Пример комплексного исследования изнашивания при фреттинг-коррозии титановых сплавов

В процессе комплексного экспериментального исследования механизма фреттинг-коррозии титановых сплавов, выполненного А.Г. Ковшовым так же, как в вышеприведенном случае, наряду с физическим уширением рентгеновских интерференционных линий, изменениями фазового состава и дефектов структуры, регистрировали износ, коэффициент трения, микротвердость и шероховатость поверхностей, относительную опорную длину профиля, контактную жесткость и демпфирующую способность пары.

Съемки при различной глубине проникающего излучения, фазовый анализ поверхностных слоев, подвергнутых наработке в режиме фреттинг-коррозии, проводили по методике М.И. Ермаковой путем сравнения интегральных интенсивностей рентгеновских интерференционных линий 01,2 L и 200 - фаз титанового сплава ВТ9 с углами отражения на С_и К_L - излучении 26⁰37^/30» и 28⁰18^/48» (рис. 4.15).

а		б
Р и с. 4.15. Рентгеновские дифракционные максимумы титанового сплава ВТ9

Содержание b - фазы определяли по формуле

V_b= 100/(1-2/33 I_{(01.2 a)}/ I_(200b)), (4.21)

где I_{(01.2 a)} и I_(200b) - интегральные интенсивности рентгеновских линий 01,2 L-b_Ti и 200 –T_i.

Результаты исследования кинетики изменений состояния материала по глубине от свободной поверхности приведены на рис. 4.16, а параметры, определяющие глубину проникновения лучей в тело образца, приведены в табл. 4.3. На рис. 4.16,б изображены циклы износа и остаточных напряжений; на рис 4.16,в - плотность дислокаций при изнашивании никелевого сплава.

На рис. 4.16,в - DH изменение ширины линии ферромагнитного резонанса и плотности дислокаций r на поверхность детали из никелевого сплава 1 и 3 при нагрузке 84 кПа, 2-168 кПа по данным В.Г.Пинчука (Минский ГУ).

Иллюстрация кардинальных изменений состояния материала по глубине поверхностного слоя при фреттинг-коррозии сплава ВТ9, микроискажений, величины блоков мозаики и общей плотности дислокаций приведены на рис. 4.17, а параметры, определяющие глубину проникновения лучей в тело образца, в табл. 4.3.

Комментируя рис. 4.18, еще раз обратим внимание читателя на тот факт, что циклы разрушения (их длительность и амплитуда) являются наиболее объективной и достаточно полной кинетической характеристикой накопления повреждае-

б
а		в
Р и с. 4.16. Кинетические характеристики изменения состояния материала на трущихся поверхностях. На рис. 4.16, а – при фреттинге титанового сплава
U – износ; 01.3 a - Тi – ширина итерференционной линии a - Тi ; Нm - микротвердость; Rz – высота шероховатостей; tp – относительная опорная длина профиля; d - логарифмический декремент колебаний; К – контактная жесткость; m - коэффициент трения; Vb - содержание b - фазы титана

мости и разрушения локализированного на выступах неровностей микрообъема материала.

Общность механизма цикличности также иллюстрируют рис. 4.15 и 4.17. Пик накопления повреждаемости здесь соответствует максимальной интенсивности повреждений – причины фазовых переходов.

Наиболее динамичную картину изменения состояния материала разрушаемого трением, дают зависимости, приведенные на рис. 4.17, где для каждого времени испытания образцов (10, 14, 20 и 26 ч) меняли глубину проникновения рентгеновского излучения и тем самым выявляли отличие характеристик исследуемого слоя по глубине от свободной поверхности.

Как видно из этого рисунка, для каждого времени наработки имеет место существенное различие абсолютных значений характеристик, но их экстремум все-

Таблица 4.3.
Параметры, определяющие глубину проникновения рентгеновских лучей в образец
Материал антикатода	Длина волны lКa, А	Плотность материала r, г.см-3	Массовый коэффициент ослабления mл/r, см2г-1	Линейный коэффициент ослабления mл, см-1	Индексы интерференции h k i l	Углы отражения лучей q1о; q2о	sin q	Глубина проникновения лучей в образец х*=1,39sinq, см 2mл
Cr	2,291	4,54			01.1	30 48	0,512	0,00013
01.3	59 36	0,8625	0,000219
Fe	1,937	4,54			01.1	25 33	0,4316	0,000175
01.3	46 49	0,7294	0,000296
Co	1,79	4,54			01.1	23 29	0,3984	0,0002
01.3	42 11	0,6715	0,000338
Cu	1,542	4,54			01.1	20 04	0,3432	0,000258
01.3	35 20	0,5784	0,00043
	Dd D r d см см-2	ИЗЛУЧЕНИЕ
	Р и с. 4.17. Изменение состояния поверхностей после 10, 14, 20 и 26 часов испытаний в режиме фреттинга:
	Dd/d - величина микроискажений; D – величина блоков мозаики; r - плотность дислокаций

гда расположен на глубине 2 – 3 мкм, являющейся характерной границей между деградирующим и нижележащим слоями материала.

Как видно, вся совокупность примененных средств и методик позволила подтвердить фундаментальное явление: во всем исследованном диапазоне механических и термических воздействий на материал контактирующих пар при трении все кинетические кривые износа имеют ступенчатый характер, отражающий факт изменения состояния материала на поверхности.

	а
б		в
г		д
Р и с. 4.18. Изменения параметров поверхностного слоя:
а – образование активируемого микрообъема; б – частица износа; в – накопление энергии повреждений в процессе трения; г – скорость изнашивания (1 – в эксплуатации; 2 – при стендовых испытаниях; 3 – расчетные данные; д – поле действующих нагрузок и изнашивание)

Как и в других исследованиях подобного типа, единственное объяснение периодических изменений характеристик состояния материала при изнашивании можно было получить только из анализа кинетики накопления повреждаемости: каждый участок изнашиваемой поверхности под воздействием трения проходит классический цикл «упрочнение-разупрочнение-разрушение». При этом начало каждого цикла (первая стадия) расположено после завершения группового отделения диспергированных поверхностных структур. Под воздействием трения на этих участках начинается фаза интенсивной пластической деформации, ведущей к упрочнению поверхностного слоя, что подтверждается уширением рентгеновской линии 01.3 a-T_i (см. рис. 4.18), увеличением микротвердости H_М , снижением высоты микронеровностей R_Z, коэффициента трения f и увеличением относительной площади касания А_z, уменьшением демпфирования s и повышением контактной жесткости К. В это же время в связи с ростом теплонапряженности поверхностей происходят фазовые a Û b переходы. Упрочнение обуславливает минимальный износ И на этой стадии и активное накопление дефектов структуры по глубине.

Плотность дислокаций к концу стадии возрастает, распространяясь волной в глубь металла, что облегчает условия для интенсивного окисления металлических поверхностей, диффузии кислорода и других активных компонентов среды по дефектам структуры, их растворения и образования твердых растворов в a-T_i.

Вторая стадия изнашивания характеризуется интенсивным разрушением поверхностей. К началу второй стадии плотность дислокаций в поверхностном слое достигает пределов насыщения r…3×10¹¹ см². Поверхностные структуры разрыхляются (величина блоков мозаики и микроискажения минимальны). В этот период материал, поверхностного слоя теряет устойчивость и разрушается, обнажая нижележащие, менее упрочненные слои. Все вместе взятое приводит к появлению «ступеней» износа (см. рис. 4.16), границы которых совпадают с началом снижения ширины рентгеновских линий, микротвердости, контактной жесткости, увеличением шероховатости, коэффициента трения и демпфирования.

Приведенный анализ кинетических характеристик состояния материалов поверхностных слоев позволил заключить, что развитие фреттинг-коррозии титановых сплавов так же, как и другие виды изнашивания, управляется усталостным механизмом разрушения материалов.

Объем книги не позволяет более детально представить огромный материал, накопленный в трибологии в области изучения изнашивания. В 1997 г. на международном конгрессе по трибологии в Лондоне были подведены итоги 60 лет работы международной ассоциации трибологов, основанной в Кембридже в 1937 г. Одним из таких итогов можно считать признание кинетического подхода и его важной роли в изучении закономерностей изнашивания, которые будут обобщены ниже.