятому мнению формирование слоя идет постепенно и не связано с изменением масштабного фактора. В наших работах было установлено, что этот процесс может происходить за очень короткое время в виде сдвига одной части материала относительно другой, т.е. за счет потери сдвиговой устойчивости поверхностного слоя материала в условиях усиления адгезионной составляющей трения. На основании имеющихся предварительных результатов и с учетом литературных данных были сделаны предположения о том, что в процессе адгезионного изнашивания локализация деформации может приводить к локальной потере сопротивления материала к сдвигу и быстрому образованию и переносу сильнодеформированного материала с повышенной адгезионной активностью. Поскольку механизм деформации материала в наноструктурном состоянии отличается от механизма деформирования поликристалла, то должны различаться и механизмы изнашивания. При изменении условий трения происходит переход от режима накопления дефектов к режиму адгезионного изнашивания на более высоком масштабном уровне. Методом легирования зоны трения можно вновь привести систему на низкий масштабный уровень, создав защитную пленку с низкой адгезионной активностью. В процессе дальнейших исследований эта гипотеза была экспериментально подтверждена.

Методология и методы проведения исследований. В настоящее время процесс деформации твердых тел традиционно рассматривается на микроструктурном (дислокационном) уровне. При этом существуют известные трудности, особенно ярко проявляющие себя при попытках применить теорию дислокаций

для объяснения явлений разрушения на макроуровне (в масштабе образца). Необходимым связующим звеном между поведением деформирующейся структуры на микроуровне и макроуровне может служить рассмотрение структурных изменений на промежуточном масштабном уровне, описывающем взаимодействие потоков дефектов и локализацию деформации. Характерной чертой деформации материалов на этом уровне является то, что носителем деформации выступают некоторые объемы материала (фрагменты), взаимодействующие между собой по определенным закономерностям.

Таким образом, многомасштабный подход необходимо применить и к описанию процессов деформирования и фрагментации поверхностных слоев твердых тел при трении и изнашивании. Отличительной особенностью при этом является дискретный характер контактирования, вследствие чего локальные напряжения значительно превышают среднее давление, которое испытывает образец. В результате повторяющихся с высокой частотой взаимодействий в пятнах касания на поверхности трения образуются сильнодеформированные слои, механизм деформации и разрушения которых в значительной степени отличается от общепринятых в физике деформированного твердого тела. Для получения информации об особенностях деформирования и масштабе вовлекаемых в этот процесс объемах материала был использован метод расчета фрактальной размерности поверхностей износа.

Структурные изменения, обусловленные трением, можно наблюдать лишь после остановки испытательной машины. Между тем, для понимания особенностей формирования слоя и соответствующего этому масштабного перехода чрезвычайно важна предварительная стадия деформации. Прежде чем проявится новый масштаб деформации, должны быть созданы его предпосылки, предвестники. В связи с этим методолог ически важно исследовать распределение деформации в поверхностных слоях твердых тел в различных режимах трения. Кроме того, необходимо найти связь между тем как распределяются контактные зоны на поверхности, и как происходи'! их деформация под поверхностью. В связи с этим было разработано устройство, которое позволяет использовать известный метод декорреляции спеклов для визуализации деформации на боковой поверхности образца при трении. При проведении триботехнических испытаний и структурных исследований были использованы стандартные методики.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Проведенные исследования позволили получить новые представления о локализации деформации при трении и механизме формирования сильнодеформированного слоя. Впервые показано, что при нормальном изнашивании отсутствует стационарные зоны локализации деформации. Деформация локализуется лишь на более поздних стадиях, когда система готовится к выходу на более высокий масштаб деформации.

Впервые показано, что в локализованной зоне деформации может произойти потеря сдвигового сопротивления материала и формирование нанокристалли-ческого материала, что является предвестником образования фрагментированного слоя и перехода к адгезионному режиму трения и изнашивания. На примерах материалов со стабильной структурой (меди, сталей аустенитного класса) проведены исследования закономерностей чисто механической деградации поверхностных слоев при трении, а на примерах латуни, сталей ферритного класса, никелида

титана и композиционного материала исследованы особенности формирования поверхностей трения под действием механохимического фактора и фазовых превращений.

Подробно исследованы механохимические процессы на поверхностях трения углеродистой стали в смазочных средах с добавками нанопорошков пластичных металлов, приводящие к формированию защитных нанокомпозитньгх пленок. С целью поиска количественного критерия оценки механизма изнашивания и обоснования подхода мезомеханики к проблемам трения проведены расчеты фрактальных характеристик поверхностей трения и боковых поверхностей образцов.

Достоверность полученных экспериментальных данных и результатов подтверждается использованными в работе стандартными методиками испытаний и исследований, алгоритмами статистической обработки и соответствием закономерностям, полученным другими авторами.

Научная и практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что полученные экспсриметальные данные об особенностях и закономерностях структурной деградации материалов при трении, кинетике локализации деформации и модифицировании поверхностных слоев нанопорошками пластичных металлов позволяют получить более глубокие представления о протекающих па поверхностях трения физико-химических процесс;«, предшествующих изнашиванию.

Результаты исследования локализации деформации при трении позволяют диагностировать состояние и прогнозировать переход от нормального к катастрофическому изнашиванию в реальных узлах трения. Кроме того, эти исследования позволяют разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору материалов и оптимизации структуры их поверхностных слоев для снижения износа и трения в конкретных условиях нагружения.

Полученные в работе данные и результаты могут быть использованы при разработке новых материалов, способов упрочняющей поверхностной обработки, построении моделей трения.

На защиту выносятся:

1. Совокупность экспериментальных данных в виде зависимостей износа, температуры, коэффициента трения от давления и скорости скольжения, а также результаты их анализа, которые указывают на особенности формирования и деформации поверхностного слоя с нанодисперсными составляющими, обусловленные тем, что переход от нормального к адгезионному изнашиванию связан с вязким характером деформации этого слоя.

2. Закономерности деформирования поверхностных слоев материалов на микроуровне, которое носит на начальных стадиях трения стадийный характер, в условиях нормального и адгезионного изнашивания, заключающиеся в формировании силыюдеформированного фрагментированного слоя материала с размером структурных составляющих 0,01 - 0,1 мкм.

3. Закономерности формирования разномасштабной деформированной структуры вблизи поверхности трения при переходе от нормального к катастрофическому изнашиванию, характеризующиеся изменением толщины по-

верхиостиого слоя с нанодисперсными структурными составляющими, в результате которого катастрофическое изнашивание развивается на более высоком мезосконичсском уровне.

4. Метод управления изнашиванием и трением путем направленного формирования твердых гетерогенных слоев (на примере борирования) и нано-композитных структур, получаемых введением наноразмерных частиц мягких металлов в зону трения, в результате чего образуется тонкий пластичный слой, обладающий свойствами антифрикционного защитного покрытия.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Личный вклад автора заключался в постановке задач, анализе и интерпретации результатов, обсуждении полученных закономерностей. Ряд оригинальных методик проведения исследований были разработаны лично автором. Исследования по модификации поверхностных слоев углеродистых сталей наноразмерными порошками металлов были выполнены в соавторстве с С.Л.Беляевым.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы триботсхнологии" (г.Николаев, 1988г.), Региональной научно-технической конференции "Порошковые материалы и плазменные покрытия" (г.Барнаул, 1988, 1990.), Всесоюзном семинаре "Физико-технические проблемы поверхности металлов" (г.Горышй, 1990), Научно-технической конференции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов" (Киев, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (г.Брянск, 1991),4-й Европейской конференции Восток-Запад "EMRS 1993 FALL MEETINGS" (Санкт-Петербург, 1993), Международном семинаре "Триболог-1 OM-SLAVYANTRIBO-1. Анализ и рациональное использование трибообъектов" (г.Рыбинск, 1993), 4-м Международном трибологическом симпозиуме "IlN'SYCONT'94" (Польша, Краков, 1994), 2-й международной конференции "Износостойкие поверхностные слои" (Чехия. Прага, 1995), 4-й Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (г.Томск, 1995), 4-й Югославской конференции по трибологии (Герцег Нови, 1995), II Всероссийской конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», (г.Томск, 1999), V-th Russian-Chinese International Symposium "Advanced Materials and Processes", (Baikalsk, Russia 1999), Europ, Conf. on Composite Materials. Science, Technologies and Applications. ECCM-8, (Naples, Italy 1998), XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г.Ижевск 1998), международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-5, "Наземная и космическая трибология - 2000. Проблемы и достижения", (Санкт-Петербург, 2000), Международной научно-технической конференции, поев, памяти ген. конструктора аэрокосм, техники, акад Н.Д. Кузнецова, (г.Самара 2000), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г.Томск, 2004), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2007», (г.Гомель, Беларусь,

2007), Международной шкоде-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике» (г.Томск, 2008). Международной научно-технической конференции «Трибология-машиностроению» (Москва, 2008), VIII международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2008).

Публикация результатов. Содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе в 25 журнальных статьях, 12 статьях в научных сборниках, 10 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованных источников и приложений, посвященных использованию результатов работы на практике. Полный объем диссертации — 281 страница, включая 85 рисушсов, 12 таблиц и библиографию из 180 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Первый раздел представляет собой литературный обзор, в котором приведены данные и сделан обзор современного состояния дел в области изучения проблем трения и изнашивания. Обозначен круг вопросов, которым уделялось недостаточно внимания, в частности это состояния, предшествующие переходу от нормального к катастрофическому изнашиванию путем масштабного скачка.

Во втором разделе приведены сведения о материалах и оборудовании, которые были использованы в ходе выполнения работ. Для исследований были выбраны материалы с различной (стабильной и нестабильной) кристаллической и микроструктурой: электролитическая медь, аустенитные нержавеющие стали (Х18Н10Т, 36НХТЮ), цементированная и закаленная сталь 15НЗМА, сплав с памятью формы TINí и твердый сплав WC-110ПЗ.

Испытания на трение проводились на установках СМТ и УМТ-1 в режимах граничного трения и без смазочного материала по схемам "вал-плоская колодка" и "палец-диск". При этом машина УМТ использовалась в основном для испытаний цилиндрических образцов материалов в режиме граничной смазки и без смазки, с целью выявления особенностей и закономерностей деформирования трением.

Плоские и изогнутые колодки испытывались на машине трения СМТ и специально сконструированном стенде с целью исследования модифицирования изнашиваемой поверхности добавками металлических нанопорошков (рис.1). Приведены описания методов, применяемых для изучения структуры материалов, их состава, состояния поверхности.

Микротвердость исследуемых

образцов измеряли на приборе ПМТ-3. Структурные исследования проводились на оптических микроскопах "Neophot-2í"H Axiovert 200 МАГ (Carl Zeiss) с возможностью дифференциально-

Рис. 1 Микроструктура частиц меди, полученных методом электрического взрыва проволочки

интерференционного контраста. Изменение фазового состава материала контролировали рентгеноструктурным методом на установке ДРОН-УМ1 с фильтрованным медным излучением. Наблюдение структуры изношенных образцов проводили на электронных микроскопах ЭМВ-100Б, "Тесла BS 500", сканирующих микроскопов РЭМ 200 и Jeo) JSM 84 с приставкой Camebax Microbeam. Анализ поверхностных слоев образцов после [рения проводился также с использованием атомно-силового микроскопа Solver Pro 47Н. оборудованного устройством для изучения распределения упругих свойств по поверхности образцов. Измерения нанотвердости и модуля Юнга выполнялись на приборе CSEM Nanohardness tester. Химический состав материалов после трения исследовался также на Ожэ-спектрометре «Шхуна 2» и фотоэлектронном спектрометре VG ESCALAB. Для изучения локализации деформации в приповерхностных слоях при трении было сконструировано устройство, позволяющее использовать известный метод вычислительной декорреляции спеклов.

Методики и оборудование, используемые в работе для проведения грибо-технических испытаний и исследований структурных изменений в приповерхностных слоях выбранных материалов широко используются в исследовательской мировой практике и обладают достаточной информативно стью.

Третии раздел посвящен изложению результатов экспериментов по трению скольжения. Были взяты разные классы материалов и на них проведены триботехнические испытания. После этого изучали структурную деградацию поверхностных слоев образцов.

Нержавеющие материалы не склонны к образованию окисленных слоев на поверхности трения, и поэтому вся работа трения расходуется на нагрев и деформирование поверхностных слоев материалов. В связи с этим, материал начинает деформироваться при небольших напряжениях, и все особенности процесса изнашивания обусловлены увлечением пластически деформированного слоя контртелом. Возникающие при этом нанокри-сталлические слои облегчают процессы массопереноса на поверхности, путем смещения фрагментов относительно друг друга.

Триботехнические испытания аустенитного сплава 36НХТЮ в паре с инструментальной сталью позволили выявить некоторые особенности в поведении коэффициента зрения и температуры вблизи поверхности трения в зависимости от скорости скольжения и нагрузки. Как оказалось, коэффициент трения сначала уменьшается, а потом увеличивается с ростом нагрузки и скорости.

С увеличением нагрузки пластическая деформация интенсифицируется, приводя к формированию фрагментированного слоя (рис.2) и зоны пластического течения, которая характеризуется изменением формы зерен. Дифракционная картина, полученная с поверхности аустенитного сплава, свидетельствует о том. что

ШЖ&

Рис. 2. Микроструктура подповерхностных слоев сплава 36НХПО при различных условиях нагружения. Стрелкой показано направление скольжения. Р=500 Н; у=1,5 м/с; М),6; Т=240°С

данный слой не является слоем переноса, т.к. отсутствуют следы материала контртела Линейные размеры фрагментов 0,01-0,1 мкм (рис.3, а). При увеличении внешних параметров (нагрузки и скорости) число этих участков нарастает, чему в немалой степени способствует увеличение температуры. В результате почти вся поверхность образца оказывается вовлеченной в процесс деформации. Структура нижележащей зоны пластической деформации внешне отличается от исходной структуры лишь повышенным числом наблюдаемых дислокаций (рис.3, б), В процессе деформирования при трении в сплаве происходит текстурирова-ние. Так, если при исследованиях микроструктуры недеформированных образцов этого сплава распределение ориентировок зерен дает примерно равные вероятности появления ориентировок {110}, {211},{123} и несколько меньшие вероятности появления ориентировок {111}, {310}.. {100}, то после трения почти все фрагменты ориентированы в соответствии с осью зоны {ПО}. Рис. 3 Микроструктура подповерхно-

Таким образом, в условиях интен- стиых слоев сплава 36НХТЮ: а) слой сивного пластического деформирования с фрагменгированной структурой, материал фактически распадается на две б) зона пластического течения существенно различающиеся части: слой Р—500 Н; у=1,5 м/с; 1=0,6; Т=240°С с фрагментированной структурой и пластически деформированную зону.

Исследования нержавеющей стали Х18Н10Т показали, что процесс деформации при трении отличается от описанного выше для сплава 36НХТЮ. Образующийся при больших нагрузках слой не течет подобно тому, как это происходит в случае сплава 36НХТЮ, а сдвигается вдоль поверхности трения как целое.

Пара цементированная и закаленная сталь 15НЗМА - сталь 9ХС

Данный материал обладает высокими прочностью и сопротивлению к сдвигу (сталь 15НЗМА). Формирование пластически деформированного поверхностного слоя и его течение совпадают по времени с адгезионным изнашиванием, до момента, когда в результате сильного разогрева поверхность износа начинает интенсивно окисляться.

Зависимость коэффициента трения от нормальной нагрузки и скорости скольжения при испытаниях образцов стали 15НЗМА приведена на рис.4, а. Сложный характер этой зависимости определяется изменениями в структуре стали при совместном действии температуры и деформации. Нормальное адгезионно-окислительное изнашивание с увеличением нагрузки и скорости скольжения сменяется схватыванием и переносом материала, а затем следует сильный разо-

¡реп (рие.4, б), который способствует падению коэффициента трения. Рельеф поверхности скольжения в гаком режиме трения очень гладкий, отсутствуют следы схватывания.

Высокая температура пятен контакта, обусловленная большими локальными давлениями и скоростью скольжения, приводит к а—уу превращению, разупрочнению поверхности и интенсивному окислению продуктов деформации и формированию белых приповерхностных слоев в результате мгновенной закалки слоя с фраг-ментированной структурой. Количество белых частиц на поверхности трения уменьшается с увеличением температуры. В деформированном слое также возникает текстура с преимущественными ориентировками (110} и {112}.

Структурные изменения в поверхностных слоях при трении пары медь- сталь 9ХС. Для меди, как и для сплава 36НХТЮ, трение в режиме схватывания сопровождается течением поверхностных слоев образца и формированием характерных следов этого течения в виде борозд. При низких нагрузках микроструктура поверхностных слоев образцов характеризуется небольшой глубиной проникновения деформации (рис.5, а), тогда как при трении в условиях активизации адгезионного изнашивания возникает уже упоминавшийся слой с фрагментированной структурой и вязким Рис.4. Зависимости коэффициента течением (рис.5, б). Для нанокристалличе- трения (я) и температуры поверх-ского слоя характерна слоистость (рис. 5, ноетных слоев образцов мартен-о), связанная с механизмом его формиро- ситной стали 15НЗМА (б) от вания путем последовательной потери ус- нагрузки и скоросги скольжения тойчивости слоев материала па участках

локализации деформации. Материал в поверхностном слое сильно деформирован и состоит из высокодисперсных фрагментов, размер которых 0,01-0,04 мкм. В структуре образца из глубины к поверхности можно различить четыре зоны: I - зона пластической деформации и текстурирования; II - зона интенсивной фрагментации; III - зона турбулентного течения; IV - зона вязкого течения нанокри-сталлического материала. Если проследить структурные изменения из глубины металла к его поверхности, то можно заметить, что деформационные изменения (фрагментация) плавно нарастают до того момента как образуется резкая граница между зоной II и зоной IV(III), по которой и происходит потеря сдвигового сопротивления с образованием нанокристалического (НК) слоя. Используя методы

а)

6)

Шт&ВШ

б)

т

атомно-силовои микроскопии, мы исследовали тонкую структуру полученных слоев. На рис. 6, а, б показаны АФМ изображения структур слоистого материала зоны IV. Наряду с зернами размером менее 100 нм на фото рис. 6. а можно найти и более крупные равноосные зерна размером 200 нм, имеющие четкие границы (рис.6, б.).

Упругие свойства материала (модуль Юнга) по глубине от поверхности материала были измерены по методу упругого восстановления отпечатка нанотвердости (методика Oliver & Pharr), рис.7. Распределение модуля Юнга по зоне IV характеризуется наличием пика, что говорит о неоднородности течения и наличии как разу-прочненных. гак и упрочненных субслоев НК материала. Средний уровень значений Е в НК материале примерно равен значениям в зоне I. Такое поведение может быть обусловлено тем. что в этой зоне происходит течение материала и связанное с этим разупрочнение. Структура материала в зоне II сильно упрочнена и фрагментирована. что соответствует высокому уровню упругих свойств и подтверждается методикой АСАМ.

Латунь интересна тем. что при трении в паре со стальной деталью может реализоваться хорошо известный в трибологии эффект избирательного переноса. В нашем случае действительно имеет место резкое падение коэффициента трения при увеличении нагрузки и скорости скольжения. На графике временных зависимостей момента трения при нагрузке 70 Н для латунного образца при постоянной нагрузке и скорости скольжения выделяются два характерных участка зависимостей, на которых поведение момента трения и температуры различаются. Падение момента трения вызвано формированием тонкой пленки меди на поверхности, как латунного образца, так и стального контртела (диска). Изменение момента трения для трения латунного образца при нагрузке 200 Н также характеризуется наличием двух разных режимов трения.

Изнашивание в данном режиме происходит путем окисления, на поверхности формируется пленка черного цвета. Как видно из результатов микроанализа поверхности трения, происходит выход цинка из твердого раствора и его преимущественное окисление.

Размер фрагментов на рис. 8 свидетельствует о том, что на поверхности трения материат существует в виде нанокристадлических зерен.

Рис. 5. Структура меди вблизи поверхности трения а) нормальное адгезионное изнашивание при умеренных нагрузках; б) нанокристалличе-ский слой, сформировавшийся в результате сдвига при повышении нагрузки и скорости скольжения.

I - зона пластической деформации;

II - зона фрагментации;

III - зона турбулентного течения;

IV - зона вязкого течения нанокри-сталлического материала

О 100 200 300 400 500 600 nm б)

Рис. 6. Структура нанокристалического слоя по данным АСМ. (а)- вытянутые по направлению силы трения зерна; (б) равноосные зерна с четкими границами

* л л Е.гла

100 200 300 400 500 600 700

Рис. 7. Зависимость модуля Юнга от глубины с поверхности медного образца после трения. I - зона пластической деформации; II - зона фрагментации:

III - зона турбулентного течения;

IV - зона вязкого течения

Таким образом, в данном разделе работы было показано, что трение в условиях, близких к режиму схватывания, сопровождается образованием слоя материала с размерами структурных составляющих в доли микрометра, что свидетельствует о интенсивной фрагментации. Наличие таких структурных составляющих приводит к изменению механизма деформации в поверхностных слоях, при этом обнаруживается вязкий механизм вид течения слоя относительно границы с нижележащим материалом, представляющим собой зону фрагментации. Было установлено, что переход в режим адгезионного схватывания сопровождался резким ростом толщины фрагментированного слоя, что свидетельствует о связи между этими явлениями. Очевидно, формирование слоя мезоскопической толщины является более поздней стадией деформирования материала в области микротрибоконтакта. Морфология на-нокристаллического слоя и характер течения на границе с основным металлом позволяет предположить, что единственным механизмом, способным образовать такой слой, является механизм потери сдвигового сопротивления предварительно фрагментированного материала за счет температурного разупрочнения. При этом обнаружен вязкий механизм деформации слоя, подобный течению слоев вязкой жидкости по неподвижной границе.

В четвертом разделе приводятся результаты исследования локализации деформации в поверхностных слоях металлических материалов и исследование фрактальных свойств поверхности трения в зависимости от механизма изнашивания. Структурные изменения в поверхностных слоях твердых тел при трении в условиях, близких к схватыванию заключаются в образо-

вании особого поверхностного слоя, структура которого сильно измельчена под действием силы трения, перемешивания и генерируемого трением тепла. В литературе образование такого слоя связывается главным образом с переносом и перемешиванием фрагментов и частиц износа на поверхности. В наших работах было установлено. что этот процесс может происходить за очень короткое время в виде сдвига одной части материала относительно другой, т.е. за счет потери сдвиговой устойчивости поверхностного слоя материала в условиях усиления адгезионной составляющей трения.

Тем не менее, все эти структурные изменения можно наблюдать лишь после остановки испытательной машины. Между тем, для понимания особенностей формирования слоя и соответствующего этому масштабного перехода чрезвычайно важна предшествующая этому стадия деформации. Прежде чем проявится новый масштаб деформации, должны быть созданы его предпосылки, предвестники. Известно, что потеря устойчивости материала к

сдвиговому сопротивлению приводит к интенсивной деформации в местах ее локализации. Для наблюдения за локализацией деформации в поверхностных слоях материалов при трении, мы использовали метод декорреляции спеклов (рис. 9).

В результате проведенных экспериментов было установлено, что:

1. Распределение зон деформации по боковой поверхности может носить случайный характер. При этом зоны деформации (тип 5, рис. 9, в) могут возникать и Рис. 9. Схема метода визуализации деформации при исчезать либо двигаться трении, реальное изображение контакта и хронограмма как вдоль, так и поперек движения зон деформации в указанном сечении направления скольжения

А-А. 1 - наблюдаемый неподвижный образец: контртела.

2 - подвижный образец - контртело; 3 - стекло;

Рис.8. Микроструктура поверхностных слоев латунных образцов после трения

2. Могут возникать стационарные во времени и локализованные в определенном месте зоны деформации (тип II, рис.9, в).

3. Стационарные (заторможенные) зоны деформации могут вновь начать двигаться в результате превышения сдвиговым напряжением предела текучести материала поверхностного слоя с модифицированной структурой, что соответствует моменту формирования поверхностной полосы локализованного сдвига (тип 111. рис.9, в).

Движущиеся зоны соответствуют стадии, когда на поверхности трения наблюдается лишь один масштаб (низкий) самоподобия в виде рельефа, образованного нормальным трением с низкой интенсивностью адгезионного изнашивания. С точки зрения кинетики изменения пятен контакта, такой режим характерен для процесса приработки материала в фении, когда число пятен контакта растет экспоненциально со временем. Локализованная зона деформации - это предвестник появления нового масштабного уровня, который в финальной стадии может проявиться в виде нанокристалличсского слоя. Локализованная зона деформации -это предвестник появления нового масштабного уровня, который в финальной стадии может проявиться в виде нанокристачлического слоя.

Делокализация зоны деформации означает то, что произошел резкий сдвиг одной части материала относительно другой и вступил в действие не только новый масштабный фактор, но и образовался новый участник процесса трения в виде сильнодеформированного материала. Изучение структуры зоны локализации методом акустической силовой микроскопии, которая позволяет оценить распределение упругих свойств но области сканирования, показало, что вблизи поверхности формируются полосы локализованной деформации.

Степень деформации материала внутри этих полос весьма значительна, что подтверждается размером фрагментов около 20 нм. Ближе к поверхности трения наблюдаются участки материала с полностью напокристаллической структурой и характерным слоистым строением. Заключительной стадией этого процесса является формирование нового масштабного уровня деформации с характерным размером структурных элементов, составляющим десятки микрометров, что соответствует началу катастрофического изнашивания.

Распределение следов деформации по глубине от поверхности скольжения представляется в следующем виде. При небольших контактных напряжениях происходит пластическое деформирование зерен металла так, что границы зерен и субзерен, а также полосы деформации становятся параллельными плоскости скольжения. При этом плоскости {Ш} кристаллитов ориентируются также в направлении скорости скольжения, что обеспечивает наименьшие напряжения деформации. Сами границы представляют собой полосы локализованной деформации в деформированном материале, возникшие в результате кристаллографического поворота и формирования текстуры. На рис.10 показано пересечение двух полос локализации деформации под углом примерно 35° с образованием более широкой -500 нм полосы. Из рисунка видно, что материал внутри полос сильно фрагментирован, а по краям полос и в месте пересечения наблюдается экструзия части материала. Сдвиг одной части материала относительно другой нарушает стабильность процесса трения и создает условия геометрической несовместимости форм в контакте, что приводит к генерации дополнительного количества на-

Рис. 10. Пересечение полос локализации деформации вблизи поверхности трения (а) Светлые области соответствуют участкам поверхности с меньшим значением модуля Юнга.

номатериала. Такой процесс может привести к дальнейшему неуправляемому повышению масштаба и катастрофическому износу, если не вернуть процесс на

микроуровень.

При исследованиях поверхностного слоя методом просвечивающей электронной микроскопии подтвердились результаты атомно-силовой сканирующей микроскопии о чрезвычайно дисперсной структуре материала, которая при дифракционном анализе дает картину, имеющую квазикольцевой или кольцевой вид. Фактически исходная структура на поверхности превращается в ультрадисперсную поликристаллическую.

Как показали исследования, такой же размер фрагментов и разо-риентировок сохраняется в продуктах износа. Наблюдаемые структуры поверхностного слоя, сформированные в результате трения, свидетельствуют о чрезвычайно высокой степени деформации материала, которая при одноосном растяжении встречается лишь в полосах локализованной деформации. Во всех исследованных материалах размер фрагментов оказывается примерно одинаковым, зависящим только от физико-механических свойств. Как правило, дальнейшая пластическая деформация не приводит к еще большему измельчению субстру ктуры. что свидетельствует о предельно возможном деформированном состоянии.

Сравнение полученных в работе данных о структуре поверхностного слоя с данными других авторов позволяет сказать, что массоперенос в поверхностном слое при трении связан с движением мезообъемов (фрагментов). В пользу этого заключения свидетельствует изучение топологии поверхности трения и предварительно полированной боковой поверхности образца, которое было выполнено с использованием методики измерения фрактальной размерности поверхностей. В данной работе мы применяем фрактальную размерность, рассчитанную из РЭМ изображений для количественной характеристики поверхностей трения, в образовании которых участвуют процессы, как разрушения, так и деформации. Фрактальная размерность определяется из наклона графика зависимости от 1<п'(х), где х - расстояние между двумя элементами сканируемой поверхности, / и /' - выраженное в яркости пикселя РЭМ изображения количество вторичных электронов, собранных на коллекторе от этих элементов. Угловые скобки означают усреднение по всем парам элементов поверхности, соответствующих данному расстоянию х. В нашем варианте методики также вскрывается физический смысл фрактальной размерности рассчитываемой на основе РЭМ изображений. Данная величина характеризует корреляцию между интенсивностями J, а значит и корреляцию высот рельефа сканируемой поверхности в зависимости от расстояния между этими участками.

б) адгезионное изнашивание

X, (1 т х, у т

в) г)

Рис. 11. Изображения поверхности трения и соответствующие им графики зависимостей. Ось ординат представляет собой значения корреляционной функции М|]-Г|»

ау нормальное изнашивание

Наличие прямолинейных участков на графиках означает самоподобие рельефа поверхностей в определенных масштабах. Так, например, характер рельефа поверхности стали 15НЗМА коррелирует с зависимостью коэффициента трения от скорости скольжения и температуры образца. Поверхности скольжения для различных режимов трения показаны на рис.11. Фото на рис.11. а соответствует режиму трения, при котором наблюдается окислительное изнашивание. Образующиеся окисные пленки маскируют особенности рельефа поверхности трения в данном режиме. На рис.) 1, б представлена поверхность трения в режиме интенсивного адгезионного изнашивания с перемешиванием и переносом материала в зоне трения. Расчетные точки на рис. 11 б и г аппроксимированы двумя прямыми, наклон которых к оси абсцисс дает величину фрактальной размерности РЭМ для данного масштаба. На всех кривых выделяются значения абсцисс, выше которых точки не укладываются в прямую зависимость. Это означает, что не существует скейлинговой корреляции между значениями наклонов участков поверхности на разных масштабах. Таким образом, выделяются некоторые масштабы, величины которых могут давать представление о доминирующем масштабном уровне деформации процесса изнашивания. Изнашивание в режиме окисления не приводит к формированию фрагментированного поверхностного слоя значительной толщины. Толщина поверхностного слоя с фрагментированной (фрактальной) структурой слоя мала по сравнению с размерами поверхности, и процесс протекает на микромасштабе.

Возрастание масштаба самоподобия элементов структуры соответствует увеличению структурного уровня доминирующего процесса диссипации энергии. На рис.) 2 представлена микроструктура слоя с фрагментированной структурой на боковой стороне образца (а) и результаты расчетов РЭМ фрактальной размерности (б), полученные при разных увеличениях. При сопоставлении кривых и аппроксимирующих их прямых линий для различных увеличений выявляется два масштаба структур с коррелирующими по степенному закону ин-тенсивностями. При увеличении 1500 наблюдается скейлинговое поведение при размере участков изображения от 1 мкм и менее. От 1 мкм до. примерно, 40 мкм скейлинговое поведение не обнаруживается. Начиная с 40 мкм наблюдается корреляция интенсивно-стей, свидетельствующая о возникновении нового масштаба деформации. По-видимому, появление данного масштаба связано с развитием деформации на мезоуровне, приводящей к формированию рельефа, структурные элементы которого соизмеримы с . толщиной деформированного слоя (это может быть обусловлено движением материала слоя как целого - ламинарным или вихревым). Такие же корреляции выявлены и для сплава 36НХТЮ.

Таким образом, как качественно, так и количественно показано, что переход от нормального режима трения к катастрофическому характеризуется возрастанием масштабного уровня деформации материала, вовлеченного в процесс адгезионного взаимодействия. Во-первых, это обусловлено возрастанием количества и размеров пятен контакта, во-вторых, увеличением толщины слоя с нанокристаллической структурой в этих пятнах, которые могут сливаться в единый сплошной слой, деформирующийся как целое.

Из анализа фрактальных свойств поверхности трения и боковой поверхности образца следует, что наблюдаются, по крайней мере, два масштаба самоподобия. Один из них существует от нуля до нескольких микрометров, а второй начинается с десятков микрометров и соответствует формированию слоя материала с сильнодеформированной структурой в результате интенсификации адгезионного взаимодействия и деформации. Важным выводом из полученных результатов является факт выхода адгезионного трения на более высокий масштабный уровень вовлеченных в процесс трения объемов материала.

Результаты измерений, показанные на рис. 11, свидетельствуют о самоподобии рельефа, который может сформироваться лишь при самосогласованном

б)

Рис. 12. Боковая поверхность образца после испытаний и соответствующий график завггсимости фрактатышх свойств данной поверхности

движении элементарных структурных образований. Для сильнодеформированно-го поверхностного слоя такими структурными элементами являются фрагменты структуры, имеющие размер 10 - 100 нм. Существование еамоподобия рельефа в ограниченной области свидетельствует, по-видимому, о том, что процесс трения в произвольный момент времени сопровождается деформацией, которая не охватывает всю поверхность трения, а локализована в областях, связанных с пятнами касания. В следующий момент времени деформированию подверг аются другие участки поверхности скольжения. С течением времени весь поверхностный слой вовлекается в процесс пластической деформации. Однако слой состоит из отдельных продеформированных областей, рельеф которых обладает свойством еамоподобия лишь в пределах, соответствующих размерам пятен касания. Этот вывод подтверждается данными об увеличении области существования еамоподобия рельефа с фрактальной размерностью <3 > 2 при переходе от нормального к адгезионному изнашиванию.

Таким образом, приведенные рассуждения подтверждают мнение о том, что высокие степени деформации, связанные с массопереносом на поверхности, обусловлены "ротационным" характером деформирования с относительным разворотом фрагментов структуры преимущественно вокруг оси, перпендикулярной направлению трения и параллельной поверхности скольжения. Ротационная пластичность, вызванная проскальзыванием и разворотом ультрадисперсных фрагментов относительно друг друга, с одной стороны, обеспечивает в поверхностных слоях трущихся тел чрезвычайно большие пластические деформации. С другой стороны, она приводит к деформаций на следующем масштабном уровне и формированию градиентной структуры.

Следует отметить, что в отличие от поверхности трения, где рельеф обусловлен деформированием и изнашиванием, на боковой поверхности образца рельеф обусловлен только пластической деформацией. Причем с удалением от поверхности трения степень деформирования материала, определяемая визуально по рельефу на боковой поверхности, снижается.

Изучение фракгальных свойств показало, что при достижении некоторой критической нагрузки на боковой поверхности кроме рельефа обусловленного на-норазмерными кристаллитами формируется рельеф с большим масштабом самоподобия, который связан с глубиной развития деформации. Таким образом, область существования самоподобия дает представление о доминирующем масштабном уровне деформации при трении. Полученные результаты свидетельствуют о том, что переход от одного режима трения к

б)

Рис. 13. Схемы образования поверхностной полосы локализованного сдвига. 1 - полосы локализованной деформации; 2 - контртело; 3 - поверхностная полоса локализованного сдвига

другому с более высоким масштабом деформирования может быть количественно описан в терминах самоподобия как дополнение к описанию в терминах изменения параметров трения и изнашивания контактирующих тел. Таким образом, в поверхностных слоях деформируемого трением материала создается система полос локализованной деформации (ПЛД) с постепенным возрастанием степени деформации от глубины к поверхности (рис.13, а). Наибольшая степень фрагментации достигается на пересечениях таких полос, где при подходящих температурных условиях может активизироваться механизм зернограничного проскальзывания, что вызовет потерю сдвигового сопротивления пятен контакта относительно соседних областей. В этом месте формируется макрополоса с полностью нанок-ристаллической структурой и большим масштабом (рис.13, 6). Необходимо заметить, что масштаб (размер) этого дефекта связан с масштабом распределения напряжений по поверхности и локальная потеря сопротивления сдвигу может происходить и на микроуровне, вызывая малозаметные колебания силы трения, которые не выводят систему за пределы нормального режима. Формирование поверхностных нанокристаллических дефектов в масштабах от десятков микрометров может серьезно дестабилизировать режим трения и изнашивания и привести к катастрофическому режиму, когда дефект распространяется на всю номинальную площадь поверхности.

На основании проведенных исследований процессов локализации деформации и изменения структуры в поверхностных слоях трения в данном разделе работы показано, что формирование слоя с нанокрисгаллической структурой происходит путем потери сдвигового сопротивления. В условиях адгезионного взаимодействия данный процесс приводит к формированию поверхностной полосы локализованного сдвига с, что меняет характер деформирования с переходом к катастрофическому изнашиванию.

Наличие структурных превращений в материале под действием механических напряжений и температуры может осложнять деформационное поведение трибосистемы, н поэтому представляется актуальным выяснение их роли в формировании поверхности износа и влияния на масштабный фактор в связи с образованием нанокристаллических дефектов поверхности. Обычно наличие структурных превращений способствует возрастанию интенсивности деформации и изнашивания при трении, что, как правило, связано с превращением под действием температуры.

Пятый раздел посвящен исследованию триботехнических свойств никели-да титана, как перспективному триботехническому материалу, способному поглощать энергию при фении. Интерес представляет также поведение материала с мартенситным превращением в условиях значительных деформаций поверхностных слоев и развития процесса схватывания.

Сплав испытывался в двух состояниях: в состоянии поставки и после отжига в вакууме при температуре 800°С, выдержка 20 мин. Зависимости коэффициента трения и интенсивности износа от величины нагрузки и скорости скольжения характеризуются наличием области минимальных значений при нагрузке около 580 Н и скорости 1,1 м/с. Температура вблизи поверхности трения обнаруживает более сильную зависимость от скорости скольжения, чем от нагрузки. Трение в

области минимальных значений коэффициента трения и интенсивности износа -устойчивое без значительных вибраций.

Рентгеноструктурные исследования показали, что при трении образцов отожженного сплава на поверхности трения в результате деформации образуется фаза В19". Количество мартенситной фазы уменьшается с расстоянием от поверхности и практически соответствует исходному на глубине 0,06 мм. Интенсивность высокотемпературной фазы В2. наоборот, увеличивается с расстоянием от поверхности (рис. 14).

При возрастании нагрузки до 800 H и скорости до 3 м/с наблюдается изменение характера трения, сопровождающееся резким увеличением коэффициента трения до значений 0,5-0,6, температуры до 300°С и интенсивности износа до б мкм/м. При этом наблюдаются сильные вибрации в системе и резкие колебания возрастающего коэффициента трения. Вид поверхности трения при этом совершенно другой. На поверхности трения наблюдаются борозды, представляющие собой дорожки схватывания с поперечно расположенными несплошностями. Та- Рис. 14. Фазовый соегав отожженного кие борозды образуются в результате от- сплава после трения в зависимости от теснения металла из зоны контакта твер- расстояния от поверхности трения дого материала контртела и пластифицированного материала образца. В результате удаления пленки пластифицированного металла с поверхности трения и значительного нагрева интенсивность фазы В2 значительно выше, чем для более мягкого режима. Сохраняется также и фаза В19', гак как деформация поверхностных слоев значительна.

Мартенситное превращение, протекающее под действием силы трения, вероятнее всего, способствует поглощению механической энергии трения материалом поверхностных слоев и уменьшает как износ, так и коэффициент трения. Рельеф поверхности износа становится более гладким. Как было показано, мартенситное превращение, вызванное трением, в основном сосредоточено вблизи поверхности на расстоянии до 40 мкм (с учетом того, что рентгеновские лучи проникают на глубину, примерно 20 мкм). Следовательно, это и есть зона интенсивной пластической деформации при трении в режиме, близком к схватыванию. Таким образом, основным механизмом деформации при трении сплава в области минимального коэффициента трения является мартенситная деформация, включающая в себя мартенситное превращение и дальнейшую деформацию мартен-ситных кристаллов до образования вторичных структур, под которыми находится зона менее деформированного мартенсита.

При повышении нагрузки и скорости скольжения пленки вторичных структур разрушаются, и происходит переход к изнашиванию по механизму схватывания. Полученные зависимости параметров трения от нагрузки и скорости скольжения показывают, что никелид титана испытывает мартенситное превращение в

у-

— 1- исходная

• - - 2 - глубина 0.0&MU

— 3 - глубина 0.03 мм

— — 4 - поверхность трет

' 1

vV 29 —-

условиях трения, что приводит к снижению масштаба деформации и снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания.

Полученные результаты указывают на то, что процессы деформации в поверхностных слоях твердых тел при трении не могут быть описаны в рамках чисто дислокационного подхода. Мезоскопический подход в отношении изучения процессов трения и изнашивания может заключаться в следующем. Определяющим фактором для изнашивания является не деформация отдельных зерен материала. а формирование мезоскопического образования - фратентироващюго слоя той или иной толщины, эволюция которого определяет конкретный механизм изнашивания. Катастрофическое изнашивание наступает при неуправляемом повышении масштабного уровня взаимодействия. Важную роль здесь играют частицы износа, состоящие из нанокристаллического материала, обладающие повышенными механическими свойствами и адгезионной активностью. Снизить вероятность появления такого режима можно лишь локализовав адгезионное взаимодействие в тонком поверхностном слое. Этого можно достичь либо стабилизацией структуры материала относительно деформационных изменений, либо формированием устойчивых вторичных структур по механизму структурной приспосабливаемое™.

В шестом разделе представлены исследования структурных изменений в твердых материалах под действием трения. Стабилизация структуры материалов относительно деформационных изменений при трении может быть достигнута применением композиционных твердых материалов или покрытий. Примерами таких материалов могут служить твердый сплав основе стали Гадфильда WC-110Г13, который можно применять для создания объемно-упрочненных деталей и боридные покрытия для тяжелонагружснных узлов трения.

Изнашивание твердого сплава при нагрузке 550 Н и скорости 0.65 м/с происходит за счет удаления связки и выкрашивания отдельных карбидных зерен. Поверхность светлая, без пятен, ясно просматривается зоренная структура исходного материала. Увеличение скорости скольжения до 1,4 м/с при той же нагрузке приводит к более быстрой приработке поверхности. Фазовый состав изменяется: наряду с интенсивными пиками а-фазы, появляются рефлексы, соответствующие карбидам Mi-iQ.

С увеличением скорости скольжения до 2,8 м/с коэффициент трения падает, а температура постоянно растет. На поверхности формируются поперечные, по отношению к направлению скольжения, зоны контакта, чередующиеся с впадинами и трещинами. Вместо карбида М2зСб на поверхности формируется карбид М)2С. При этой скорости скольжения несущие слои пластифицируются настолько, что продольные зоны контакта распадаются на квазипериодически расположенные дискретные несущие участки. Такая структура наиболее выгодна, с точки зрения эффективной диссипации энергии и релаксации динамических напряжений, поскольку возможные смещения отдельных участков контакта не приводят к разрушению установившегося рельефа поверхности трения.

Подобные структуры доказали свою эффективность также при исследовании изнашивания борированных слоев на стали. При увеличении скорости скольжения и контурного давления размеры таких участков возрастают и Moiyr достигать размеров образца, что соответствует увеличению масштаба деформации. При

этом изнашивание происходит путем вязкого течения сплошного слоя разогретого трением материала. В случае твердого сплава такой режим возможен лишь при очень больших температурах. В нашем случае реализация изнашивания течением затруднена, вследствие высокой твердости композита. Поэтому реализуется промежуточная схема с формированием дискретных зон контакта и квазипериодических структур трещин. Вследствие сильного разогрева, деформация при трении в высокоскоростном режиме локализуется в тонком поверхностном слое этих зон контакта, что приводит к снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Примером структуры поверхностного слоя с высокостабильными свойствами, сохраняющимися в сложных и неблагоприятных условиях трения, могут служить твердые покрытия, которые получили в последнее время широкое применение. В качестве таких покрытий выступают карбиды, нитриды, бориды и оксиды металлов и неметаллов, некоторые высокопрочные и твердые металлы и сплавы. В этом случае удается совместить необходимую износостойкость с конструкционной прочностью материала. Наиболее стойкими при граничном трении оказываются диффузионные боридные и карбонитридные слои, полученные диффузионным способом, напылением или наплавкой.

В работе изучены боридные слои на поверхности цементированной стали, полученные диффузионным насыщением из порошковьи смесей. Считается, что бориды РеВ и Ре2В, которые образуются при диффузионном насыщении стали бором, чрезвычайно хрупкие и не могут выдерживать высоких контактных нагрузок. Тем не менее, наш опыт применения борирования для упрочнения высокона-груженных узлов трения показал, что боридные слои могут быть стойкими не только к изнашиванию, но и к циклическим нагрузкам, характерным, например, для узла трения бурового долота.

Причины столь неоднозначного мнения об эффективности упрочнения поверхности борированием кроются в особенностях структуры боридного слоя и ее зависимости от технологически х параметров химико-термической обработки. Наиболее часто при бориро-вании получаются слои двух типов -однофазные (Ре2В) и двухфазные (РеВ + РегВ), они повышают долговечность деталей и штампового инструмента, работающих в условиях абразивного изнашивания. Любой борированный слой, в том числе и двухфазный, состоит из двух зон - зоны боридов и переходной Рис. 15. Зависимости коэффициентов зоны, представляющей собой твердый трения (в) однофазного (1) и двухфазно-раствор бора в железе. Боридная зона в го (2) покрытий от нормального давле-двухфазных боридных слоях представ- ния б условиях граничной смазки лена боридами РеВ и Ре2В, независимо

от химического состава стали. Однофазные боридные слои получают при низких температурах (< 900°С), они состоят из фазы Ре2В; двухфазные - при температу-

Р, МПа

pax, выше 920 °C. Для двухфазного покрытия, полученного при повышенных температурах, характерно выкрашивание при контактных нагрузках, включая трение. Это обусловлено тем. что локализация напряжений может вызывать зарождение трещины на межфазной границе, которая вызывает катастрофические разрушения в зоне пятна контакта. Поскольку двухфазный слой, как правило, сплошной, он не имеет возможности пластически деформироваться. Трещины в этом случае распространяются на большие расстояния, вызывая выкрашивание довольно больших фрагментов. Выкрашивание обусловливает абразивное изнашиванию по всей поверхности и внедрение частиц износа в подложку. Такое поведение наиболее характерно для начального периода нагружения (до 20 МПа) и дает более высокий коэффициент трения по сравнению с однофазным покрытием, полученным при 890-900 °С (рис.15). Дискретное строение однофазного слоя приводит к более благоприятному распределению напряжений между кристаллами боридов и материалом переходной зоны. Во-первых, отдельные кристаллы слабо или совсем не связаны друг с другом и поэтому имеют возможность смещаться друг относительно друга тем самым, приспосабливаясь к деформации. В этом случае структура подобна структуре твердого сплава, когда твердые частицы окружены мягкой матрицей. Во-вторых, снижается вероятность распространения трещины во всем борированном слое за счет того, что металл переходной зоны более вязок и более эффективно рассеивает энергию деформации на своих составляющих. Тем самым снижается вероятность опасной локализации деформации и развития трещины. Необходимо заметить также, что граница между самим боридным слоем и переходной зоной более развита именно в однофазном покрытии, что также увеличивает жизнеспособность такой структуры под действием напряжений. Итогом исследований трения и изнашивания боридных слоев явилось промышленное апробирование способа борирования при изготовлении буровых шарошечных долот в ПС) «Куйбышевбурмаш» (ныне «Волгабурмаш»), Бори-рованные опоры скольжения долот имеют более высокую стойкость яри бурении в сравнении с серийными (рис.16).

В данном разделе на примере твердого сплава и боридных покрытий было показано, что использование твердых материалов для ограничения масштаба пластической деформации при трении оказывает положительный эффект до определенного уровня нагрузок и скоростей скольжения. При превышении несущей способности материала происходит резкое возрастание масштаба деформации, что в случае твердого сплава вызывает растрескивание поверхности на значительную глубину, которое, однако, не приводит к катастрофическому изнашиванию за счет разупрочнения тонкого поверхностного слоя при увеличении скорости скольжения. Разупрочнение вызывается фазовыми пре-

Срок службы долот, час

Рис. 16. Распределение сроков службы для серийных и экспериментальных буровых долот

вращениями и фрагментацией в материале и приводит к тому, что деформация сосредоточена только в тонком поверхностном разупрочненном слое.

В седьмом разделе рассматривается другой путь снижения износа - пластификация (модификация) поверхности трения и изменение состава слоя переноса различными добавками. Этот подход востребован в тех случаях, когда необходима длительная эксплуатация узлов без их разборки.

По этому пути идут исследователи, использующие добавки порошковых металлов и соединений в смазку. Обычно при данных исследованиях принято говорить о так называемом безызносном трении и металлаплакированш. Однако в последнее время стало ясно, что действие таких присадок не сводится только к этим двум явлениям. Большое значение придается снижению адгезионного взаимодействия мемеду однородными металлами (сталь-сталь) контактирующих тел. Кроме того, с точки зрения материаловедения и, как показано выше, важно понизить масштаб структурных элементов, вовлекаемых в процесс деформации при трении. При этом требованиями, предъявляемыми к порошковым материалам, является их дисперсность, седиментационная стабильность, минимальная степень агломерации, отсутствие вредного воздействия на компоненты. В литературных данных такие сведения о применяемых в качестве добавок в смазку порошках часто отсутствуют, что затрудняет анализ. Данный раздел посвящен изучению структурной деградации материалов в зоне трения в условиях мехалохимнческого взаимодействия с наноразмерными модификаторами.

Ранее было показано, что локализация деформации в металлах приводит к формированию сильно деформированных структур с минимальным размером структурных элементов в несколько сотен нанометров. При трении твердых тел такая локализация изначально существует и поэтому очень быстро приводит к формированию так называемых слоев переноса. Механические свойства таких триботехнически полученных слоев обычно выше, чем у базового материала, и поэтому такой слой играет роль твердого покрытия и экранирует нижележащий материал от деформации и изнашивания. В условиях смазочной среды состав та-югх слоев может меняться. Как правило, это реализуется в виде окислительного изнашивания. Таким образом, возникает покрытие из нанокомпозитного материал на участках контакта твердых тел. Размер такого рода образований зависит от прилагаемых нагрузок, а его поведение с изменением условий нагружения определяет изнашивание материала в целом.

Переход от окислительного к адгезионному изнашиванию связан с резким увеличением толщины таких слоев, в этом случае наблюдается значительный массоперенос, чего естественно лучше не допускать при работе деталей и механизмов.

Твердое тело рассматривается нами как иерархическая система структурных уровней, при деформации которой определяющее значение имеет мезоскопи-ческий уровень, деформация на этом уровне предшествует макроскопическому разрушению образца. Блокировка (или аккомодация) деформации на микроуровне тем или иным способом может обеспечить надежную работу изделия без риска разрушения. Все вышесказанное имеет универсальный характер и применимо к случаю трения и износа. Критическая толщина слоя переноса может служить критерием катастрофического разрушения при трении, поскольку возможности дис-

сипации энергии на макроуровне в этом случае исчерпаны. Поскольку процесс формирования слоев переноса подобен механическому легированию, то, вводя в зону трения различные добавки, можно сформировать нанокристаллические структуры, которые могли бы изменить (модифицировать) действующий механизм изнашивания и снизить интенсивность износа.

В работе получены зависимости коэффициента трения, температуры масла и интенсивности изнашивания образцов стали 45 в зависимости от времени, нагрузки, скорости скольжения и вида смазочного материала. Результаты триботех-нических испытаний пары трения сталь-сталь в условиях смазки с добавлением наноразмерных порошков меди, цинка и латуни свидетельствуют о том, что коэффициент трения снижается по сравнению с испытаниями в чистом масле И-20 без добавок. Снижение интенсивности изнашивания в наибольшей мере характерно для использования нанопорошка латуни.

Исследованиями, выполненными с помощью растровой электронной микроскопии и профилографирования, установлено, что применение любой присадки способствует выглаживанию поверхностей трения, причем наиболее ярко это выражено в случае использования в смазке нанопорошка латуни. На поверхностях трения после применения присадок остаются следы меди и (или) цинка, преимущественно в виде агломератов, закрепленных, по-видимому, механическим втиранием в стальную основу. На поверхностях трения всех экспериментальных образцах обнаружены вторичные структуры в виде гладких пленок, рис.17. Для контрольного образца в наибольшей мере характерна бороздчатая структура и почти полное отсутствие вторичных структур, рис. 17, а. Наибольшая толщина структур наблюдается в случае использования нанопорошка латуни, рис. 17, г.

Химический состав полученных вторичных структур изучался методом РФЭС и Оже-спектроскопии. В ходе фрикционного взаимодействия в присутствии металлосодержащих добавок, приповерхностные объемы исходной структуры стали 45 преобразуются в химически неоднородные по концентрации элементов слои (вторичные структуры), содержащие в своем составе железо, кальций, их оксиды и сульфиды, а также серу, углерод и кислород. Медь и цинк распределены нерегулярно по площади поверхностей трения с наибольшим проникновением в приповерхностные объемы на глубину до 0,2 мкм.

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) проведено исследование состава поверхности трения серии образцов. Использование методики послойного анализа позволило построить профиль концентрации элементов ([Cu]/[Fe] и [Zn]/[Fe]) на глубину до 100 нм и определить химические состав «дорожек трения». Для образца после трения с маслом без добавок РФЭС-спектры района Fe 2р, полученные в ходе послойного анализа, показали, что, в отличие от чистой полированной поверхности стали 45, окисление железа происходило на несколько большую глубину. В спектре исходной поверхности полностью отсутствовала компонента в районе 707 эВ, а положение линии Fe 2pzn (Есв = 711 эВ) и форма спектра соответствовали железу в трехвалентном состоянии Fe3^. С увеличением глубины анализа наблюдается рост интенсивности линии в районе 707 эВ, соответствующей металлическому железу. При этом, уже после одной минуты ионного травления, в спектре Fe 2р не проявлялись линии, соответствующие Fe3+.

ej г)

Рис. 17. а, б, в, г. АСМ изображения поверхности изнашивания образцов, испытанных в среде: а) чистого масла И-20; б) И-20 с добавкой нанопорошка меди: в) И-20 с добавкой нанопорошка цинка; г) И-20 с добавкой нанопорошка латуни

Плечо в районе 710 эВ, интенсивность которого падает по мере травления, соответствовало наличию фазы РеО в приповерхностных слоях на глубине до 20 им. Соответствующие спектры Ре 2р поверхности образца, испытывавшегося в смазке с нанопорошком меди, показывали, что, как и предыдущих случаях, непосредственно аа поверхности износа присутствует железо в трехвалентном состоянии (толщина слоя 1-2 нм). Однако окисление железа происходило на существенно большую глубину - даже после 20 минут травления в спектрах Ре 2р преобладали линии, соответствующие двухвалентному железу, рис.!8. Похожая картина наблюдалась и для образцов, соответствующих остальным использовавшимся присадкам. Однако при этом были замечены несколько меньшее изменение состава и, соответственно, меньшая толшина слоя. Таким образом, подтверждается существование вторичных структур с большим содержанием кислорода, фазовый состав которых сводится к простым и сложным окислам железа. Медь и цинк были найдены в приповерхностных слоях образцов методом РФЭС. Медь находится в металлическом Си0 или окисленном Си'+ состоянии. Цинк на поверхности находится в окисленном состоянии Zn2+, что подтверждается более высоким значением энергии связи уровня 1,п 2р3/2 (Есв = 1023, 5 эВ) на поверхности износа.

710

I

mW«^

Fe 2p

""«ta

X Л"^,

/i V У^Х.» L

700 705 710 715 720 725 730 735 Энергия связи, эВ

Рис. 5 8. РФЭС спектры района Fe 2р дорожки скольжения образца, испытанного со смазкой, в состав которой входил нанопор ошок меди

Концентрационные профили поверхностных слоев испытанных образцов показывают, что толщина слоя с измененным химическим составом составляет около 1,2-1,4 мкм. Атомные концентрации железа и кислорода в поверхностных слоях образца, испытанного в среде чистого масла, совпадают до глубины примерно 0,8 мкм, что может свидетельствовать о наличии слоя оксида железа РеО. В остальных случаях соотношение атомных концентрация соответствует оксиду Ре20з, особенно четко это видно на рис. 19 на примере поверхности изнашивания образца, испытанного в присутствии латунного нанопорошка.

Проведенные исследования показывают, что введение наноразмерных частиц в зону трения может быть эффективным методом снижения интенсивности адгезионного изнашивания в узле трения. Образование слоя вторичных структур служит понижению масштабного уровня деформации в зоне контакта и увеличению реальной площади контакта, а также формирует пластичный слой, в котором благоприятным образом перераспределяются контактные напряжения. Кроме того, за счет химического взаимодействия с материалом контртела и окружающей средой образуются оксидные

защитные слои. Порошок латуни наиболее эффективен вследствие того, что образующийся слой меди и железа упрочнен оксидом цинка. Такой нанокомпозит обеспечивает высокую несущую способность и минимальный износ трибосопряжения за счет благоприятного распределения напряжений и своей термической стабильности.

Результаты данной работы были использованы для выработки рекомендаций по оптимизации состава и условий использования металлических нанопорошковых присадок к смазочным материалам. Проведены промышленные испытания оптимизированных составов на автомобильных двигателях и отмечено улучшение ряда эксплуатационных факторов, о чем свидетельствуют прилагаемые к диссертации акты испытаний.

Глубина, мкм

Рис Л 9. Концентрационные элементные профили приповерхностных слоев образцов после трения в масле, содержащем нанопоро-шок латуни

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в материалах с различными свойствами и микроструктурой при трении в условиях, близких к схватыванию, на поверхности формируется сильнодеформированный слой материала с размером структурных элементов от 0,1 до 0,01мкм.. Наличие таких структурных составляющих приводит к изменению механизма деформации в поверхностных слоях, при этом обнаруживается вязкий механизм течения слоя относительно границы с нижележащим материалом, представляющим собой зону фрагментации.

2. Показало, что вязкое течение слоя с нанокриеталлической структурой образует слоистый рельеф. Механизм дальнейшей деформации такого слоя в виде вязкого течения определяет переход к катастрофическому изнашиванию в отсутствии механизмов структурной приспосабливаемое™.

3. Методом вычислительной дскорреляции спеклов было показано, что формированию слоя с нанокриеталлической структурой предшествует несколько стадий пластической деформации в поверхностных слоях материала. Установлено, что первоначальная стадия хаотического распределения и движения зон деформации сменяется стадией их локализации, в которой происходит сдвиг части материала в масштабе пятна контакта относительно нижележащего материала и формирование нового участника процесса трения — нанокристаллического материала. Этот момент времени соответствует резкой интенсификации адгезионного изнашивания.

4. Переход от нормального окислительного изнашивания к катастрофическому изнашиванию схватыванием сопровождается увеличением масштаба зон поверхности трения, в которых наблюдается самоподобие рельефа. В пределах этих зон деформация элементов происходит самосогласованным образом и появляется новый масштаб (десятки микрометров) деформации, связанный с увеличением толщины силыюдеформированного материала и его движение как целого.

5. Обнаружено, что переход от нормального изнашивания к катастрофическому может быть предотвращен в результате механохимического (латунь) или фазового превращения (никелид титана). В первом случае фрагментация в процессе трения приводит к преимущественному окисления цинка и образованию медной пленки, а во втором - к мартенситному превращению. В обоих случаях наблюдается уменьшение масштаба деформации.

6. Установлено, что эффективным средством снижения масштаба деформации при трении могут быть однофазные диффузионные боридные слои с зубчатой границей между ними и основным материалом, при трении которых обеспечивается эффективное рассеяние контактных напряжений и образование тонкого поверхностного слоя оксида бора, способствующего снижению силы трения.

7. Установлено, что введение наноразмерных частиц мягких металлов в смазку также приводит к образованию защитных вторичных структур на поверхности трения. При этом наиболее эффективно применение латуни, обладающей уникальным механизмом создания наиокомпозитной пленки при трении пары сталь-латунь. При введении напопорошков металлов в зону трения углеродистой стали на поверхности испытанных материалов действительно формируется антифрикционная нанокомпозитная пленка, упрочненная оксидами металлов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

изложены в следующих статьях и публикациях докладов конференций:

1. С.Ю. Тарасов, А.В. Колубаев Структура поверхностных слоев трения сплава 36НХТЮ // Изв. вузов. Физика. - 1991, - Вын.8,- С.9-12.

2. О.В.Сизова, А.В.Колубаев, В.И.Ковешников, Г.В.Трусова, С.Ю.Тарасов Упрочняющая обработка опор скольжения буровых долот // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1993. - №4. - С.25-27.

3. А.В. Колубаев, О.В. Сизова, С.Ю. Тарасов, Г.В. Трусова Особенности структуры и триботсхнические свойства боридных покрытий И Материалы международного симпозиума: 'Гриболог - ЮМ - Slavyntrib - 1. -Рыбинск, Москва, 1993.- С.86-88.

4. А.В. Колубаев, С.Ю. Тарасов, Г.В. Трусова, О.В. Сизова Структура и свойства однофазных боридных покрытий // Изв. вузов. Черная металлургия.-1994.- №7.-С.49-51.

5. A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, S.Y. Tarasov, G.V. Trusova, V.V. Fadin. New wear resistance materials and hardfacing techniques for drilling bits bearings // Zagadnienia Ek-sploatacji Maszyn (Poland).- 1994. - Vol. 29, Z. 3-4. - P.567-573.

6. A.B. Колубаев, B.JI. Попов, О.В. Сизова, С.Ю. Тарасов. Особенности структуры поверхностных слоев металлов при трении с высокими нагрузками// Физическая мезо-механика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т./ под ред. В.Е.Панина. -Новосибирск: Наука. - 1995. - Т.1. - С.265-275.

7. A.V. Kolubaew, O.W. Sizowa, S.Y. Tarasow, G.W. Trusowa. Verschleissfeste Boridschichten fuer Reibungssysteme // Tribologie und Schmierungstechnik>1995.-42 Jahrgang.- №1,- S.3-5.

8. С.Ю. Тарасов, Г.В. Трусова, А.В. Колубаев, О.В. Сизова. Структурные особенности боридных покрытий триботехнического назначения//МиТОМ. - 1995.-№б. - С.35-38.

9. A.V. Kolubaev, S.Y. Tarasov, V.L. Popov. Structural aspects of surface layer formation by friction // Proceedings of the 2nd International Conference on Wear Resistant Surface Layers. -Prague.-1995. - P.17-23.

10. A.V. Kolubaev, S.Yu. Tarasov. Studies on Formation and Destruction of Surface Layers under Severe Friction // Proceedings of 4th Yugoslav Conference on Tribology. Herceg Novi, 1995,- P.17-18.

11. S.F. Gnyusov and S.Yu. Tarasov. Nature of wear and evolution of the structure of a hard alloy in friction // Journal of Advanced materials.- 1996,- 3 (6).- P. 492-496.

12. A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, G.V. Trusova, S.Y.Tarasov. High fracture toughness boride layers for slide bearing surface II Proceedings of the 2nd International Conference on Wear Resistant Surface Layers. - Prague. - 1995,- P. 57-62.

13. A.V. Kolubaev, S.Yu. Tarasov. Studies on formation and destruction of surface layers under severe friction // Facta Universitatis. University of Nis, Yugoslavia. Series: Mechanical engineering- Vol.1. - №4. - 1997. - P.429-432.

14. S.F. Gnyusov and S.Yu. Tarassov. Friction and the Development of Hard Alloy Surface Microstructures during Wear 11 J. of Mat. Eng. and Perf.- Vol.6.- 1997,- №6,- P.737-742.

15. А.В. Колубаев, B.JI. Попов, С.Ю. Тарасов. Формирование субструктуры поверхностного слоя при трении. Изв. Вузов. Физика. №2, 1997.С.89-95.

16. С.Ф. Гнюсов, С.Ю. Тарасов. Характер износа и эволюция структуры твердого сплава при трении // Перспективные материалы.- №6.- 1997.

17. А.В. Колубаев, С.Ю. Тарасов. Закономерности формирования поверхностных структур при трении с высокими нагрузками // Трение и износ, Т.19, №3,- 1998. -С.379-385.

18. С.Ю. Тарасов. Исследование триботехнических свойств никелида титана // Перспективные материалы,- 1998,- №5.- С.24-30.

19. A.V. Kolubaev, S.Yu. Tarassov E.V. Kozlov. Effect of friction on subsurface layer microstructure in austenitic and martensitic steels II Tribologia, Poland. -5.- 1998. - P.715-727.

20. S. Tarassov, A. Kolubaev, A. Lipnitskii and V. Panin. Application of Fractals to the Description of Friction Surface and Wear//ZagadnienjaExploatacji Maszyn.-2(114).- 1998. - Poland. - P. 229-237.

21. С.А. Беляев, А.В. Колубаев, С.Ю.Тарасов. Влияние модификаторов трения на деформацию поверхностных слоев материалов при трении. Актуальные проблемы материаловедения: Материалы VI Международной научно-технической конференции / под ред. П.С. Носарева. - Новокузнецк: СибГИУ. -1999. - 210с. - С. 151.

22. С. Ю. Тарасов, А.В. Колубаев, А.Г. Липницкий. Применение фракталов к анализу процессов трения // ПЖТФ.- 1999,- Т. 25,- № 3. - С. 82-88.

23. S.Yu. Tarassov and A.V. Kolubaev. Effect of friction on subsurface layer microstructure in austenitic and martensitic steels // Wear.- 231,- 1999.- P.228-234.

24. B.E Панин., А.В. Колубаев, А.И. Слосман, С.Ю. Тарасов, С.В. Панин, Ю.П. Шар-кеев. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики // Физическая мезо-механика,- Т.З.- №1.- Февраль 2000,- С. 67-74.

25. С.А. Беляев, С.Ю. Тарасов, А.В. Колубаев, С.А Ларионов. Влияние УДП присадки меди в смазке на процессы трения и изнашивания // Материалы международного научно-практического симпозиума Славянтрибо-5 "Наземная и космическая трибология-2000. Проблемы и достижения. - Санкт-Петербург,-26-30 июня 2000г. - С. 249-251.

26.С.Ф. Гнюсов и С.Ю. Тарасов Фазовые превращения в твердом сплаве при трении и оценка фрактальных свойств поверхностей трения // Трение и износ,- 2000.- №1.-Т. 21,- С. 82-87.

27. С.А. Беляев, С.Ю. Тарасов, М.И. Лернер, А.В. Колубаев. Использование добавок нанопорошков меди и латуни в жидкой смазке/ Надежность машин и технических систем // Материалы межд. научно-технической конференции: 2001г., Минск) под общей ред. О.В. Берестнева. - Минск: Институт технической кибернетики НАН Беларуси//Т 2. -С. 177-178.

28. V. Panin, A. Kolubaev, S. Tarasov and V. Popov. Subsurface layer formation during sliding friction // Wear. Vol.-249/10-l 1. -2002.- P. 860-867.

29. S. Tarasov, A. Kolubaev, S. Belyaev, M. Lemer and F. Tepper. Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil // Wear.- Vol. 252/1-2.-2002.-P. 63-69.

30. S. Tarasov, S. Belyaev. Alloying contact zones by metallic nanopovvders in sliding wear//Wear.- Vol. 257.-2004,- Issue 5-7. -P.523-530

31. С.Ю. Тарасов, C.H. Поляков, С.А. Бикбаев. Визуализация локализованной деформации при трении // Физическая мезомеханика.- 8.- 3.- 2005,- Р.93-98.

32. С.Ю. Тарасов, С.А. Беляев, М.И. Лернер. Износостойкость конструкционной стали в смазочной среде, содержащей нанопорошки металлов // МиТОМ.- №12.- 2005,-C.3I-36.

33. С.А Беляев, С.Ю. Тарасов. Изучение влияния медьсодержащей жидкой смазки на работу пары трения «сталь-сталь» в режиме схватывания // Материалы III международного технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" Омск -2005. - С. 96-99.

34. S.Yu. Tarasov, S.A Belyaev. Effect of nanocopper-containing liquid lubricant on seizure in steel-steel sliding friction couple // Conference materials Balttrib 2005.- Lithuania-Kaunas.- P. 140-142.

35.С.Ю. Тарасов. Локализация деформации при трении // МиТОМ №5.-2006.-С.38-42.

36. А.В. Колубаев, О.В. Сизова, С.Ю Тарасов, Е.А. Колубаев, Ю.Ф. Иванов. Эволюция структуры поверхностного слоя металлов в условиях трения скольжения // Трение и ИЗНОС.-2007. -Т.28,- №6.- С.582-590.

37. С.Ю. Тарасов, А.В. Колубаев. Развитие деформации на разных масштабных уровнях в поверхностных слоях при трении // Деформация и разрушение материалов,-№1.-2008. -С.21-27.

38. S.Yu. Tarasov. Mild-to-severe wear transition and plastic strain localization. // Annals of Faculty of Engineering - Journal of Engineering Hunedoara. -Vol. VI. Fascicule 2/2008. -Mirton, Timisoara, Romania. -ISSN 1584-2665. -P. 15-24.

39. С.Ю. Тарасов, А.В. Колубаев. Формирование полос локализованного сдвига в поверхностных слоях металлов при трении // ФТТ,- 2008.- Т.50.- Вып. 5. - С. 811-814.

Издательство «В-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637768 Подписано к печати 17.10.2008. Формат 60х84'/|6. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ 127. 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, тел. 49-09-91. E-mail: bmwm@list.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НА-ГРУЖЕНИЯ. (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Введение.

1.2. Механизмы изнашивания.

1.3. Механизмы адгезионного и абразивного изнашивания при одном проходе.

1.4. Механизм усталостного изнашивания.

1.5. Механизм коррозионного изнашивания металлов и керамик в скользящем контакте.

1.6. Влияние температуры на износ металлов.

1.7. Деформация материалов в зоне трения.

1.8. Моделирование процесса изнашивания.

1.9. Эффекты третьего тела - перенос и перемешивание.

1.10. Трение и изнашивание материалов с фазовыми превращениями

1.11. Использование эффекта механического перемешивания (легирования) для снижения трения и износа в металлах.

1.12. Постановка задачи.

2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МЕТОДИКИ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

2.1. Материалы.

2.2. Микроструктура нанопорошков, используемых для модификации поверхностных слоев образцов.

2.3. Оборудование и методы испытаний.

2.4 Методика электронноспектроскопического (РФЭС) исследования поверхностных слоев образцов сталей после трибоиспытаний в среде смазки с добавками нанопорошков.

Одной из самых важных тенденций развития машиностроения является сни-жение материалоемкости машин и механизмов. Уменьшение размеров и массы изделий приводит к необходимости передачи более высоких контактных напряжений и мощностей, что приводит к быстрому изменению свойств и структуры материала, особенно в случае трения. Большое разнообразие сложных физико-химических процессов, одновременно протекающих на поверхностях трения, затрудняет построение единого подхода к описанию процесса изнашивания трущихся тел. Поэтому в литературе обычно ограничиваются общей классификацией известных механизмов изнашивания, их идентификацией в различных условиях трения, изучением характера каждого отдельного механизма. Диссертация посвящена исследованию структурных изменений в поверхностных слоях металлических материалов с различной исходной структурой в процессе трения и изнашивания, главными действующими факторами которого являются деформация, фрикционный нагрев и адгезионное взаимодействие. В ходе работы были получены результаты, которые могут быть использованы при разработке физических моделей процесса, выборе материалов пар трения, диагностике ресурса несущей способности материала и оптимизации состава смазочных композиций.

Актуальность темы диссертации. Трение и изнашивание материала в условиях адгезии является сложным многофакторным видом нагружения, в результате которого в поверхностных слоях материалов происходят изменения, непосредственно связанные с образованием сильнодеформированного, фрагментированного поверхностного слоя и переходом от нормального механизма изнашивания к катастрофическому. Катастрофическое изнашивание можно охарактеризовать как резкое и необратимое увеличение масштаба разрушения в поверхностных слоях образца, сопоставимое с размерами самого образца. С практической точки зрения важной и актуальной задачей является как прогнозирование этого перехода, так и выработка методов по его предотвращению путем перевода процесса на докритический микроскопический масштаб. В связи с этим изучение развития фрагментированной структуры и ее влияния на разрушение поверхностного слоя твердого тела (изнашивание) при трении является актуальной научной и практической задачей. Представленные в диссертации результаты исследований актуальны также вследствие того, что посвящены и связаны с актуальными проблемами материаловедения и физической мезомеханики как научного направления Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

Связь с крупными научными программами. Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетной НИР, включенным в программу СО РАН по приоритетному направлению "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий", Комплексным проектом СО РАН на 2004-2006 гг. «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимосвязи и корреляции процессов локализации деформации на мезо-и макроуровнях в структурно-неоднородных материалах и конструкциях с концентраторами напряжений и принципы построения критериев предельных состояний для них», проект 8.1.2. «Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценке прочности, износостойкости и долговечности», раздел 8.1.2.3 «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях» и с Программой 3.6.1 фундаментальных исследований СО РАН на 2007-2009 гг., проект 3.6.1.2 «Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации структурно-неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценки прочности, износостойкости и долговечности материалов и конструкций», раздел «Закономерности пластической деформации поверхностных слоев металлов и композиционных материалов при трении на разных масштабных уровнях», грантом РФФИ №06-08-00775а и международным DOE IPP проектом DE-AC36 99GO10337 по разработке и поиску применений наноразмерных материалов.

Цели и задачи исследования. Основная цель этой работы: разработать научно-обоснованные критерии устойчивости материалов к изнашиванию и изучить особенности формирования структуры металлических материалов, их физико-механических и трибологических свойств в различных условиях трения и изнашивания.

Объект и предмет исследования. Объектами исследований являются металлы, сплавы, стали, композиционные материалы и диффузионные покрытия. Выбор объектов исследования диктовался практическими и методологическими целями. Предметом исследований является процесс адгезионного трения и изнашивания этих материалов.

Структурные изменения в поверхностных слоях твердых тел при трении в условиях, близких к схватыванию заключаются в образовании особого поверхностного слоя, структура которого сильно измельчена под действием деформации, перемешивания и генерируемого трением тепла. Обычно образование такого слоя связывается главным образом с переносом и перемешиванием фрагментов и частиц износа на поверхности. Таким образом, по общепринятому мнению формирование слоя идет постепенно и не связано с изменением масштабного фактора. В наших работах было установлено, что этот процесс может происходить за очень короткое время в виде сдвига одной части материала относительно другой, т.е. за счет потери сдвиговой устойчивости поверхностного слоя материала в условиях усиления адгезионной составляющей трения. На основании имеющихся предварительных результатов и с учетом литературных данных были сделаны предположения о том, что в процессе адгезионного изнашивания локализация деформации может приводить к локальной потере сопротивления материала к сдвигу и быстрому образованию и переносу сильнодеформированного материала с повышенной адгезионной активностью. Поскольку механизм деформации материала в наноструктурном состоянии отличается от механизма деформирования поликристалла, то должны различаться и механизмы изнашивания. При изменении условий трения происходит переход от режима накопления дефектов к режиму адгезионного изнашивания на более высоком масштабном уровне. Методом легирования зоны трения можно вновь привести систему на низкий масштабный уровень, создав защитную пленку с низкой адгезионной активностью. В процессе дальнейших исследований эта гипотеза была экспериментально подтверждена.

Методология и методы проведения исследований. В настоящее время процесс деформации твердых тел традиционно рассматривается на микроструктурном (дислокационном) уровне. При этом существуют известные трудности, особенно ярко проявляющие себя при попытках применить теорию дислокаций для объяснения явлений разрушения на макроуровне (в масштабе образца). Необходимым связующим звеном между поведением деформирующейся структуры на микроуровне и макроуровне может служить рассмотрение структурных изменений на промежуточном масштабном уровне, описывающем взаимодействие потоков дефектов и локализацию деформации. Характерной чертой деформации материалов на этом уровне является то, что носителем деформации выступают некоторые объемы материала (фрагменты), взаимодействующие между собой по определенным закономерностям.

Таким образом, многомасштабный подход необходимо применить и к описанию процессов деформирования и фрагментации поверхностных слоев твердых тел при трении и изнашивании. Отличительной особенностью при этом является дискретный характер контактирования, вследствие чего локальные напряжения значительно превышают среднее давление, которое испытывает образец. В результате повторяющихся с высокой частотой взаимодействий в пятнах касания на поверхности трения образуются сильнодефор-мированные слои, механизм деформации и разрушения которых в значительной степени отличается от общепринятых в физике деформированного твердого тела. Для получения информации об особенностях деформирования и масштабе вовлекаемых в этот процесс объемах материала был использован метод расчета фрактальной размерности поверхностей износа.

Структурные изменения, обусловленные трением, можно наблюдать лишь после остановки испытательной машины. Между тем, для понимания особенностей формирования слоя и соответствующего этому масштабного перехода чрезвычайно важна предварительная стадия деформации. Прежде чем проявится новый масштаб деформации, должны быть созданы его предпосылки, предвестники. В связи с этим методологически важно исследовать распределение деформации в поверхностных слоях твердых тел в различных режимах трения. Кроме того, необходимо найти связь между тем как распределяются контактные зоны на поверхности, и как происходит их деформация под поверхностью. В связи с этим было разработано устройство, которое позволяет использовать известный метод декорреляции спеклов для визуализации деформации на боковой поверхности образца при трении. При проведении триботехнических испытаний и структурных исследований были использованы стандартные методики.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Проведенные исследования позволили получить новые представления о локализации деформации при трении и механизме формирования сильнодеформированно-го слоя. Впервые показано, что при нормальном изнашивании отсутствует стационарные зоны локализации деформации. Деформация локализуется лишь на более поздних стадиях, когда система готовится к выходу на более высокий масштаб деформации.

Впервые показано, что в локализованной зоне деформации может произойти потеря сдвигового сопротивления материала и формирование нанокристаллического материала, что является предвестником образования фраг-ментированного слоя и перехода к адгезионному режиму трения и изнашивания. На примерах материалов со стабильной структурой (меди, сталей аусте-нитного класса) проведены исследования закономерностей чисто механической деградации поверхностных слоев при трении, а на примерах латуни, сталей ферритного класса, никелида титана и композиционного материала исследованы особенности формирования поверхностей трения под действием механохимического фактора и фазовых превращений.

Подробно исследованы механохимические процессы на поверхностях трения углеродистой стали в смазочных средах с добавками нанопорошков пластичных металлов, приводящие к формированию защитных нанокомпо-зитных пленок. С целью поиска количественного критерия оценки механизма изнашивания и обоснования подхода мезомеханики к проблемам трения проведены расчеты фрактальных характеристик поверхностей трения и боковых поверхностей образцов.

Достоверность полученных экспериментальных данных и результатов подтверждается использованными в работе стандартными методиками испытаний и исследований, алгоритмами статистической обработки и соответствием закономерностям, полученным другими авторами.

Научная и практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что полученные экспериментальные данные об особенностях и закономерностях структурной деградации материалов при трении, кинетике локализации деформации и модифицировании поверхностных слоев нанопо-рошками пластичных металлов позволяют получить более глубокие представления о протекающих на поверхностях трения физико-химических процессах, предшествующих изнашиванию.

Результаты исследования локализации деформации при трении позволяют диагностировать состояние и прогнозировать переход от нормального к катастрофическому изнашиванию в реальных узлах трения. Кроме того, эти исследования позволяют разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору материалов и оптимизации структуры их поверхностных слоев для снижения износа и трения в конкретных условиях нагружения.

Полученные в работе данные и результаты могут быть использованы при разработке новых материалов, способов упрочняющей поверхностной обработки, построении моделей трения.

На защиту выносятся:

1. Совокупность экспериментальных данных в виде зависимостей износа, температуры, коэффициента трения от давления и скорости скольжения, а также результаты их анализа, которые указывают на особенности формирования и деформации поверхностного слоя с нанодис-персными составляющими, обусловленные тем, что переход от нормального к адгезионному изнашиванию связан с вязким характером деформации этого слоя.

2. Закономерности деформирования поверхностных слоев материалов на микроуровне, которое носит на начальных стадиях трения стадийный характер, в условиях нормального и адгезионного изнашивания, заключающиеся в формировании сильнодеформированного фрагментиро-ванного слоя материала с размером структурных составляющих 0,01 4- 0,1 мкм.

3. Закономерности формирования разномасштабной деформированной структуры вблизи поверхности трения при переходе от нормального к катастрофическому изнашиванию, характеризующиеся изменением толщины поверхностного слоя с нанодисперсными структурными составляющими, в результате которого катастрофическое изнашивание развивается на более высоком мезоскопическом уровне.

4. Метод управления изнашиванием и трением путем направленного формирования твердых гетерогенных слоев (на примере борирования) и нанокомпозитных структур, получаемых введением наноразмерных частиц мягких металлов в зону трения, в результате чего образуется тонкий пластичный слой, обладающий свойствами антифрикционного защитного покрытия.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Личный вклад автора заключался в постановке задач, анализе и интерпретации результатов, обсуждении полученных закономерностей. Ряд оригинальных методик проведения исследований были разработаны лично автором. Исследования по модификации поверхностных слоев углеродистых сталей наноразмерными порошками металлов были выполнены в соавторстве с С.А.Беляевым.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы триботехнологии" (г.Николаев, 1988г.), Региональной научно-технической конференции "Порошковые материалы и плазменные покрытия" (г.Барнаул, 1988, 1990.), Всесоюзном семинаре "Физико-технические проблемы поверхности металлов" (г.Горький, 1990), Научно-технической конференции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов" (Киев, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (г.Брянск, 1991),4-й Европейской конференции Восток-Запад "EMRS 1993 FALL MEETINGS" (Санкт-Петербург, 1993), Международном семинаре "Триболог-lOM-SLAVYANTRIBO-l. Анализ и рациональное использование трибообъектов" (г.Рыбинск, 1993), 4-м Международном трибологическом симпозиуме "INSYCONT'94" (Польша, Краков, 1994), 2-й международной конференции "Износостойкие поверхностные слои" (Чехия, Прага, 1995), 4-й Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (г.Томск, 1995), 4-й

Югославской конференции по трибологии (Герцег Нови, 1995), II Всероссийской конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», (г.Томск, 1999), V-th Russian-Chinese International Symposium "Advanced Materials and Processes", (Baikalsk, Russia 1999), Europ. Conf. on Composite Materials. Science, Technologies and Applications. ECCM-8, (Naples, Italy 1998), XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г.Ижевск 1998), международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-5, "Наземная и космическая трибология - 2000. Проблемы и достижения", (Санкт-Петербург, 2000), Международной научно-технической конференции, поев, памяти ген. конструктора аэрокосм, техники, акад Н.Д. Кузнецова, (г.Самара 2000), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г.Томск, 2004), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2007», (г.Гомель, Беларусь, 2007), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике» (г.Томск, 2008).

Публикация результатов. Содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе в 25 журнальных статьях, 12 статьях в научных сборниках, 9 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованных источников и приложений, посвященных использованию результатов работы на практике. Полный объем диссертации — 281 страница, включая 85 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 180 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены результаты, которые находят свое объяснение в рамках концепции многоуровневой деформации, разработанной В.Е. Паниным. Использованные в работе методы исследования масштабных уровней позволили выявить как наличие нескольких масштабов на поверхностях твердых тел при трении, так и выявить причину возникновения перехода от нормального изнашивания к катастрофическому через увеличение масштаба корреляционных зависимостей самоподобия.

Основными действующими внешними факторами при трении твердых тел являются контактное давление, фрикционный нагрев и действие окружающей среды. Основными процессами отклика материалов на эти факторы являются деформационные и структурные изменения в материалах и образование химических соединений в результате механохимических реакций. При этом из литературы известно, что сдвиговая компонента механического воздействия не смещает положение равновесия между исходным веществом и продуктом, но увеличивает скорость процесса [169]. Таким образом, порой весьма трудно понять, какой из этих факторов играет решающую роль на конкретном этапе испытаний.

В связи с этим, мы попытались отделить чисто деформационное воздействие от теплового и механохимического, используя для экспериментов низкие скорости скольжения. Очевидно, что деформация при трении является первоначальным этапом, который затем определяет дальнейшую эволюцию материала в зоне трения. В частности, проведение неправильной приработки материала может привести к преждевременному наступлению катастрофического изнашивания. Поэтому изучение начальных стадий деформации при трении может существенно дополнить картину. Локализация деформации всегда являлась нежелательным явлением при нагружении металлических деталей и/или образцов.

В нашей работе мы попытались пронаблюдать то, как происходит локализация деформации (формирование пятна контакта). Как выяснилось, на первоначальном этапе может существовать несколько зон деформации, большинство из которых свободно перемещаются вдоль образца, следуя за контртелом с его скоростью. Каждая из этих зон может быть описана как некий объем материала, в котором диссипируется энергия деформации, привнесенная контртелом [169]. Постепенно одна из зон замедляет свое движение и останавливается, аккумулируя в себе и другие зоны. Это может быть связано с локальным упрочнением материала. В следующий момент может произойти также ее ускорение (или рождение новой зоны), скорость которой снова сопоставима со скоростью скольжения. По нашему мнению, в этом случае происходит резкая локальная потеря устойчивости к пластическому сдвигу и формирование пятна контакта с нанокристаллической структурой. В некотором смысле такой переход подобен фазовому превращению, настолько свойства этого материала отличны от исходного. Это и более высокая прочность, диффузионная проницаемость границ зерен, и т.д. Соответственно, с увеличением площади контакта, занятой таким материалом, трение будет происходить в зависимости от его несущей способности и структурной приспосабливаемое™.

Возможны несколько вариантов развития событий в зависимости от самого материала, нагрузочных факторов и окружающей среды. В дальнейшей работе мы попытались проследить эти варианты на примерах различных материалов и сред. На рис. 7.24 представлена сводная схема проведенных в данной работе исследований по структурным изменениям при трении, из которой видно, что материалы по-разному противостоят деформации при трении.

Для аустенитных материалов единственным каналом диссипации энергии трения является деформация в поверхностных слоях, которая сначала приводит к формированию нанокристаллического материала на отдельных пятнах контакта в результате сдвига, а при увеличении интенсивности внешнего воздействия совершается переход к более крупным масштабам вплоть до всей номинальной поверхности образца. В таком материале как никелид титана при трении происходит фазовое превращение, в результате которого также формируется нанокристаллический слой [159] и поглощается энергия деформации, что приводит к хорошим результатам по трению и изнашиванию в определенных пределах несущей способности. При дальнейшем увеличении нагрузок также может происходить катастрофический износ вследствие высокой температуры и исчерпания данного канала диссипации энергии трения.

Структурные изменения в меди подобны изменениям, происходящим в нержавеющем сплаве, но поскольку этот материал более пластичен, то в нем это проявляется наиболее ярко. В частности, наблюдалась генерация нанок-ристаллического слоя толщиной >0,1 мм в результате резкого повышения коэффициента трения, который был вызван сдвиговой неустойчивостью части образца. Такое явление может быть описано в рамках адиабатического подхода, при котором происходит мгновенная потеря устойчивости в результате локализации деформации в большом пятне контакта. Такая картина отлична от классической картины постепенного увеличения числа пятен контакта и их последующего слияния в результате деформации. В материалах более подверженных влиянию кислорода, таких как латунь, мартенситная сталь, сформировавшиеся в результате начальной деформации наноструктуры интенсивно окисляются и формируют защитные пленки с низким коэффициентом трения. При этом в латуни может протекать процесс преимущественного окисления цинка и формирования композита на основе ZnO, Си и СиО.

На примере твердого сплава на основе стали Гадфильда мы изучали влияние фазовых превращений в связке на структуру поверхности трения. Было обнаружено, что при исчерпании ресурса несущей способности, обусловленного фазовыми превращениями, в поверхностных слоях происходит

Нержавеющие аустенитные ыт

М едь

Латунь

М артенситные

Твердый сплав

ДЕФОРМАЦИЯ + ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА + ТЕМПЕРАТУРА формирование нанокристаллическ их слоев на в области пятен контакта фазовое превращение формирование нанокристаллическ их слоев по всей номинальной площади контакта катастрофический износ

ЛОКАЛИЗАЦИЯ формирование нанокристаллическ их слоев на в области пятен контакта формирование нанокристаллическ их слоев по всей номинальной площади контакта К перенос материала и формирование пленки окисление и перенос фазовое первращение + окисление + формирование белых сильное окисление и размягчение фазовое превращение + формирование новых карбидов формирование д искретных областей контакта

Рис.7.25 Структурные изменения при трении в исследованных материалах формирование квазипериодических трещин и дискретных несущих областей. При этом рельеф поверхности становится постоянным, и трение локализуется только на этих дискретных и постоянных пятнах контакта. Пожалуй, это единственный пример того, как локализация воздействия на пятнах контакта может играть положительную роль при трении. Естественно, что в этом случае материал дискретной зоны контакта должен обладать стабильностью в отношении деформации и температуры.

Такого рода явления наблюдались и ранее при трении подобных материалов [160-168]. Вообще говоря, структура поверхности с дискретными несущими областями, по-видимому, является оптимальной для трения и соответствует принципу Шарпи, используемому при создании композитов три-ботехнического назначения. Поэтому одним из способов борьбы с износом можно называть создание искусственных упрочненных пятен контакта, например путем электронно-лучевого переплава [142]. Такой вывод подтверждается также исследованиями разрушения твердых боридных покрытий.

Как было установлено, можно получить однофазные боридные покрытия дискретного строения [71, 147, 149, 162]. Такие покрытия более устойчивы к выкрашиванию и были использованы для упрочнения подшипников скольжения буровых долот [147, 148]. Методы борьбы с износом путем создания твердых покрытий и материалов являются известными методами, но то, как их структура и свойства изменяются в процессе трения в зависимости от конкретных условий, является объектом для изучения в каждом случае.

Вопросом также является совместимость материалов пар трения в процессе изменения их свойств и структуры. Поэтому еще одним способом борьбы с износом является использование добавок в смазочные составы с целью обеспечить осаждение активных веществ на пятнах контакта и формирование защитных пленок. В данной работе мы изучали эти процессы и их эффективность на примерах порошковых добавок в жидкую смазку. В качестве добавок выбирались нанопорошки металлов, уже изученных в данной работе, меди и латуни, к которым добавлялся порошок цинка. Проведенные исследования позволили понять, как происходит формирование вторичных структур трения при трении в обычных условиях и при введении «искусственных частиц износа».

Было показано, что общим эффектом при введении наночастиц пластичных металлов является снижение вероятности образования зон локализации пластической деформации, возникновения очага схватывания и перехода системы трения на более высокий масштабный уровень деформации. При этом существует как эффект агломерации частиц во впадинах поверхности трения, так и эффект предпочтительной их агломерации и дальнейшего взаимодействия с металлом основы и окружающей средой в местах возникновения очагов схватывания.

Взаимодействие заключается в создании толстых защитных пленок на основе оксидов. При этом использование наночастиц латуни наиболее эффективно за счет образования оксида 2п0, который служит упрочняющей фазой для материала пятна контакта. Таким образом, использование именно металлических порошковых добавок может быть эффективным с двух точек зрения, в отличие, скажем, от стандартных цинксодержащих добавок в моторные масла. Однако следует отметить, что их седиментационная неусто-чивость в данном случае гораздо хуже за счет агломерации. То-есть, агломераты нанопорошков эффективны как транспорт цинка при точном оседании на поверхность трения, но они точно также могут оседать и на другие поверхности. С этой точки зрения их практическое применение было бы гораздо эффективнее в конденсированных смазках, чем в менее вязких средах.

Таким образом, была наконец прояснена ситуация с эффектом многих, имеющихся на рынке в настоящее время присадок для моторных масел.

На основании полученных в работе результатов можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что в материалах с различными свойствами и микроструктурой при трении в условиях, близких к схватыванию, на поверхности формируется сильнодеформированный слой материала с размером структурных элементов от 0,1 до 0,01мкм. Наличие таких структурных составляющих приводит к изменению механизма деформации в поверхностных слоях, при этом обнаруживается вязкий механизм течения слоя относительно границы с нижележащим материалом, представляющим собой зону фрагментации.

2. Показано, что вязкое течение слоя с нанокристаллической структурой образует слоистый рельеф. Механизм дальнейшей деформации такого слоя в виде вязкого течения определяет переход к катастрофическому изнашиванию в отсутствии механизмов структурной приспосабливаемости.

3. Методом вычислительной декорреляции спеклов было показано, что формированию слоя с нанокристаллической структурой предшествует несколько стадий пластической деформации в поверхностных слоях материала. Установлено, что первоначальная стадия хаотического распределения и движения зон деформации сменяется стадией их локализации, в которой происходит сдвиг части материала в масштабе пятна контакта относительно нижележащего материала и формирование нового участника процесса трения - нанокристаллического материала. Этот момент времени соответствует резкой интенсификации адгезионного изнашивания.

4. Переход от нормального окислительного изнашивания к катастрофическому изнашиванию схватыванием сопровождается увеличением масштаба зон поверхности трения, в которых наблюдается самоподобие рельефа. В пределах этих зон деформация элементов происходит самосогласованным образом и появляется новый масштаб (десятки микрометров) деформации, связанный с увеличением толщины сильнодеформированного материала и его движение как целого.

255

5. Обнаружено, что переход от нормального изнашивания к катастрофическому может быть предотвращен в результате механохимического (латунь) или фазового превращения (никелид титана). В первом случае фрагментация в процессе трения приводит к преимущественному окисления цинка и образованию медной пленки, а во втором - к мартенситному превращению. В обоих случаях наблюдается уменьшение масштаба деформации.

6. Установлено, что эффективным средством снижения масштаба деформации при трении могут быть однофазные диффузионные боридные слои с зубчатой границей между ними и основным материалом, при трении которых обеспечивается эффективное рассеяние контактных напряжений и образование тонкого поверхностного слоя оксида бора, способствующего снижению силы трения.

7. Установлено, что введение наноразмерных частиц мягких металлов в смазку также приводит к образованию защитных вторичных структур на поверхности трения. При этом наиболее эффективно применение латуни, обладающей уникальным механизмом создания нанокомпозитной пленки при трении пары сталь-латунь. При введении нанопорошков металлов в зону трения углеродистой стали на поверхности испытанных материалов действительно формируется антифрикционная нанокомпозитная пленка, упрочненная оксидами металлов.

1. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. Под ред. В.А.Белого, К.Лудемы, Н.К.Мышкина. М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон пресс, 1993.- 454 с.

2. В.Д. Кузнецов Физика твердого тела.-т.4.- Томск, 1947.

3. Д.В. Лоцко, Ю.В. Мильман Структура приповерхностного слоя механически обработанных кристаллических материалов в связи с механизмом абразивного изнашивания// Трение и износ,- 1993.- т. 14,- №1.-С.73-84.

4. И.И. Гарбар О структуре и строении поверхностных слоев сопряженных материалов трущихся пар //Трение и износ.- №4,- т.11.- 1990.1. С.581-593.

5. В.В. Горский, Е.К. Иванова Электронно-микроскопическое исследование продуктов износа фрикционной пары Fe-Cr, взаимодействующей в кислородсодержащей среде //Металлофизика.- 1992.- 14,- №5.- С.5-12.

6. В.В. Горский Масштабный скачок и формирование аморфно-кристаллических сплавов в явлении структурной приспосабливаемо-сти металлов в активных средах // Трение и износ.-1993.- т. 14,- №1.-С. 12-19.

7. Н.М.Алексеев, Н.Н.Кузьмин, Г.Р.Транковская, Е.А.Шувалова О самоподобии процессов трения изнашивания на различных масштабных уровнях.-Трение и износ.-1992.-т.13.-№1.-С.161-171.

8. K.Kato Wear mechanisms// World Tribology Congress, Plenary Papers, London, IMech E Public.-1997.-C. 39-56.

9. Kay aba Т., Kato K. The selective transfer of the slip tongue and the wedge // ASLE Trans. -1981,- 24.- P. 164-174.

10. Vingsbo O. and Hogmark S. Wear of steels. Fundamentals of friction and wear of materials. D.A. Rigney Ed.// ASM.- 1980,- P.373-408.

11. Д.П. Марков, Д. Келли Адгезионно-инициируемые типы катастрофического изнашивания // Трение и износ. -Т.23. -№5.- 2002. -С.483-493.

12. Гарбар И.И. Пространственно-временная эволюция фрагментирован-ных структур при фрикционном нагружении. В кн. Теоретическое и экспериментальное исследования дисклинаций // АН СССР .-1986. С.98-107.

13. П.Алексеев Н.М. Взаимодействие, изменение и разрушение твердых тел в трибологической системе// Справочник по триботехнике Т. 1 Под ред. М. Хебды и А.В. Чичинадзе. Москва-Варшава.: Машиностроение - ВКЛ. - 1989,- С. 220-232.

14. Alexeyev N.M. On the motion of material in the border layer in solid state friction. // Wear. 1990 (139).- P 33-48.

15. Johnson, K. L., Contact mechanics and the wear of metals // Wear, .-1995.190.- P.162-170.

16. Fischer Т.Е. and Tomizawa H. Interaction of tribochemistry and microfracture in the friction and wear of silicon nitride // Proc. Int. Conf. Wear of Materials. ASME, Vancouver, Canada.- 1985. -P.22-23.

17. Gee M. G. The formation of aluminum hydroxide in the sliding wear of alumina // Wear.- 1992.-153,.- P.201-227.

18. Krause H., and Scholter J. Wear of titanium and titanium alloys under condition of rolling stress // J. Lub. Tech. ASME.- 1978,- 100,- P.199-207.

19. Mishina H., Atmospheric characteristics in friction and wear of materials // Wear.- 1992,- 152,-P. 99-110.

20. Lim S.C., and Ashby M.F.Wear-mechanism maps //Acta Metall.- 1987.-35.-P.1-24.

21. Kuhlmann-Wilsdorf D. What role for contact spots and dislocations in friction and wear? // Wear.- 1996,- 200,- P.8-29.

22. Garbar I.I. and Skorinina J.V. Metal surface layer structure formation under sliding friction // Wear.- 1978.- 51,- P.327-336.

23. Конева H.A., Козлов Э.В., Тришкина Л.И. Классификация дислокационных субструктур // Металлофизика.-1991.-т.12.-№1.-С.49-58.

24. D. A. Rigney Transfer, mixing and associated chemical and mechanical processes during the sliding of ductile materials // Wear.- 245 (2000).- P.l-9.

25. A.Kapoor, F .J.Franklin Tribological layers and the wear of ductile materials // Wear 245,- 2000.- P.204-215.

26. P. Heilmann, D.A. Rigney An energy-based model of friction and its application to a coated systems // Wear.- 72.-1981.- P. 195-217.

27. В.П.Булатов, Ю.П. Козырев, В.И.Тулаев, Ю.А.Фадин Кинетика -разрушения поверхности при трении без смазочного материала //Трение и Износ,- Т.22.-№1.- 2003,- С. 17-20.

28. X.J. Wang, D.A. Rigney Sliding behavior of Pb-Sn alloys // Wear.- 181-183.-1995,-P. 290-301.

29. D.A. Rigney, M.G.S. Naylor, R. Divakar, L.K.Ives Dislocation structures caused by sliding and by particle impact // Mater. Sci. Eng. -81 .-1986.- P. 409-425.

30. А.Кароог, F.J. Franklin, S.K. Wong, M.Ishida Surface roughness and plastic flow in rail wheel contact // Wear.- 253,- 2002,- P.257-264.

31. Barrau, C.Boher, R. Gras, F.Rezai-Aria. Analysis of friction and wear behavior of hot work steel for forging // Wear.- 255,- 2003,- P. 1444-1454.

32. Etsuo Marui, Hiroki Endo Effect of reciprocating and unidirectional sliding motion on the friction and wear of copper on steel // Wear.- 249.-2001 .1. P.582-591.

33. V.Linck, L.Bailet, Y.Berthie Modeling the consequences of local kinematics of the first body on friction and on third body sources in wear. Wear.-255.-2003 .-P.299-308.

34. John L. Young, Doris Kuhlmann-Wilsdorf, R.Hull. The generation of mechanically mixed layers (MMLs) during sliding and the effects of lubricant thereon // Wear.- 246.- 2000,- P.74-90.

35. M.Sawa, D.A. Rigney Sliding behavior of dual phase steels in vacuum and in air // Wear.- 119,- 1987.- P.369-390.

36. P. Heilmann, J. Don, T.C. Sun, D.A. Rigney, W.A. Glaeser Sliding wear and transfer // Wear.- 91. -1983P. 171 -190.

37. N. Louat Alloys strong at room temperatures from powder metallurgy // Acta Metall. -33.-1985,- P.59-69.

38. Patric B. Berbon, William H. Bingel, Rajiv S. Mishra, Clifford C. Bampton and Murray W. Mahoney Friction stir processing: A tool to homogenize nanocomposite aluminum alloys // Scripta Mater.- 44.-2000,- P.61-66.

39. N.R.Tao, Z.B. Wang, T.P. Tong, M.L. Sui, J.Lu, K. Lu. An investigation of surface nanocrystallization mechanism by surface mechanical attrition treatment // Acta Mater. -50,- 2002.-P. 4603-4616.

40. Алексеев. H.M., Богданов B.M., Буше H.A. и др. Новое в структуре трения твердых тел// Трение и износ.-1989.-Т.9.-№6.

41. Алексеев Н.М. Новое о структурных особенностях изнашивания твердых тел // Трение и износ. 1989. Т. 10. №2.

42. J.E. Hammerberg, B.L. Holian, J. Roeder, A.R. Bishop, S.J. Zhou, Nonlinear dynamics and the problem of slip in material interfaces, // Physica D.-123,- 1998.- P.330-340.

43. A.L.Zharin, V.A. Genkin On rubbing surface electron work function periodicity // Soviet J.of Friction and Wear.- 2 (1).- 1981.- P.91-95.

44. T.Kasai, X.Y.Fu, D.A. Rigney A.L. Zharin Applications of a non-contacting Kelvin probe during sliding // Wear.- 225-229.-1999.- P.l 1861204.

45. Н.М.Алексеев, M.H. Добычин Модели изнашивания. В кн. Триболо

46. Трибология. Исследования и приложения: Опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение.- 1993.-С.66-87.

47. Крагельский И.В. Износ как результат повторной деформации поверхностных слоев // Изв. Вузов. Физика. -1958. -№5. -С. 119-127.

48. Панин В.Е., Лихачев В.А.,Гриняев Ю.П. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск.: Наука.- 1985.-229 с.

49. Панин В.Е., Гриняев Ю.П., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения //.-Новосибирск. Сиб. Отделение,- 1990.-255.с

50. В.Е.Панин, П.А.Витязь Физическая мезомеханика разрушения и износа на поверхностях трения твердых тел // Физическая мезомеханика. -5, 1.-2003.- С.5-13.

51. Панин В.Е., Колубаев A.B., Слосман А.И., Тарасов С.Ю., Панин C.B., Шаркеев Ю.П. Износ в парах трения как задача физической мезоме-ханики // Физическая мезомеханика.- 2000.-Т.З.- №1.-С.67-74.

52. V. Panin, A. Kolubaev, S. Tarasov , V. Popov Subsurface layer formation during sliding friction // Wear.- Vol.249.- 2002.-P.860-867.

53. И.И. Гарбар Некоторые закономерности формирования структуры металла при трении // Трение и износ. 1981. - Т.2, № 6. - С. 1076-1084.

54. Л.С. Рапопорт Уровни пластической деформации поверхностных слоев и их связь с процессом изнашивания // Трение и износ. 1983. - Т. 4, № 1.-С. 121-131.

55. В.И. Владимиров Проблемы физики трения и изнашивания // Физика износостойкости поверхности металлов. Л.: ФТИ РАН.- 1988.- С. 8 -41.

56. Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

57. S.Yu. Tarasov, A.V. Kolubaev Effect of friction on subsurface layer microstructure in austenitic and martensitic steels // Wear. 1999. - v.231/2. - P.228.234.

58. Н.А. Буше Оценка роли металлических материалов в совместимости трибосистем. Там же.

59. Z.Y.Yang, M.G.S. Naylor, D.A. Rigney Sliding wear of 304 and 310 stainless steels// Wear.- 105.-1985.- P.73-86.

60. Сагарадзе B.B., Уваров В.И. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука, - 1989.-270с.

61. Л.С. Палатник, Т.М. Равицкая, Е.Л. Островская Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения. Челябинск, Металлургия. -1988. -160с.

62. D.Y.Li, A new type of wear-resistant material: pseudo-elastic TiNi alloy// Wear.-1998,- v.221.- P.l 16-123.

63. В.И.Зельдович,Н.Ю.Фролова, В.П.Пилюгин, B.M. Гундырев Аморфные и нанокристаллические структуры в никелиде титана, полученные при интенсивной пластической деформации и последующем нагреве // ФММ,- 2004.-т. 97.-№1.- с.55-63.

64. В. В. Семида, В.В. Полотай, С.Н. Солонин, Н.В. Гончарук Триботех-нические свойства никелида титана при трении без смазки// Трение иизнос,- 16,- 1995,-№2.

65. С.Ю.Тарасов Исследование триботехнических свойств никелида титана // Перспективные материалы,- 1998.- №5.- С.24-30.

66. С.Ф. Гнюсов и С.Ю. Тарасов «Фазовые превращения в твердом сплаве при трении и оценка фрактальных свойств поверхностей трения //Трение и износ,- 2000,- №1,- Т. 21,- С.82-87.

67. Е. Fleury, S.M.Lee, J.S. Kim, D.H. Kim, W.T. Kim, H.S. Ahn Tribological properties of Al-Ni-Co-Si quasicrystalline coatings against Cr-coated cast iron disk // Wear.- 253,- 2002.- P.1057-1069.

68. L.M. Zhang, H.C. Zhang, Q.G.Zhou, C. Dong Friction measurement on Al-Cu-Fe quasicrystalline and B2 type materials // Wear.- 225-229.-1999,-P.784 -788.

69. Zhiang Liu, Anne Neville, R.L.Reuben and Weldian Shen The contribution of a soft (thin) metallic film to a friction pair in the running-in process // Tribology letters.- Vol.11.-#3-4,- 2001. P. 161-169.

70. N. P. Suh The delamination theory of wear // Wear.- Vol.25.-1973.-P. 111124.

71. J.R. Fleming, N.P. Suh Mechanics of crack propagation in. delamination wear // Wear.- 44,- 1977.- P.39-56.

72. Б.И. Костецкий Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техшка,-1970. - 396 с.

73. Поверхностная прочность материалов при трении. / Под ред. Б.И. Кос-тецкого. Киев: Технпса, 1976,- 296 с.

74. V.Kuranov, A.Vinogradov, S. Mironov Unity and contrast of normal oxidizing friction and selective transfer // Exploitation problems of machines. Warszawa.- Z.2 (114).- vol.33.- 1998,- P.239-245.

75. A.V.Kolubaev, O.V.Sizova, S.Y.Tarasov, G.V.Trusova, V.V.Fadin New wear resistance materials and hardfacing techniques for drilling bits bearings // Zagadnienia Eksploatacji Maszyn (Poland).- 1994. Vol. 29, Z. 3-4. -P.567-573.

76. Ищук Ю.А. Технология пластичных смазок. Киев: Навукова думка. -1986.

77. Фукс И.Г. Добавки к пластичным смазкам- М.: Химия. 1982.

78. М.Люты, Г.А.Костюкович, А.А. Скаскевич, В.А. Струк, О.В. Холоди-лов Методология создания смазочных материалов с наномодификато-рами.// Трение и износ,- 2002,- (23) #4.- С.411-424.

79. И.В. Фришберг, Л.В. Золотухина, Н.В. Кишкопаров, O.K. Батурина, В.В. Харламов, С.В. Жидовинова Влияние ультрадисперсных порошков сплавов меди на сопряженные поверхности при трении // Ми-ТОМ.-2003.- №12. -С.12-15.

80. В.В. Харламов, Л.В. Золотухина, И.В. Фришберг, Н.В. Кишкопаров

81. Влияние ультрадисперсного порошка сплава Cu-Sn на массоперенос при трении скольжения // Трение и износ. 1999 (20).- №3. -С.333-338.

82. S. Tarasov, A. Kolubaev , S. Belyaev , М. Lerner and F. Tepper Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil // Wear.-2002.- V. 252/1-2. -P63-69

83. В.Ф. Суховаров Прерывистое выделение фаз в сплавах. Новосибирск, Наука. -1983

84. Гюнтер В.Э., Итин В.И., Монасевич А.А. и др. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992,- 742 с.

85. D. Briggs, М.Р. Seach (Eds.) Practical surface analysis by Auger and X-Ray photoelectron spectroscopy, New-York.- 1983.

86. C.D.Wagner , W.M.Riggs , L.E.Davis et al., (Eds.), Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy, Perkin-Elmer Corporation, Physical Electronics Division, Eden Prairie Minnesota.- 1979.

87. J.F.Moulder , W.F.Stickle , P.E.Sobol et al., (Eds.), Handbook of X-rayphotoelectron spectroscopy, Perkin-Elmer Corporation, Physical Electronics Division, Eden Prairie Minnesota.- 1992.

88. J. Hershberger, O.O. Ajayi, J. Zhang, H. Yoon, G.R. Fenske Evidence of scuffing initiation by adiabatic shear instability//Wear.-2005.- V.258.1. P.1471-1478.

89. B.E. Рубцов, A.B. Колубаев Пластическая деформация и квазипериодические колебания в трибологической системе// ЖТФ.-2004,- Т.74,- Вып. 11,- С.63-69.

90. Kulkov S.N., Melnikov A.G., Novikov A.V., Poletika T.M. Sintering and High-Temperature Extrusion of Hard Alloys with Damping Binders. //Sci. of Sint. 1990.-22(2). -P.65-72.

91. Н.Н.Кузьмин, Шувалова E.A. и др. Методы анализа поверхностей, формирующихся при трении // Трение и износ.- 17,- 1996.- №4.- С. 480-486.

92. В.Е. Панин Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Изв. Вузов. Физика. 1998. - № 1. - С.7 - 34.

93. Т.Ф. Елсукова, В.Е. Панин Эволюция структурных уровней деформации и самоорганизация мезоскопической субструктуры в поликристаллах // Изв. АН СССР. Металлы. 1992. - № 2. - С.73-89.

94. Ж.П. Пуарье Высокотемпературная ползучесть кристаллических тел.- М.: Металлургия.- 1983. -272 с.

95. П.В. Макаров Подход физической мезомеханики к моделированию процессов деформации и разрушения // Физическая мезомеханика. -1998.-Т. 1, № 1.-С. 61-81.

96. P. Heilmann, W.A. Clark, D.A. Rigney Orientation determination of subsurface cells generated by sliding // Acta.Met.-1983. v. 31, №8 .- P. 1293- 1305.

97. N.M. Alexeyev, N.N. Kuzmin, G.R. Trankovskaya, E.A. Shuvalova On the similarity of friction and wear processes at different scale levels // Wear.- 1992.-V. 156.-P. 251 -261.

98. JI.M. Рыбакова, Л.И. Куксенова Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

99. И.В. Крагельский Трение и износ. М.: Машиностроение.- 1968.-480с.

100. С.Н. Кульков Применение фрактального подхода для триботехниче-ского анализа // Трение и износ. 1997. - Т. 18, № 6. - С.761 - 765.

101. S. Tarassov, A. Kolubaev, A. Lipnitskii and V. Panin Application of Fractals to the Description of Friction Surface and Wear // Zagadnienja Ex-ploatacji Maszyn (Poland). -1998. -№ 2 (114). P. 229-237.

102. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука.- 1994.- 383с.

103. Kamada R.F. A fractal interfacial entrainment model for dry convective boundary layers. Part 1. Model description. Part 2. Discussions of model behavior and comparison with other models.//1. Atmos. Sci.- 1988.- 4517.-P.2365-2383.

104. Pande C.S., Richards L.E., Smith S.J.//J. Mater. Sci. Lett, 1987,- 6,- 259.

105. Huang Z.H., Tian J.F. and Wang Z.G. // Materials Science and Engineering. -1989. -V. A118. -P. 19-24.

106. Панин B.E., Кузнецов П.В., Дерюгин E.E., Панин С.В., Елсукова Т.Ф. Фрактальная размерность мезоструктуры поверхности пластически деформированных поликристаллов // ФММ.- 1997,- Т. 84.- № 2.1. С.189-192.

107. Н. Mishina Surface deformation and formation of original element of wearparticles in sliding friction // Wear.-1998,- V.215.-P.10-17.

108. M.A.Seif, P.S.Mohr, F.A.Moslehy, S.L.Rice. Deformation and strain fields in pin specimen in sliding contact by laser speckle and metallographic techniques//Transactions of ASME.- vol.122.- 1990.-5065-5113.

109. Vladimirov A.P., Gorohov A.A., Galkin E.N., Lisin A.L. Using speckle optics for studying the localization and determination of non-reversible deformations// SPIE Proceedings.-V.2000.-4002.-P. 128-134.

110. А.П.Владимиров Динамическая спекл-интерферометрия деформируемых объектов. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн.наук. Екатеринбург 2002. 336с.

111. Патент №2177602 Способ отображения зон локализации деформации поверхности С.Н. Поляков, В.В. Горбатенко, Л.Б. Зуев. Опубл. в БИ 27.12.2001.

112. С.Н. Поляков, В.В. Горбатенко, Е.Л.Лопаев, Л.Б. Зуев. Метод вычислительной декорреляции цифровых спекл-изображений для исследования пластической деформации// Автометрия.- 2003.- Т.39,- №5.1. С.102-111.

113. U. Rabe, S. Amelio, М. Kopycinska, S. Hirsekorn, M. Kempf, M. Goeken and W. Arnold Imaging and measurements of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy// Surf. 1 Interface Annal.-2002,- 33.- C.65-70.

114. A.H.Uppal and S.D. Probert The real area of contact between a rough and a flat surface// Wear.-1972.-V.22,- P. 163-183.

115. D.Shakhvorostov, K.Pohlmann, M. Scherge Structure and mechanical properties of tribologically induced nanolayers// Wear.- Vol. 260,- 4-5.2006,- P. 433-437.

116. В.В. Шпейзман, В.И. Николаев, Б.И. Смирнов, В.В. Ветров, С.А. Пульнев, В.И. Копылов Особенности деформации нанокристалличе-ских меди и никеля при низких температурах// Физика твердого тела.1998.-Т.40.- №7 С.1264-1267.

117. X.I. Kong, Y.B. Liu, L.J. Qiao Dry sliding behaviors of nanocrystalline Cu-Zn surface layer after annealing in air.// Wear.- 2004.-V.256.- P.747-753.

118. W.M.Rainforth Microstructural evolution at the worn surface: a comparison of metals and ceramics// Wear.- 2000,- V.245.- P. 162-177.

119. F.A. Sadykov, N.P. Barykin, I.R. Aslanyan Wear of copper and its alloys with submicrocrystalline structure// Wear.- 1999.- V.225-229.- P.649-655.

120. Y.S.Zhang, Z. Han, K.Wang, K.Lee Friction and wear behaviors of nanocrystalline surface layer of pure copper // Wear.- Vol.260.- Issues 9-10.-2006. -P.942-948

121. Гнюсов С.Ф., Молчунова JI.M., Кульков C.H. Иерархия формирующихся структур при динамическом нагружении композиционного материала // ПмиТФ.- 1996,- Т.37.- №3.-С. 109-114.

122. Д.Н. Гаркунов Триботехника М., Машиностроение.- 1989. -389с.

123. А.В. Колубаев, В.В. Фадин, В.Е. Панин Исследование износостойкости композитов, содержащих карбид титана // Изв. Вузов. Физика.-1992,-№12,- С. 64-68.

124. В.Л. Попов, А.В. Колубаев Генерация поверхностных волн при внешнем трении упругих твердых тел // Письма в ЖТФ.-1995,- вып. 19.- С. 91-94.

125. Гнюсов С.Ф., Кульков С.Н. Пауль А.В., Иванов Ю.Ф. Фрактографи-ческие и микроструктурные аспекты деформации и разрушения твердого сплава WC-110Н13 // Металлы РАН,- #1.- С. 115-120.

126. Гнюсов С.Ф., Кульков С.Н. Фазовые превращения в стали Г13 при добавлении карбида вольфрама // Изв вузов. Черная металлургия.-1990. -№8. -С.61-63.

127. A.V.Kolubaew, O.W.Sizowa, S.Y.Tarasow, G.W.Trusowa Verschleiss-feste Boridschichten fuer Reibungssysteme //Tribologie und Schmierung-stechnik.-1995.- 42 Jahrgang.- №1. -S.3-5.

128. С.Ю.Тарасов, Г.В.Трусова, A.B. Колубаев, О.В.Сизова Структурные особенности боридных покрытий триботехнического назначения // МиТОМ. 1995.-№6.-С.35-38.

129. K.-H. Habig Wear behaviour of surface coating on steels// Tribology international.- 1989.-V.22,№2,- P.65-73.

130. K.-H. Habig, R.Chatterjee-Fischer Wear behaviour of boride layers on alloyed steels// Tribology international.- 1981.-V.14,№4.-P.209-215.

131. K.-H. Habig, R.Chatterjee-Fischer, F.Hoffman Wear protection of steels by boriding, vanadizing, nitriding carburising and hardening materials in engineering.-1980,- №2.-P.83-92.

132. K.-H. Habig Comparative wear tests on different types of coatings on steels //Mat. Res. Soc. Symp. Proc. -1989.-V.140.-P.489-502.

133. A.B.Колубаев, В.И.Ковешников, О.В.Сизова, Г.В.Трусова Применение износостойких боридных покрытий в узлах трения // Изв.вузов.Черная металлургия,-1992,- №4.-С.46-48.

134. О.В.Сизова, А.В.Колубаев, В.И.Ковешников, Г.В.Трусова,

135. С.Ю.Тарасов Упрочняющая обработка опор скольжения буровых до-лот//Химическое и нефтяное машиностроение.-1993.-№4.-С.25-27.

136. A.V.Kolubaev, O.V.Sizova, G.V.Trusova, S.Y.Tarasov High fracture toughness boride layers for slide bearing surface//Proceedings of the 2nd International Conference on Wear Resistant Surface Layers. Prague, 1995.-P. 57-62.

137. A.B. Колубаев, О.В.Сизова, С.Ю.Тарасов, Г.В.Трусова Особенности структуры и триботехнические свойства боридных покры-тий//Материалы международного симпозиума:Триболог-10М-Slavyntrib-1.-Рыбинск, Москва, 1993.- С.86-88.

138. В.Ф.Лабунец, Л.Г.Ворошнин, М.В.Киндрачук Износостойкие борид-ные покрытия.-К.:Тэхника,1989.-158с.

139. Е.В.Шадричев, А.Е.Иванов Относительная износостойкость однофазных и двухфазных боридных слоев // МиТОМ,-1984.-№3.-С.44-47.

140. N.Transner Borieren Hinweise nicht nur fur den Praktiker // Der Kon-strukteur.-№6.-S.48-62.

141. А.Я.Кулик, Б.З.Поляков и др // Изв.АН БССР.Сер. физ.техн. наук,-1969.-№2.-С.121-124.

142. В.М.Власов Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей М. Машиностроение.-1987.-304с.

143. Л.М.Сорокин Упрочнение деталей борированием. М.: Машиностроение,- 1972.-64с.

144. Л.Г.Ворошнин Борирование промышленных сталей и чугунов: Справочное пособие.-Минск:Беларусь.-1981,- 205с.

145. Н.Н.Митрохович, В.П.Фетисов, Н.Н.Линчин. Совершенствование технологии борирования из паст//МиТОМ.- 1982.-№6.-С.34-35.

146. H.JL Савченко, П.В. Королев, С.Ю. Тарасов, С.Н. Кульков Структурные изменения поверхности трения и износостойкость керамики Zr02-Y303 //Письма в ЖТФ./ 2000.- Т. 26.- вып.11.- С. 29-35.

147. N. Savchenko, P.Korolev, S. Tarasov, S. Kulkov Wear and friction of transformation-toughened cmc and mmc // Wear.-2002.-Vol.249.- P. 892900.

148. А.В.Колубаев, В.В.Фадин, В.Е.Панин Исследование износостойкости композитов, содержащих карбид титана// Изв. вузов. Физика.- 1992.-№12,- С.64-68.

149. В.В.Фадин, А.В.Колубаев, В.Е.Панин Анализ фаз в композициях на основе TiC, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза//Изв. вузов. Физика,- 1993- №2.- С.21-24.

150. В.В.Фадин, А.В.Колубаев, В.И.Ковешников, С.П.Баталов Новые износостойкие материалы в тяжелонагруженных опорах скольжения шарошечных долот//Химическое и нефтяное машиностроение.-1992.-№12.С.22-23.

151. А.В.Колубаев, В.В.Фадин, В.Е.Панин Исследование износостойкости макрогетерогенных матричнонаполненных композитов, содержащих карбид титана//Новые порошковые материалы и технологии.-Барнаул :Изд. АГУ, 1993 .-С.92-96.

152. В.В.Фадин, А.В.Колубаев, О.В.Сизова, Н.А.Баркалов Новые износостойкие материалы в тяжелонагруженных опорах скольжения// Конструкционные материалы и покрытия с демпфирующей структурой. -Томск:ТНЦ СО РАНД990.С.73-77.

153. B.N.J.Persson Sliding friction //Surface Science Reports.-1999.-33.-P.83-119.

154. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов: НГТУ. 2004.- 400с.

155. Тушинский Л.И. Проблемы материаловедения в трибологии Новосибирск: Наука.- 1991.-64с.

156. Janos Torok, Supriya Krishnamurti, Janis Kertesz and Stephane Roux Self-organization of shear bands and aging in loose granular materials // Phys.Rev. Lett.- 2000).-84.- P.3851-3854.

157. Shmuel M. Rubinstein, Meni Shay, Gil Cohen, and Jay Fineberg CrackLike Processes Governing the Onset of Frictional Slip // Int. Journ. Of Fracture.- v.140.-#1-4.-July 2006.-P.201-212.

158. F.J. Humphreys and M. Hatherly Recrystallization and Related Annealing Phenomena (Second Edition).2004 Elsevier Ltd. ISBN: 978-0-08-0441641.

159. Michael E. Kassner and María-Teresa Pérez-Prado Fundamentals of Creep in Metals and Alloys.- 2004 Elsevier Ltd. ISBN: 978-0-08-043637-1.

160. Козлов Э.В., Жданов A.H., Конева H.A. Механизмы деформации и механические свойства наноматериалов // Физическая мезомеханика.-10.- 3.-2007,- С95-103.

161. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник (Ю. С. Борисов, Ю. А. Харламов и др.). Киев: Наукова Думка (1987)178.3емсков Г. В., Коган Р. Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. Москва. : Металлургия .-1978.

162. Пахмурский В. И., Далисов В. Б., Голубец В. М. Повышение долговечности деталей машин с помощью диффузионных покрытий. Киев: Наукова думка.-1980.

163. Сейфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. Москва: Химия.-1977.