Механохімія і реологія зносостійкості механічних трибосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Хмельницький національний університет

УДК621.891:620.194

Механохімія і реологія зносостійкості механічних трибосистем

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Олександренко Віктор Петрович

Хмельницький 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти та науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шевеля Валерій Васильович, Хмельницький національний університет, професор кафедри фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри матеріалознавства і технології машинобудування (м. Київ)

доктор технічних наук, професор Пашечко Михайло Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри інженерного матеріалознавства і прикладної фізики (м. Львів)

доктор технічних наук, професор, заслужений працівник освіти України Гладкий Ярослав Миколайович, Хмельницький національний університет,

професор кафедри технології машинобудування

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра технології підвищення зносостійкості

Захист відбудеться “12” жовтня 2006 року в 10 годин на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 70.052.02 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою : м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/2.

Автореферат розісланий “9” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради доктор технічних наук, професор Калда Г. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У процесі експлуатації деталі механічних трибосистем працюють у хімічно активних середовищах і піддаються значному механічному й тепловому впливу, що спричиняє розвиток у зоні контакту різноманітних фізико-хімічних явищ. Тому актуальним для вирішення триботехнічних завдань є створення теоретичних основ для розробки і цілеспрямованого вибору матеріалів пар тертя, методів поверхневого зміцнення, що забезпечують одержання заданого комплексу характеристик фрикційного контакту з урахуванням впливу навколишнього середовища і параметрів динамічного навантаження.

Довговічність і надійність роботи трибосполучення у першу чергу залежить від стану й властивостей найтонших шарів матеріалу, який прилягає до поверхонь тертя. Під дією зовнішнього тертя у зоні фрикційного контакту активуються реологічні і механохімічні дисипативні процеси, що сприяють розсіюванню підведеної механічної енергії як по пошкоджуючих механізмах, що призводить до інтенсифікації зношування, так і захисних -, у реалізації яких закладений ресурс підвищення працездатності вузлів тертя. Значна частина дисипативних процесів пов'язана із проявом контактуючими матеріалами в'язко-пружних властивостей. Певні механізми внутрішнього тертя, що реалізуються при цьому, сприяють релаксації контактних пікових напружень і необоротному розсіюванню механічної енергії з перетворенням її у теплоту. З іншого боку, взаємодія компонентів середовища й активованого тертям металу викликає трибохімічні дисипативні процеси з утворенням хімічних сполук, які впливають на зносостійкість вузла тертя. Як правило, такі процеси є екзотермічними, і тепловий ефект під час тертя пропорційний розсіюваній енергії за одиницю часу.

Таким чином, закономірності перетворення механічної енергії визначаються реологічними властивостями матеріалу пари тертя, залежать від динаміки і температурного режиму роботи трибосистеми і хімічних взаємодій. Аналіз раніше проведених досліджень підтвердив значний вплив навколишнього середовища і властивостей матеріалу на процеси зношування, однак, при цьому врахування діючих факторів було переважно відокремленим, а результати досліджень досить суперечливі, що ускладнює розуміння природи явищ і, відповідно, вибір та розробку методів захисту деталей від пошкодження.

Комплексний підхід до дослідження реологічних і фізико-хімічних явищ, що проходять під час контактної взаємодії, сприяє вирішенню актуальних проблем підвищення працездатності трибомеханічних систем.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до пріоритетного напряму розвитку науки і техніки “Новітні технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, сформульованому в Законі України “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” від 11липня 2001р. № 2623-ІІІ, середньостроковим пріоритетним напрямом “Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення усіх галузей виробництва” (стаття 8 Закону України “Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні”), планом проведення науково-дослідних робіт Хмельницького національного університету, за темами згідно із держбюджетними роботами Міністерства освіти і науки України “Вплив зовнішніх фізико-хімічних факторів на тривалу міцність металів” (№ ДР 0102U004044) і “Підвищення зносостійкості і працездатності обладнання паливно-енергетичного та машинобудівного комплексів” (№ ДР 0105U000721). Дослідження виконувалися також на замовлення ВАТ “Термопластавтомат” (№ДР 01900015056), ВАТ “АДВІС”, ВАТ Внуківський авіаремонтний завод №400, НПП “Відновлення”, Волочиського машинобудівного заводу ВАТ “Мотор Січ” у рамках госпдоговірних і держбюджетних робіт.

Мета і завдання дослідження. На базі експериментальних і теоретичних досліджень механохімічних і реологічних процесів контактної взаємодії розробити наукові основи і методи підвищення довговічності трибосистем шляхом регулювання складу навколишнього середовища та врахування в'язко-пружних властивостей матеріалу пари тертя.

Відповідно до мети у роботі поставлені і вирішувалися наступні основні завдання:

-визначити комплексний вплив трибохімічних і реологічних процесів на зносостійкість сполучених пар залежно від навантажувально-швидкісних і температурних режимів однонаправленого тертя ковзання та фреттинга;

-вивчити взаємозв'язок трибохімічних явищ і реології контакту зі зносостійкістю пар тертя в рідких робочих середовищах водних електролітів і вуглеводневих рідин;

-розробити методику визначення частки корозійних і механічних втрат при зношуванні на основі хроматографічного аналізу газового складу середовища;

-розробити на основі дисипативної природи контактної взаємодії механо-хімічну модель тертя і зношування металів та сформулювати принципи керування зносостійкістю елементів трибовузла;

-встановити вплив фреттингу на корозійне розтріскування сталі у зв'язку із зміною мікромеханічних властивостей матеріалу й пошкоджуваністю поверхні;

-визначити ефективність і механізм підвищення зносостійкості і тривалої міцності трибосистем методами поверхневої обробки та удосконалити технологічні рішення для зміцнення деталей;

-на основі принципу регулювання трибохімічними процесами в мастильних середовищах розробити експлуатаційний спосіб підвищення працездатності трибосистем.

Об'єкт дослідження - механічні і фізико-хімічні дисипативні процеси у трибосистемах у зв'язку із умовами динамічного навантаження і з урахуванням складу навколишнього середовища.

Предмет дослідження - вузли тертя, що працюють в агресивних середовищах під впливом динамічних і статичних навантажень.

Методи дослідження передбачали хроматографічний аналіз зміни компонентного газового складу середовища, викликаного проходженням трибохімічних реакцій; електрохімічні явища досліджувалися потенціостатично; аналіз хімічного складу поверхні проводили електронографічно, рентгеноструктурним і рентгенофлуоресцентним методами; непружні властивості матеріалів досліджували за допомогою методів резонансного стрижня, маятникового триборелаксатора, опору мікропластичним деформаціям, безперервного вдавлювання індентора; застосовувалась спеціальна випробувальна апаратура для визначення трибологічних та фізико-механічних характеристик матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше на основі комплексного підходу до явищ, ініційованих зовнішнім тертям, встановлені взаємозв'язки механохімічних і реологічних процесів та їхній вплив на триботехнічні характеристики сполучених поверхонь.

2. Вивчені провідні захисні та пошкоджуючі процеси механічної і хімічної релаксації при терті, відповідальні за дисипацію механічної енергії, що підводиться, і які, будучи взаємозв'язаними, чинять вплив один на одний.

3. Установлена залежність зносостійкості пар тертя від прояву катодних процесів із водневою і кисневою деполяризацією і вплив на їх превалювання при терті вмісту розчиненого у робочій рідині кисню.

4. Установлено, що немонотонний характер температурно-швидкісних залежностей сили тертя і зносу трибосистем визначається субструктурними змінами, зумовленими динамічним деформаційним старінням сталі, а також зміною рівня релаксаційного і гістерезисного внутрішнього тертя в трибоелементах.

5. Показано, що в умовах тертя, несприятливих для протікання механічної релаксації, підвищення окиснювальної активності газового середовища ініціює процеси топохімічної релаксації, які ефективно попереджують трибохімічні реакції в твердій фазі (схоплення). Показана двояка роль трибоокиснювальних реакцій залежно від виду середовища - рідинного чи газоподібного.

6. Запропоноване нове трактування ведучих механохімічних і реологічних механізмів забезпечення зносостійкості сталей залежно від швидкісно-навантажувальних і температурних умов тертя. Встановлено зниження інтенсивності трибоокиснювальних процесів із підвищенням температури в умовах прояву релаксаційного піка внутрішнього тертя.

7. Установлені закономірності зміни співвідношення корозійного й механічного факторів руйнування в робочих рідких середовищах при зміні зовнішніх умов контактного навантаження, що дає можливість обґрунтовано розробляти шляхи підвищення довговічності вузлів тертя.

8. Розвинені уявлення про механізм фреттинг-корозії у зв'язку із впливом структури і корозійної активності сталі, а також властивостей рідинних робочих середовищ. Установлено зв'язок між структурною гетерогенністю сталі та показниками електрохімічної активності, мікропластичності і фреттингостікості.

9. Встановлено вплив зміни показників мікропластичності сталі під дією фреттинг-корозії та статичного навантаження на її схильність до корозійного розтріскування.

10. Отримані аналітичні залежності між триботехнічними характеристиками пари тертя і параметрами реологічних і трибохімічних процесів.

11. Показана реологічна природа явищ, що забезпечують підвищення опору сталі руйнуванню при використанні деяких технологічних методів поверхневої обробки.

Практичне значення отриманих результатів.

1. На основі врахування реологічних і механохімічних явищ розроблені принципи підвищення зносостійкості пар тертя.

2. Розроблена хроматографічна методика оцінки внеску хімічного й механічного факторів у руйнування фрикційного контакту.

3. Встановлені особливості впливу фреттинг-корозії на схильність сталі до руйнування під дією статичного навантаження і корозійного середовища, що дозволяє оцінити зниження тривалої міцності елементів трибосистем з урахуванням фреттинг-фактора та зміни реологічних властивостей матеріалу.

4. Рекомендовані технологічні методи підвищення зносостійкості і тривалої міцності, які забезпечують високу демпфірувальну здатність поверхневого шару: віброшліфування з віброзміцненням, пневмодробоструминна обробка, обкочування кулькою, дифузійне борування, полімерне композитне покриття, газотермічне напилювання комбінованим порошковим сплавом.

5. Розроблено технологію одержання зносостійких комбінованих покриттів із застосуванням електроіскрового легування поверхні тугоплавкими металами (Ti, Zr) і наступним азотуванням у тліючому розряді (Пат. 22015).

6. Запропоновано новий принцип удосконалення мастильних трибосистем, що дозволяє подовжити ресурс роботи трибосполучення і мастильного середовища (А. С. 1651012).

На захист виносяться:

1. Обґрунтування комплексного хіміко-реологічного принципу підвищення зносостійкості поверхонь при однонаправленному і реверсивному (фреттинзі) ковзанні.

2. Закономірності впливу механохімічних явищ і прояву внутрішнього тертя на зносостійкість металів залежно від швидкісно-навантажувальних і температурних умов динамічного контактування та складу оточуючого зону тертя середовища.

3. Розроблена фізико-хімічна модель процесу тертя та зношування.

4. Залежності впливу фреттинг-корозії на схильність сталі до руйнування під дією статичних навантажень і корозійного середовища у зв'язку із зміною реологічних властивостей матеріалу і пошкоджуваністю.

5. Оригінальні технології і експлуатаційне рішення з ефективного зниження зношування контактуючих поверхонь і підвищення довговічності елементів трибосистем, які базуються на реалізації захисних реологічних і трибохімічних релаксаційних процесів.

Ступінь реалізації і впровадження наукових розробок. Основні результати роботи перевірені у виробничих умовах і використовуються на ряді підприємств. У ВАТ “Термопластавтомат” (м. Хмельницький) досліджено і вибрано оптимальні варіанти підвищення зносостійкості деталей термопластавтоматів (ТПА). Впровадження технології отримання комбінованих покриттів шляхом електроіскрового легування поверхні титаном з наступним іонним азотуванням дозволило підвищити зносостійкість пари клапан-наконечник у 2...4 рази. Використання комбінованого мідно-графітового електроіскрового легування поверхонь осей запірного механізму сприяло зростанню зносостійкості пари вісь-втулка в 2...3 рази. В результаті міжремонтний період роботи ТПА збільшився на 10...15%. Застосування у ВАТ “Адвіс” (м. Хмельницький) технологій відновлення розмірів зношених поверхонь деталей комбайну Марал-125 нанесенням комбінованих покриттів тугоплавких металів та порошкових композитів із підвищеною демпфірувальною здатністю та дробоструминна обробка елементів з'єднань підвищило зносостійкість вузлів тертя в 1,8...3 рази і подовжило міжремонтний ресурс реверсивного редуктора на 20...25%. На Внуківському авіаремонтному заводі № 400 розроблені технологічні заходи з підвищення фреттингостійкості та тривалої міцності вузлів авіаційної техніки, відпрацьована і запропонована технологія поверхневого зміцнення деталей злітно-посадочних пристроїв методами дробоструминної обробки, обкочування кулькою і нанесення полімерного покриття, що дозволило зменшити фреттинг-знос, попередити розвиток дефектності і знизити тріщиноутворення на сполучених поверхнях. Це дало змогу підвищити міжремонтний період вузла на 15...20%, значно збільшити довговічність, покращити ремонтопридатність. На науково-виробничому підприємстві “Віднова” (м. Хмельницький) впроваджені технологічні рекомендації і відновлюючі технології з підвищення зносостійкості та фреттингостійкості деталей транспортних засобів, обладнання підприємств цукрової та харчової промисловості. Застосування у ВАТ “Мотор Сiч” на Волочиському машинобудівному заводі технологічних рекомендацій з удосконалення системи змащення стаціонарних компресорів Борец 205 ВП шляхом зниження вмісту розчиненого в мастильному середовищі кисню дозволило в 1,5…2 рази зменшити знос у парах тертя, збільшити термін служби мастила (без заміни) на 25…30%, забезпечити високу працездатність агрегатів в умовах накопичення в мастилі сконденсованої вологи. Матеріали дисертації впроваджені в навчальному процесі Хмельницького національного університету.

Достовірність результатів. Підтверджується проведенням різноманітних комплексних експериментів, теоретичними положеннями, застосуванням нових методик, використанням сучасного обладнання та обчислювальної техніки, відповідністю результатів лабораторних і експлуатаційних випробувань.

Особистий внесок здобувача. Полягає в обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи і постановці завдань; обґрунтуванні і розробці методик експериментальних досліджень, участі у постановці і проведенні лабораторних і експлуатаційних досліджень; розробці фізико-хімічної моделі; встановленні теоретичних залежностей; формулюванні новизни і основних висновків за результатами роботи; аналізі та узагальненні отриманих результатів дослідження в дисертації, монографії і статтях. Постановка завдання і обговорення результатів проведені разом із науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати роботи представлялися і обговорювалися на наукових симпозіумах, з'їздах, конференціях і семінарах: Всесоюзній науково-технічній конференції “Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций” (Андропов, 1989); “Лучевая обработка композиционных материалов в технике” (Тернопіль, 1990); “Качество и надежность узлов трения” (Хмельницький, 1992); “Термодинамика технологических систем” (Краматорськ, 1993); “Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки” (Хмельницький, 1993); “Наукові основи сучасних прогресивних технологій” (Хмельницький, 1994); “Лазерные и физико-химические методы обработки материалов” (Крим, 1995); “Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону” (Хмельницький, 1995); “Производство и ремонт механизмов и машин в условиях конверсии” (Київ, 1995); Міжнародній науково-технічній конференції “Technika і Technologia Montazu Maszyn” (Rzeszow-Bystre, Poland, 2001); “П'ятому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові” (Львів, 2001); “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)” (Хмельницький, 2001); “Mechanics 2002” (Rzeszow, Poland, 2002); Дванадцятому міжнародному науковому семінарі “Высокие технологии в машиностроении: тенденции развития (Интерпартнер 2002)” (Алушта, 2002); Міжнародному симпозіумі “О природе трения твердых тел (Белтриб 2002)” (Гомель, Біларусь, 2002); “Четвертому міжнародному симпозіумі з трибофатики (ISTF 2002)” (Тернопіль, 2002); “Механіка машин і механізмів” (Хмельницький, 2002); “Modulowe Technologie i Konstrukcje w Budowie Maszyn” (Rzeszow-Olshanin, Poland, 2002); “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)” (Очаків, 2003); “Шостому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові” (Львів, 2003); “Машиностроение и техносфера ХХІ века” (Севастопіль, 2004); “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин (DSR АМ-1)” (Тернопіль, 2004); “Вібрації в техніці і технологіях” (Вінниця, 2004); “Сьомому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові” (Львів, 2005); “Полимерные композиты и трибология (ПОЛИКОМТРИБ-2005)” (Гомель, Біларусь, 2005).

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в монографії обсягом 16,33 умов. др. аркушів, 26 статтях в журналах, 6 статтях в збірниках наукових праць, в одному авторському свідоцтві, в одному патенті, а також в матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, основної частини з восьми розділів та висновками, загальних висновків по дисертації, списку використаних літературних джерел і додатка. Загальний обсяг дисертації становить 467 сторінок, що містять, 134 малюнки, 7 таблиць, 543 найменувань літературних джерел, використаних як посилання й двох додатків на 14 сторінках.

трибохімічний реологічний зносостійкість тертя

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито важливість обраної проблеми, обґрунтовано актуальність теми, мети й завдання дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, зазначено практичну цінність впровадження результатів дослідження, вказані джерела апробації і публікації основних положень дисертації.

У першому розділі дається загальна характеристика пошкоджуваності деталей, що працюють в умовах однонаправленого та реверсивного (фреттинга) ковзання. Показано негативний вплив на довговічність елементів трибовузла сумісної дії фреттинг-корозії та статичного навантаження, що викликає в агресивному середовищі руйнування деталей по механізму корозійного розтріскування.

Розглянуті основні фактори, що впливають на зносостійкість конструкційних матеріалів, такі, як швидкість ковзання, питоме навантаження, амплітуда ковзання, температура, склад оточуючого зону тертя середовища.

Показана суперечливість отриманих залежностей і відсутність однозначного зв'язку між макропоказниками властивостей металів зі стійкістю проти зношування, які істотно ускладнюють систематизацію результатів і розробку методів та рекомендацій з підвищення зносостійкості сполучених пар.

Проведений аналіз вказаних причин ушкоджень виявив, що вони недостатньо враховують динамічний стан активного шару в процесі тертя і механічні та фізико-хімічні явища, що проходять у ньому, які визначають величину і характер контактної пошкоджуваності. У свою чергу, ініційовані в тонких поверхневих шарах процеси різної природи є реакцією металу у відповідь на зовнішній вплив, що й визначає їхній дисипативний характер, який спричиняє розсіювання підведеної механічної енергії.

Дисипативність процесу тертя і зношування переважно пов'язана із проявом механохімічних і реологічних явищ, інтенсивність проходження яких залежить від активності реагентів і демпфірувальних властивостей матеріалу.

Про визначальний вплив навколишнього середовища і топохімічних реакцій на процеси тертя та зношування металів вказується у роботах Б.І. Костецького, О.Ф. Аксьонова, А.Я. Аляб'єва, В.П. Белянського, Л.І. Бершадського, Г.В. Виноградова, Я.М. Гладкого, В.М. Голубця, І.А. Кравця, В.Д. Кузнєцова, Г.Е. Лазарєва, О.І. Некоза, І.Г. Носовського, М.І. Пашечка, Г.О. Прейса, К. Діса, Г. Уліга, М. Фінка, Г. Хайніке та ін.

Механохімічні реакції є невід'ємною і складовою частиною процесу тертя і можуть проходити як у твердій фазі, викликаючи розвиток адгезії між контактуючими поверхнями, так і між компонентами середовища та активованим тертям матеріалом, у результаті чого на сполученій поверхні утворюються пасивувальні плівки хімічних сполук, зв'язані переважно із наявністю в середовищі окиснювачів.

Про важливість реологічних процесів у прояві закономірностей зовнішнього тертя і зношування вказується у дослідженнях І.В. Крагельского, Г.М. Бартенєва, М.О. Буше, В.М. Власова, В.А. Войтова, О.М. Гладченка, М.Л. Голеги, О.Д. Дубиніна, В.Д. Євдокимова, В.В. Запорожця, С.Г. Костогриза, А.Г. Кузьменка, В.І. Похмурського, В.В. Шевелі, Ф. Боудена, Д. Тейбора, Р. Уотерхауза та ін. Зокрема встановлено існування взаємозв'язку непружної поведінки металів із пошкоджуваністю під час динамічного контактування, що вказує на доцільність проведення подальших досліджень.

Розглянуті механізми внутрішнього тертя, особливості їхнього прояву залежно від зовнішніх умов, а також джерела внутрішнього розсіювання енергії. Показано, що виникаюча під час контактної взаємодії суперпозиція непружних і хімічних явищ вимагає їх комплексного вивчення, що й визначило мету та завдання дослідження.

У другому розділі розглянуті питання розробки методологічного і технічного забезпечення досліджень, на підставі обстеження вузлів тертя обрані матеріали для проведення випробувань, а також підібрані найбільш типові робочі середовища.

З метою уніфікації результатів й отримання можливості їхнього порівняння із раніше отриманими даними дослідження триботехнічних характеристик матеріалів проводилося на стандартному устаткуванні: при однонаправленому терті на машинах тертя 2070 СМТ-1 і 2101 ТП; випробування на фреттинг-зношування проводилися на установці МФК-1 за ГОСТ 23.211 - 80.

Для дослідження трибохімічних реакцій відповідно до встановлених методологічних особливостей на базі приладу КИИГА-2 була створена спеціальна установка тертя ковзання зі змінним вузлом, який розміщувався в герметичній камері, що дозволяло контролювати та регулювати склад середовища. Камера обладнана системою термостатування і виготовлена, як і всі елементи конструкції, із нержавіючої сталі.

Розроблена нами на основі хроматографічного аналізу методика дозволяє вивчати кінетику трибохімічних процесів з урахуванням хімічних і електрохімічних явищ безпосередньо під час тертя з ідентифікацією компонентів, які беруть участь, а також продуктів взаємодії виходячи із зміни складу газового середовища.

Випробування на фреттинг-зношування також проводилися на спеціально модернізованій установці, яка дозволяє наносити фреттинг-пошкодження на плоскі зразки, які надалі використовувалися для дослідження тривалої міцності при статичному навантаженні.

Зношування вимірялося ваговим способом, що необхідно для складання балансу трибохімічних процесів, а також лінійно на профілометрі-профілографі та за допомогою оптиметра ІКВ. Геометричну структуру пошкоджень поверхні досліджували за допомогою приладу Talyscan, що являє собою швидкодіючу систему тривимірного сканування.

Електрохімічні процеси при фреттинзі та корозійній утомі вивчалися на стандартних і спеціально створених установках по зміні величини електродного потенціалу та струму корозії.

Дослідження релаксаційної здатності металів проводилося із використанням оригінальних методів резонансних згинальних коливань, крутильного маятника, безперервного вдавлення індентора, мікропластичних випробувань.

Утомні випробування плоских зразків проводилися на втомній машині при симетричному циклі навантаження чистим вигином. Для вивчення схильності металу до корозійного розтріскування була створена установка, яка дозволяє проводити випробування балкових зразків консольним вигином у рідких середовищах.

Хімічний склад поверхні досліджували рентгеноструктурним методом із використанням рентгенівського дифрактометра “Дрон-ЗМ” і рентгенофлуоресцентним - на кристалдифракційному спектрометрі “Спектроскан”. Склад продуктів зношування вивчали електронографічно на приладі ПРЭМ.

Третій розділ присвячений дослідженню трибохімічних явищ та їхнього взаємозв'язку зі зносостійкістю металів при однонаправленому терті ковзання. Показано, що зовнішнє тертя ініціює у різних рідких середовищах: водних розчинах електролітів, вуглеводневих рідинах однотипні хімічні взаємодії матеріалу сполучених пар з активними компонентами, серед яких найпоширенішими є кисень і вода в різних станах, які приводять до їхнього витрачання й виділення водню, метану, оксиду і діоксиду вуглецю. Аналогічні процеси спостерігаються також і при циклічному вигині зразків, тобто є характерними для механічного впливу на метал. Енергетичні витрати на реалізацію механохімічних процесів сприяють дисипації підведеної при терті енергії. Схематично хімізм механовзаємодії можна представити як:



v

(1)

v

Кисень як вільний (О₂), так і розчинений у рідинах (наприклад, ), і той що перебуває у зв'язаному стані в молекулах води (Н₂О), витрачається на окисні процеси, продуктом яких є як газоподібні речовини СО і СО₂, так і тверді плівки хімічних сполук - оксиди (гідроксиди) металів, інтенсивність утворення яких у ході контактної взаємодії впливає на зношування сполучених поверхонь. У вуглеводневих середовищах, також як і у водних розчинах, виділення водню пов'язане з переважним розкладанням наявних у них молекул води, а утворення вуглецьмістких газів СО₂, СО, СН₄ - із зневуглецьовуванням контактуючих поверхонь. Зміщення у витрачанні та утворенні певних компонентів залежать від умов, що виникають при терті.

Вивчена кінетика трибо-хімічних реакцій. Дослідження проводилися на парі тертя три кулі-площина, виготовленої зі сталі ШХ15. Отримано, як видно на прикладі водного середовища прямолінійні кінетичні залежності витрати реагентів і утворення продуктів взаємодії, що зумовлено особливостями механохімії, пов'язаними із відсутністю дифузійного контролю у доставці до металу компонентів середовища внаслідок видалення з поверхні сполук, які утворюються. У результаті зношування пари тертя від часу змінюється також лінійно. Ці залежності відповідають реакціям із нульовим порядком, для яких величина константи швидкості реакції k_w відповідає швидкості процесу й пропорційна зміні концентрації (об'ємів) речовин під час взаємодії.

Дослідженнями показано, що для рівноважних водних розчинів електролітів (H₂O+H₂SO₄(NаOH)) поряд із виділенням водню превалюючими у терті є катодні процеси з кисневою деполяризацією, пов'язані з розчиненим у рідині киснем, частка яких змінюється від 61% у кислих середовищах з pН 1,2, до 79% у нейтральних з pН 6 та 96% у лужних з pН 12,55. При цьому проведений повний розрахунок балансу трибохімічних реакцій відповідно до розробленої методики виявив переважання у зношуванні корозійних втрат над механічними, що становлять для кислих, нейтральних, слаболужних розчинів 97...100%. Тобто під час динамічного контактування поверхонь фактично відбувається зношування плівок продуктів трибохімічної взаємодії, інтенсивність утворення яких в основному визначається вмістом розчиненого кисню. Зниження у водних розчинах концентрації кисню до 0,3% об. шляхом насичення їх нейтральним газом (аргоном) сприяє інтенсифікації катодних процесів з водневою деполяризацією, зменшенню з кисневою -, в результаті чого зношування сполученої пари знижується для всіх досліджуваних середовищ (рис. 2, б) від 1,2 рази для лужних, 1,5 - кислих і до 2-х разів для слаболужних, нейтральних і слабокислих внаслідок загального вповільнення анодного розчинення металу доріжки тертя. Насичення ж водних розчинів киснем призводить до значного падіння зносостійкості пари тертя.

Досліджено вплив статичної електрики й катодного захисту на зміну хімічної ситуації в зоні контакту поверхонь. Виявлено підвищення інтенсивності трибохімічних реакцій, яка призводить до падіння зносостійкості елементів пари тертя при наявності між контактуючими поверхнями статичної електрики, і зниження зношування при використанні протекторного захисту залежно від рН середовища в 1,2...2,4 рази.

Розглянуто вплив контактного навантаження на процеси зношування у зв'язку із трибохімічними і реологічними явищами. Показано, що загальний характер зміни зносостійкості сталі з підвищенням навантаження, яке приводить до зростання дотичних контактних напружень як реакції на виникаючі фрикційні зв'язки, пов'язаний із особливостями прояву в матеріалі амплітудозалежного внутрішнього тертя: структурно-дислокаційного і магнітомеханічного, які забезпечують ефективність протікання реологічних релаксаційних процесів залежно від умов навантаження. Встановлено, що зношування пари тертя залежно від прикладеного навантаження являє собою інтегральну характеристику повноти та інтенсивності трибохімічних реакцій, які проходять, і зумовленої ними зміни вмісту кисню у рідинному середовищі й властивостей продуктів взаємодії, що утворюються при цьому. Насичення середовища киснем при малих і високих навантаженнях сприяє підвищенню повноти трибоокиснювальних процесів і зниженню зношування, відповідно, в 2,1 і 1,4 рази. При середніх навантаженнях, коли первісно забезпечуються умови інтенсивного трибоокислення поверхонь, позитивно впливає на зносостійкість уже зниження розчиненого у водному розчині кисню, сприяючи двократному зменшенню зношування.

Величинами, що характеризують повноту і особливості трибоокиснювальних взаємо-дій у рідких середовищах, є відношення сумарних об'ємів кисню, який пішов на окиснювання металу, і водню, що виділився, на одиницю зношеного металу. Аналіз зазначених величин свідчить про утворення при корозійно-механічному зношуванні сталі оксидів (гідроксидів) заліза змішаного стехіометричного складу, участь вуглеводневого середовища у трибоокис-нювальних реакціях, що сприяє утворенню на поверхні полімеризованих продуктів взаємодії і зниженню зношування, більш інактивну, порівняно із водним середовищем, поведінку вуглеводневої рідини стосовно металу доріжки тертя.

Отримані результати є основою для розробки методів керування зносостійкістю контактуючих поверхонь із врахуванням трибохімічних явищ.

У четвертому розділі розглянуто вплив на формування зносостійкості контактуючих поверхонь реологічних і хімічних механізмів релаксації і їхній прояв у зоні контакту залежно від навантажувально-швидкісних і температурних умов тертя. Показано, що стан зносостійкості пов'язаний із демпфірувальними властивостями матеріалу як вихідними, так і тими, що реалізуються при його динамічному навантаженні. Розсіювання підведеної при терті енергії по механізмах внутрішнього тертя і перетворення її в тепло сприяє релаксації напружень у зоні контакту, їхньому зниженню, більш рівномірному перерозподілу, підвищенню опору руйнуванню та зменшенню зношування. Розвиток пошкоджуючих явищ під час тертя пов'язаний із нездатністю елементів трибосистеми дисипувати механічну енергію по захисних фізико-хімічних механізмах, що призводить до концентрації в мікрооб'ємах фактичного контакту напружень, які викликають протікання реакцій у твердих фазах - схоплювання і сприяють зниженню контактної міцності матеріалу.

Установлено, що підвищення зносостійкості матеріалу залежно від швидкості ковзання і температури, яка розвивається при цьому, визначається проявом піків релаксаційного внутрішнього тертя (ВТ). При малих швидкостях ковзання знижене зношування зумовлене виникненням піка Сноека, а при середніх - Кьостера. Зменшення демпфірувальної здатності матеріалу призводить до підвищення зношування пари тертя внаслідок розвитку пошкоджуючих явищ схоплювання. Виявлено, що в умовах тертя, коли матеріал характеризується низьким рівнем ВТ (у нашому випадку при V=1,15 м/с і 4 м/с) збільшення окисної активності газового середовища в порядку: аргон, повітря, кисень сприяє зростанню опору матеріалу зношуванню, що свідчить у цьому випадку про позитивну роль інтенсифікації трибохімічних релаксаційних явищ у підвищенні зносостійкості контактуючих поверхонь. За умов температурно-швидкісного контактування, які сприяють прояву матеріалом максимуму ВТ (пік Кьостера при V=2,42 м/с), склад середовища незначно впливає на його зношування, однак зношувальна здатність матеріалу в цьому випадку із підвищенням вмісту в середовищі кисню різко зростає.

Показано вплив на прояв реологічних релаксаційних процесів початкового структурного стану сталі, визначеного термообробкою, і структурних перетворень, які проходять у тонкому поверхневому шарі при динамічному контактуванні поверхонь. Формування за певних температурно-швидкісних умов тертя (200...300єС) ділянки мінімального зношування, крім прояву релаксаційного піка Кьостера, зумовлено розвитком динамічного деформаційного старіння (ДДС). Термопластичне (субструктурне) зміцнення сталі: підвищення твердості, міцності внаслідок ДДС при збереженні дифузійної рухливості атомів домішок, яку можна зіставити із швидкістю руху дислокацій, і накладання деформаційного максимуму внутрішнього тертя (релаксації Кьостера) при певній швидкості тертя сприяє ефективній дисипації підведеної механічної енергії за рахунок недосконалої пружності контактуючих матеріалів. У такому стані металева підкладка має найбільш сприятливі реологічні властивості для збереження на своїй поверхні окисних плівок. Підвищена метастабільність структур загартування, яка сприяє прояву механізмів ВТ структурно-дислокаційної природи, забезпечує високу зносостійкість загартованої сталі при знижених швидкостях ковзання. Підвищення температурно-швидкісних параметрів тертя призводить до розвитку в загартованих сталях процесів динамічного старіння (відпуску під напруженням), які сприяють стабілізації структури, збільшенню опору мікропластичним деформаціям, зниженню релаксаційної здатності матеріалу та різкому падінню зносостійкості.

Досліджено вплив нагрівання середовища на зносостійкість пари тертя у повітрі, дистильованій воді і вуглеводневих рідинах: реактивному паливі РТ, гідравлічній рідині АМГ-10 та авіаційному мастилі МС-8. У результаті із зростанням температури встановлений немоно-тонний характер зміни зносостійкості пари тертя з максимумом у середовищі повітря і мінімумом у рідких середовищах, зумовлений зміною домінуючого і взаємопов'язаного прояву реологічних (пік Сноека) і хімічних явищ. Виявлено зниження інтенсивності трибоокиснювальних процесів за участю вільного кисню при підвищенні температури в умовах виникнення релаксаційного максимуму внутрішнього тертя. Десорбція із товарних вуглеводневих середовищ кисню нейтральним газом (до 0,5% об.) сприяє підвищенню зносостійкості пари тертя при звичайних температурах середовища в 2,5...3 рази, при підвищених - в 4...4,5 рази..

У п'ятому розділі розглянута зносостійкість металів при фреттинзі у зв'язку із механічними і хімічними процесами, що протікають, та впливом на них мікропластичних властивостей матеріалу, які визначають амплітудозалежний механізм внутрішнього тертя і демпфірувальну здатність сполучених поверхонь.

Досліджена геометрична структура пошкоджень (ГСП) поверхні при фреттинг-корозії залежно від амплітуди проковзування та числа циклів напрацювання. Видно, що між ступенем максимального пошкодження (як вириву, так і наросту) і тривалістю випробування існує залежність, яка визначається амплітудою проковзування. Виявлені закономірності ГСП свідчать про одночасну дію в зоні тертя фізико-хімічних механізмів дисипації підведеної механічної енергії та зміну провідних процесів по ширині зони контакту. На периферійних ділянках превалюють трибохімічні явища, а у внутрішній зоні - реологічні, що й спричиняє розвиток адгезійно-втомного механізму пошкоджуваності з накладенням локально-абразивної дії продуктів фреттинг-корозії.

Для характеристики ступеня локального пошкодження при віброконтакті введено параметр - фреттинг-фактор, величина якого залежить від режиму термообробки та амплітуди ковзання. Виявлено, що у зв'язку зі зміною умов формування фрикційного контакту у низькоамплітудній області величини фреттинг-фактора для сталі різної термообробки зростають, а у високоамплітудній - знижуються і проявляють залежність від температури відпуску.

На підставі результатів рентгенографічного аналізу й мікродюраметрії виявлені механізми релаксації напружень для сталі різної вихідної структури.

Характерним робочим середовищем для вузлів авіаційної техніки, які працюють в умовах вібропроковзування, є авіапаливо. Електронографічне вивчення складу продуктів фреттинг-корозії допомогло пояснити й доповнити механізми процесів, які супроводжують динамічне контактування поверхонь у середовищі вуглеводневої рідини. У середовищі авіаційного палива виявлена, на відміну від повітряного середовища, наявність нижчих окислів і гідроокислів (Fe₃O₄, Fe(OH)₂), а також сульфідів заліза (Fe₃S₄). Зниження повноти протікання трибоокиснювальних процесів у середовищі гасу сприяє провідному прояву реологічних механізмів дисипації підведеної під час фреттингу енергії. Наявність у продуктах зношування гідроксидів указує на участь розчиненої в паливі води в трибохімічних взаємодіях, а сульфідів - на взаємодію під час тертя металу поверхні із компонентами вуглеводневого середовища і їхній вплив на зносостійкість сполучення.

Установлена наявність тісного зв'язку між механічними й електрохімічними процесами при фреттинзі у водному розчині хлористого натрію (3% NaCl): посиленню прояву електрохімічних явищ відповідає зниження триботехнічних параметрів вузла тертя. Характер зміни струму корозії в процесі фреттинга корелює зі зміною сили тертя (рис. 8). У свою чергу фактори, які визначають трибокорозійну активність сталі залежать від ступеня її структурної стабільності, яка проявляється як у вихідному стані, так і у динаміці тертя. Сталь (після термообробки при Т_відп=400єС, троостит), що має релаксаційну стійкість (високий опір мікропластичним деформаціям), характеризується найбільш інтенсивним протіканням електрохімічних процесів: найбільшим зростанням струму корозії та максимальним розблагороджуванням потенціалу, що різко знижує контактну міцність, і в тим більшій мірі, чим більш корозійно-активне зовнішнє середовище, що й зумовлює низьку фреттингостійкість матеріалу.

Вивчено вплив термообробки, корозійної активності та легування сталі на характеристики зносостійкості і антифрикційності (час припрацювання). Найгіршою припрацьовуваністю при відносно малій глибині адгезійного зношування характеризується структура загартування (мартенсит). При температурах відпуску 400...800єС спостерігається кореляція між стійкістю проти зношування і антифрикційністю. Виявлено взаємозв'язок між показником антифрикційності і струмом корозії: при збільшенні корозійної активності час припрацювання зростає із погіршенням антифрикційності досліджених сталей у наступному порядку: 14Х17Н22Х12ВМБФР38Х2МЮА40ХН2МА. У представленому ряді сталей збільшується вміст вуглецю, що вказує на його визначальний вплив. У цьому ж порядку падає й фреттингостійкість сталей. Установлені закономірності є основою комплексного підходу до забезпечення фреттингостійкості пар тертя, який враховує реологічні та корозійні фактори.

Шостий розділ присвячений фізико-хімічному моделюванню процесу тертя та зношування металів на основі дисипативної природи контактних явищ. Виявлено аналітичний взаємозв'язок триботехнічних характеристик сполучених поверхонь із проявом матеріалом непружності й інтенсивністю трибохімічної взаємодії.

Динамічне контактування твердих тіл викликає пружно-пластичне деформування ділянок фактичного контакту поверхонь, що зумовлює взаємозв'язок формованої при цьому сили тертя із реологічною поведінкою матеріалу залежно від навантажувальних і температурно-швидкісних умов тертя. Розглянуто змушені лінійні коливання у трибосистемі під дією на один зі сполучених елементів зовнішньої періодично змінної сили , що відповідає, наприклад, умовам фреттингу. Диференціальне рівняння коливань має вигляд:

, (2)

де: - частота змушуючої сили; m - зведена маса “третього тіла”, яке проявляє в'язко-пружні властивості; r - коефіцієнт в'язкого опору тертю; k - коефіцієнт пружності (тангенціальна жорсткість контакту); х - деформація (зсув).

Сума сил пружного і в'язкого (дисипативного) опорів, що формують силу тертя F із урахуванням рішення рівняння (2) для сталих змушених коливань, визначається виразом:

(3)

Виключивши час та увівши у розгляд логарифмічний декремент коливань , який є мірою внутрішнього тертя, для сили зовнішнього тертя отримано:

(4)

Динамічну напруженість контакту за цикл навантаження можна характеризувати середніми значеннями пружної і дисипативної складових опору. Тоді середня сила тертя дорівнює:

, (5)

Видно, що за інших однакових умов (наприклад, однакові модулі пружності, мікротопографія) у температурно-швидкісному діапазоні тертя, коли формується релаксаційний пік внутрішнього тертя, повинен спостерігатися максимум сили тертя, що підтверджується результатами випробувань. Причому в цих умовах матеріал здатний проявляти підвищену зносостійкість.

Загальне зношування розглядали з урахуванням механічної і хімічної складових:

(6)

Виходячи з того, що швидкість зношування основного металу пропорційна накопиченій ним енергії руйнування, що являє собою потенційну енергію деформації :

, (7)

де С - коефіцієнт пропорційності, пов'язаний із механічними властивостями матеріалу (наприклад, твердістю Н_h) через постійну С₁: , і з урахуванням розсіювання підведеної енергії по механізмах внутрішнього тертя:

(8)

рівняння механічної складової зношування визначається як:

, (9)

де - сталий коефіцієнт тертя; Р - нормальна сила; L - шлях тертя; - циклічна частота; , К - коефіцієнт розподілу енергії між трибоелементами.

Для опису релаксаційного внутрішнього тертя (ВТ), яке проявляється при зовнішньому терті, у зв'язку зі зносостійкістю сполучених поверхонь використали стандартне лінійне тіло Зінера, що враховує температурні зміни в'язко-пружних властивостей твердих тіл.

Величина хімічної складової зношування I_хім пов'язана з товщиною h утворених і видалених під час тертя хімічних сполук. Для трибохімічних реакцій:

, (10)

де k_w - константа швидкості трибохімічної реакції; t - час протікання реакції.

Виходячи з рівномірного розподілу нерівностей циліндричної форми на поверхні і залежності фактичної площі контакту від нормального навантаження та твердості матеріалу можна записати:

, (11)

де Р - нормальне навантаження; k₁, k₂ - константи, рівні

Рівняння сумарного зношування поверхні з урахуванням механічних і трибохімічних процесів має вигляд:

(12)

Величини можна визначити експериментально.

У тому випадку, коли кінетика трибохімічного процесу лімітується перерозподілом механічної енергії в системі, константа швидкості реакції k_w повинна бути пропорційна швидкості розсіювання енергії деформації по трибохімічних механізмах та ймовірності накопичення в даному мікрооб'ємі критичної енергії деформації , достатньої для ініціювання трибохімічної реакції:

(13)

Таким чином, інтенсифікація розсіювання механічної енергії по механізмах внутрішнього тертя сприяє зниженню константи швидкості трибохімічних реакцій, що призводить до зменшення хімічної складової зношування I_хім.

Приймаючи, що та відповідно з виразом (5), остаточно отримаємо:

(14)

Видно, що важливим фактором, який впливає на величину як механічної, так і хімічної складової зношування, є реологічні властивості поверхневих шарів тертя, які визначають можливість релаксації напружень по механізмах внутрішнього тертя за даних умов зовнішнього тертя і таким чином діють на формування напружено-деформованого стану матеріалу. Отримані аналітичні залежності відповідають експериментальним даним.

Розглянута загальна дисипативна система трибовузла. Показано, що резерв підвищення триботехнічних характеристик сполучених елементів полягає у забезпеченні протікання захисних механізмів релаксації як за участю матеріалу пари тертя, так і навколишнього середовища.

Сьомий розділ присвячений вивченню взаємозв'язку зміни реологічних властивостей металів під впливом циклічних і статичних напружень, а також корозійно-активного середовища з розвитком пошкоджуючих явищ і встановленню впливу фреттинг-корозії на чутливість металу до руйнування в умовах корозійного розтріскування.

Виявлена багатостадійність зміни внутрішнього тертя металу при втомних випробуваннях залежно від амплітуди циклічної деформації, яка зумовлена активацією та гальмуванням різноманітних реологічних процесів, вичерпування яких призводить до зростання дефектності металу. На початковому етапі навантаження присутність корозійно-активного середовища (КАС) (3% розчину NaCl) сприяє збільшенню рівня ВТ як при багатоцикловій, так і малоцикловій втомі. На стадії множинного ковзання, навпаки, наявність КАС призводить до зниження рівня ВТ і, як наслідок, більш ранньому та інтенсивному виникненню і розвитку мікротріщин порівняно із випробуваннями на повітрі.

Установлено немонотонну залежність зміни мікропластичності сталі різної термообробки, яка характеризується коефіцієнтами деформаційного зміцнення А₂, А₃ і критичним напруженням мікротекучості , від величини прикладених статичних напружень. Дія невисокого навантаження викликає ефект знеміцнення і підвищення мікропластичності матеріалу. Збільшення зовнішнього навантаження веде до гальмування руху дислокацій, стабілізації субструктури й зниженню мікропластичності матеріалу, при вичерпанні якої для сталі 65Г із температурою відпуску 200єС при 1400МПа відбувається руйнування зразків. Цього не спостерігається для сталі з Т_відп=400єС і високовідпущеної (Т_відп=600єС) сталі із зростанням діючих напружень внаслідок активації множинного ковзання дислокацій, що викликає підвищення мікропластичності й забезпечує релаксацію виникаючих локальних пікових напружень.

Показано, що корозійно-активне середовище при невисоких статичних напруженнях сприяє підвищенню мікропластичних властивостей сталі порівняно з повітряним середовищем. Це є передумовою для зниження схильності сталі до корозійного розтріскування шляхом її помірного попереднього навантаження. Із зростанням прикладеного навантаження корозійне середовище для сталі 65Г з температурами відпуску 200єС і 400єС вже здійснює гальмуючий вплив на рухливість субструктури (характеристики А₂, А₃ і у₃ зростають). Зниження мікропластичності матеріалу викликає крихкість, активацію механохімічних реакцій і прояв корозійного розтріскування. Високотемпературний відпуск сталі 65Г (Т_відп=600єС) сприяє знеміцнюючій дії КАС при різних навантаженнях, і корозійне розтріскування зразків не спостерігається.

Показано зниження мікропластичності матеріалу на початковому етапі навантаження, викликане порушенням рівноваги між рухливістю субструктури й прикладеним зовнішнім напруженням.

Розглянуто вплив фреттинг-корозії на зміну схильності сталі 65Г (відпуск 400⁰С) до корозійного розтріскування (середовище - 3% розчин NaCl) залежно від числа циклів напрацювання та амплітуди проковзування (рис. 9, 10). Показано (рис. 9), що час до корозійного розтріскування зразків зі збільшенням числа циклів фреттинг-напрацювання знижується на кілька

порядків. У той же час межа міцності, яка визначалась при стандартних випробуваннях на розрив, змінюється незначно. Істотний вплив на стійкість до корозії під напруженням справляє амплітуда ковзання й виникаюча при цьому глибина пошкоджень (рис. 10). Виявлено наявність критичної амплітуди проковзування, для нашого випадку 50 мкм, при якій матеріал у ході фреттингу набуває найбільшої чутливості до корозійного розтріскування.

Установлено існування зв'язку між часом до корозійного руйнування зразків при статичному навантаженні й характеристиками мікропластичності металу, що сформувалися в результаті фреттингу при різних амплітудах. Для однакової глибини пошкоджень розвиток корозійного розтріскування визначають реологічні процеси. Чим сильніше знижується релаксаційна здатність металу в ході фреттингу, що спостерігається у низько-амплітудній зоні (50мкм), тобто чим більше вичерпано мікропластичності й нижче її запас, тим більше матеріал схильний до наступного руйнування від дії статичних напружень і корозійного середовища.

...