Мезомеханика сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения

Мезомеханика сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения

В.Е. Панин, И.Г. Горячева1, Д.Д. Моисеенко, А.В. Панин,

Ю.И. Почивалов, С.В. Панин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт проблем механики РАН, Москва, 119526, Россия

Проведен анализ применимости многоуровневого подхода физической мезомеханики к описанию сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. На примере стали Гадфильда показано, что на поверхностях трения возникает многоуровневая клеточная мезосубструктура, согласующаяся со стохастической моделью интерфейсов в мезо-механике структурно-неоднородных сред.

Mesomechanics of interfacing of the hardened surface layer and elastically loaded substrate in friction pairs

V.E. Panin, I.G. Goryacheva1, D.D. Moiseenko, A.V Panin,

Yu.I. Pochivalov, and S.V. Panin

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 634021, Tomsk, Russia 1 Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, 119526, Russia

The paper analyzes the application of the multilevel approach of physical mesomechanics to the description of the interface between the hardened surface layer and elastically loaded substrate in friction pairs. By the example of Hadfield steel it is shown that a multilevel chessboard-like mesosubstructure is formed on friction surfaces, which agrees with the stochastic model of interfaces in the mesomechanics of heterogeneous media.

1. Введение

В физической мезомеханике деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой поверхностные слои и внутренние границы раздела являются самостоятельными подсистемами [1, 2]. Такой подход особенно актуален в задаче о сопряжении упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. В рамках физической мезомеханики поверхностные слои в парах трения должны рассматриваться как самостоятельные подсистемы. Для выполнения условия совместности при сопряжении двух сред с разными характеристиками упругости принципиально важную роль играет распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «упрочненный поверхностный слой - подложка». Неоднородность этого распределения определяет механизмы разрушения поверхностных слоев в трибосопряжениях и мезомеханику изнашивания твердых тел. Настоящая работа посвящена концептуальному обоснованию предлагаемого подхода к описанию процессов деформации и разрушения на поверхностях трения. С этой целью были проведены:

1. Численные эксперименты по моделированию возмущений на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» и расчет связанного с ними распределения локальных напряжений и деформаций.

2. Экспериментальная проверка предсказаний численного моделирования на примере знакопеременного циклического изгиба плоских образцов титана ВТ1-0 с наводороженными поверхностными слоями. Согласно [3], наводороженные поверхностные слои в образцах титана характеризуются пониженными упругими характеристиками по сравнению с объемом материала и сильно влияют на макромеханические свойства образца в целом. Циклическое нагружение знакопеременным изгибом позволяло задать большие пластические деформации в поверхностном слое образца при сохранении в ходе испытания стационарного состояния на интерфейсе «поверхностный слой - упруго нагруженная подложка».

3. Выявление распределения деформации на мезо-масштабном уровне в поверхностных слоях в трибосо-пряжении. Эксперимент проводился на аустенитной стали Гадфильда Г13, которая имеет высокие характерис-

© Панин В.Е., Горячева И.Г., Моисеенко Д.Д., Панин А.В., Почивалов Ю.И., Панин С.В., 2005

тики износостойкости и для которой механизмы деформации на микромасштабном уровне хорошо изучены.

2. Численное моделирование

Расчеты проводили с использованием развиваемого авторами стохастического подхода к моделированию границ раздела и поверхностей нагруженного твердого тела [4]. В основе данного подхода лежит модель модифицированных возбудимых клеточных автоматов. При проведении расчетов трехмерный образец разбивается на сеть кубических элементов среды, являющихся возбудимыми клеточными автоматами. Их взаимодействие осуществляется посредством обмена энергиями соседних элементов среды. В любой момент времени известно, какова величина внутренней энергии данного элемента среды, что позволяет вычислить значения компонент тензора напряжений, используя формулы Мурнага-на [5].

Отметим, что в одномерном приближении расчеты распределения напряжений на границе раздела двух сред с различными физико-механическими характеристиками, ранее уже проводили [4, 6]. Так, подобный расчет распределения напряжений на интерфейсе «поверхностный слой - подложка», вызванных различием их коэффициентов термического расширения, проведен в [6]. Он показал, что для выполнения условия совместности деформации на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» нормальные и касательные напряжения на границе раздела должны периодически изменяться по закону sin (cos). Аналогичные результаты получены в [4] при одномерном моделировании сопряжения двух сред, различающихся модулями упругости.

Качественный анализ пространственного распределения напряжений на границе раздела «поверхностный слой - подложка» при дву- или трехмерном рассмотрении приводит к естественному заключению, что распределение напряжений/деформаций на границе раздела должно иметь вид «шахматной доски» [7]. Подобное заключение хорошо согласовывалось с экспериментально наблюдаемым эффектом распространения мезополос локализованного пластического течения в виде двойных спиралей при растяжении поликристаллов с нанострук-турированным поверхностным слоем [2, 7].

При моделировании поведения тонкого поверхностного слоя исходный образец представлял собой параллелепипед с исследуемой поверхностью в виде правильного квадрата [8]. Поверхность разбивалась на сеть элементов с изначально стохастичным разбросом внутренней энергии. В процессе внешнего одноосного нагружения каждый локальный объем начинает осуществлять неравноосные притоки и оттоки энергии, интерпретируемые в классическом смысле как растягивающие и сжимающие напряжения. Постепенно процессы самоорганизации приводят к формированию «клеточек» деформационного рельефа правильной формы, в которых

растягивающие и сжимающие напряжения действуют с равным геометрическим периодом (рис. 1). Подобный результат получил название эффекта «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсе двух разнородных сред, находящихся в полях внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных и др.).

Из анализа профилей «срезов» образца в последовательные моменты времени внешнего воздействия следует, что, в то время как локальные деформационные пики меньшего масштабного уровня хаотично меняют свое местоположение, макрофрагменты (клетки) «шахматной доски» самоорганизуются в виде упорядоченной структуры. Это свидетельствует о том, что процесс самоорганизации протекает самосогласованно в иерархии масштабов. Развиваемый стохастический подход позволяет описать механизмы многомасштабного само-согласования двух разнородных сред на границе их раздела.

3. Знакопеременное нагружение

«Клеточная» структура на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» может быть выявлена экспериментально либо в случае значительного различия сдвиговой устойчивости поверхностного слоя относительно нижележащих слоев материала, либо при условиях нагружения, когда деформирование поверхностного слоя в значительной степени отличается от такового для объема материала образца. Второй случай реализуется при циклическом знакопеременном нагружении ниже предела текучести, особенно в области многоцикловой или сверхмногоцикловой усталости. В первом случае могут быть использованы несколько способов: наноструктурирование поверхностного слоя [2, 7], его наво-дораживание в контролируемых условиях [3, 9], упрочнение легированием или высокоэнергетическим воздействием и др.

Так, в [9] для технического титана ВТ1-0 проводили исследования влияния новодораживания поверхност-

20 10 0 -10 -20

Рис. 1. Трехмерное моделирование «шахматного» распределения деформации на интерфейсе «сдвигонеустойчивый поверхностный слой - подложка»

ного слоя на формирование поверхностной мезосуб-структуры при знакопеременном изгибе плоских образцов. Детальное исследование поверхностных слоев усталостно разрушенных образцов показало, что на их поверхности формируется многоуровневая «клеточная» структура деформационного рельефа, напоминающая «шахматную доску». Многоуровневость в данном случае подразумевает формирование развитого рельефа, элементы которого характеризуются самоподобием масштабов. Элементы деформационного рельефа типа шахматных клеток формируются в зонах интрузии наво-дороженного поверхностного слоя (рис. 2). Согласно методологии физической мезомеханики «шахматный» характер распределения напряжений и деформаций является эффективным механизмом диспергирования опасных концентраторов напряжений на поверхности нагруженного твердого тела.

4. Мезосубструктура в поверхностных слоях стали Г13 в условиях трибосопряжения

Деформация поверхностных слоев в парах трения является типичным многоуровневым процессом, для которого характерна значительная локализация деформации в приповерхностном слое, расположенном в окрестности зоны трибоконтакта. Сопряжение тонкого сильно деформированного приповерхностного слоя со слабо деформированными нижележащими слоями материала образца должно обусловливать возникновение на границе их раздела распределенных концентраторов напряжений, определяющих мезомеханику процессов изнашивания материалов. Естественно, наблюдать формирование регулярной структуры типа «шахматной доски» при испытаниях материалов в условиях трения и износа в общем случае затруднительно. Однако удачный выбор материала исследований, обладающего комплексом специфических физико-механических характеристик, может позволить выявить формирование деформационных мезосубструктур типа «шахматной доски».

В качестве такого материала исследований была выбрана сталь Гадфильда Г13, обладающая высокими характеристиками прочности и износостойкости. Харак-

терной особенностью ее деформирования на микромасштабном уровне является интенсивное протекание локальных структурных превращений [10]. С учетом специфики развития деформации на поверхностях трения это должно способствовать сохранению стационарной «клеточной» мезосубструктуры в упрочненных поверхностных слоях. В работе [11] проводили исследование поведения стали Г13 в исходном состоянии и после ультразвукового ударного воздействия при изнашивании по схеме «вал - втулка». Показано, что в результате ультразвуковой ковки микротвердость на поверхности возрастает более чем в 2 раза: с 3 500 до 8 400 МПа. При испытании в паре трения при нагрузке 250 Н наблюдался эффект формирования деформационного рельефа на боковой поверхности образцов на глубину до 700 мкм. Это означает, что различие деформаций в зонах сжимающих и растягивающих напряжений на поверхности трения стали Г13 может быть очень большим. Подобный поверхностный слой должен иметь сильно выраженную зубчатую структуру его интерфейса с нижележащими слоями материала, что обусловливает высокие характеристики прочности и пластичности. Высокая вязкость разрушения стали Г13 с учетом периодичности изменения на интерфейсе касательных напряжений [4, 6] и высокой температуры на поверхности трения должна формировать на базе «белых» клеток поверхностного слоя вертикальные стенки экструдированного материала. Подобный эффект наблюдался в [12] при низкотемпературном отжиге тонких пленок меди, напыленных на кремниевую подложку. Другими словами, специфика стали Г13 давала основания ожидать проявления клеточной структуры на ее поверхности трения. Это, действительно, подтвердилось.

Испытания в режиме граничной смазки проводили на испытательной машине СМТ-1 по схеме вал - колодка. Образцы стали Г13 для испытаний имели размер 7x7x10 мм3. Изображение деформационного профиля поверхности трения стали Г13 приведено на рис. 3. Видно, что на поверхности трения формируется хорошо развитая многоуровневая деформационная 3D-мезосуб-структура, элементы которой имеют форму «клеток»

2.44 мкм

*

2.62 мкм

130 мкм

70 мкм

146 мкм 1

Рис. 2. Формирование деформационного рельефа на поверхности плоских поверхностно наводороженных образцов технического титана ВТ1-0 при циклическом знакопеременном изгибе

Рис. 3. РЭМ-изображение поверхности трения стали Г13 (размер изображения: 200x200 мкм2). Время нагружения образца 60 мин, нагрузка 500 Н. Стрелкой указано направление вращения вала. РЭМ TESLA BS 300

различного размера. «Клетки» вытянуты в направлении вращения вала и испытали вязкий характер формоизменения. Как уже отмечалось, характерным механизмом пластической деформации на микроуровне в стали Гадфильда Г13 являются локальные структурные превращения. Это обусловливает высокие показатели вязкости данной стали и сохранение глубоко проработанной 3D-мезосубструктуры в сложных условиях трибо-сопряжения.

Полученный результат хорошо согласуется с данными проф. Н.М. Алексеева [13], показавшего, что в функции распределения частиц износа по размеру могут быть выделены характерные максимумы, отражающие структурные уровни развития деформации в зоне трибо-контакта. При этом автор классифицирует наблюдаемый эффект как самоподобие процессов, развивающихся на различных структурных уровнях. По нашему мнению именно по границам элементов деформационной мезо-субструктуры типа «шахматной доски» формируются микротрещины, которые окаймляют зародыши частиц износа. Наблюдаемый в экспериментах характерный размер «клеток» составляет десятки микрометров, что соответствует более высокому структурному уровню деформации и разрушения. Клеточная структура более низкого масштабного уровня (субмикронного) слабо разрешается с использованием растрового электронного микроскопа. Она соответствует более низкому структурному уровню и в стохастической модели деформирования структурно-неоднородных материалов. Для ее выявления и количественной аттестации будет в дальнейшем применена лазерная профилометрия.

5. Заключение

Проведено концептуальное обоснование необходимости описания механизмов деформации и разрушения поверхностных слоев материалов на поверхностях трения в рамках многоуровневой модели сопряжения «упрочненный поверхностный слой - подложка». Пока-

зано, что специфика деформации поверхностного слоя стали Г13 позволяет выявить клеточную структуру поверхностного слоя в парах трения, предсказанную теоретически и экспериментально для активного нагружения материалов со сдвигонеустойчивым поверхностным слоем. Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной важности многоуровневого подхода в решении контактных задач в трибосопряжениях. Поэтому мезомеханика износа должна учитывать «шахматный» характер распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «сильно деформированный поверхностный слой - упруго деформированная подложка» на поверхностях трения.

Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН № 3.12.4, а также Гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ НШ-2324.2003.1.

Литература

1. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.

2. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. - С. 715.

3. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю. Мезосубструктура в поверхностных слоях поликристаллов при циклическом нагружении и ее роль в усталостном разрушении // Доклады РАН. - 2005. -Т.403. - № 3. - С. 328-333.

4. Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Соловьев И.А. Стохастический подход к многоуровневому моделированию возмущений на границах раздела в нагруженном твердом теле // Физ. мезомех. - 2004. -Т.7.- № 2. - С. 19-24.

5. Murnaghan F.D. Finite deformation of an elastic solid. - New York: Wiley, 1951. - 141 p.

6. Cherepanov G.P. On the theory of thermal stresses in a thin bonding layer // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78. - P. 6826-6832.

7. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного пластического течения в наноструктурных поверхностных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 5-17.

8. Моисеенко Д.Д., Максимов П.В. Распределение напряжений и де-

формаций на интерфейсе «поверхностный слой - подложка»: моделирование на основе стохастического подхода // Физ. мезомех. -2005. - Т. 8. - № 6. - С. 89-96.

9. ПанинВ.Е., Панин А.В., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле: экспериментальная верификация и механизмы мезоскопического каналирования // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 6. - С. 97-105.

10. Ламбакахар О.О. Закономерности формирования микроструктуры и природа деформационного упрочнения высокоуглеродистого железо-марганцевого и железо-никелевого аустенита / Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Томск: ТГУ, 1975. - 20 с.

11. Колубаев Е.А. Деформирование поверхностных слоев при трении и факторы, влияющие на трибологические свойства металлов / Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2005. - 20 с.

12. Панин А.В., Шугуров А.Р., Оскомов К.В., Сидоренко А.И. Мезомеханика поведения тонких пленок Cu на подложке при одноосном растяжении и термическом отжиге. Многоуровневый подход // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 4. - С. 27-35.

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