Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей

Установлено, что повышение усталостной трещиностойкости деталей машин и механизмов при фрикционном упрочнении их рабочих поверхностей существенно зависит от выбора технологической среды. Проведено комплексное локальное исследование влияния разных рабочих сред на фазовый и химический составы, микрост...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автор:	Тихонович, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2018
Назва видання:	Металлофизика и новейшие технологии
Теми:	Металлические поверхности и плёнки
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151341
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей / В.В. Тихонович // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 8. — С. 1005-1027. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-151341
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1513412019-05-14T01:25:12Z Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей Тихонович, В.В. Металлические поверхности и плёнки Установлено, что повышение усталостной трещиностойкости деталей машин и механизмов при фрикционном упрочнении их рабочих поверхностей существенно зависит от выбора технологической среды. Проведено комплексное локальное исследование влияния разных рабочих сред на фазовый и химический составы, микроструктуру и напряжённое состояние фрикционно-упрочнённой стали 45. Показано, что насыщение фрикционно-упрочнённого металла активными химическими элементами смазочно-охлаждающих жидкостей влияет на усталостную трещиностойкость изделий. Эти химические элементы преимущественно находятся в приграничных областях зёрен, не образуют каких-либо химических соединений с атомами исходного металла и существенно изменяют электронную структуру и характер химических связей между атомами. Насыщение фрикционно-упрочнённого металла атомами углерода снижает усталостную трещиностойкость материала из-за малой подвижности атомов в приграничных областях зёрен в результате образования прочных ковалентных связей между атомами углерода и окружающими их атомами металла. Встановлено, що підвищення втомної тріщиностійкости деталів машин і механізмів при фрикційному зміцненні їхніх робочих поверхонь істотно залежить від вибору технологічного середовища. Проведено комплексне локальне дослідження впливу різних робочих середовищ на фазовий і хемічний склади, мікроструктуру та напружений стан фрикційно-зміцненої сталі 45. Показано, що насичення фрикційно-зміцненого металу активними хемічними елементами мастильно-охолодних рідин впливає на втомну тріщиностійкість виробів. Ці хемічні елементи переважно знаходяться у примежових областях зерен, не утворюють будь-яких хемічних сполук з атомами вихідного металу й істотно змінюють електронну структуру та характер хемічних зв’язків між атомами. Насичення фрикційно-зміцненого металу атомами Карбону понижує втомну тріщиностійкість матеріялу через малу рухливість атомів у примежових областях зерен внаслідок утворення міцних ковалентних зв’язків між атомами Карбону й атомами металу, що оточують їх. As determined, an increase in the fatigue crack resistance of machine parts at frictional hardening of their working surfaces essentially depends on the choice of the technological environment. A complex local study of the influence of different working media on the phase and chemical compositions, microstructure, and stress state of friction-hardened steel 45 is carried out. As shown, a saturation of friction-hardened metal with active chemical elements from lubricoolants influences on the fatigue crack resistance of articles. These chemical elements are predominantly located in the near-boundary regions of grains. They do not form any chemical compounds with the atoms of the parent metal and significantly change both the electronic structure and the nature of chemical bonds between the atoms. Saturation of friction-hardened metal with carbon atoms reduces the fatigue crack resistance of the material because of low atoms’ mobility in the near-boundary regions of the grains because of formation of strong covalent bonds between the carbon atoms and the surrounding metal atoms. 2018 Article Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей / В.В. Тихонович // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 8. — С. 1005-1027. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 1024-1809 PACS: 06.60.Vz, 62.20.Qp, 71.20.Be, 81.40.Np, 81.40.Pq, 81.65.-b, 82.80.Pv DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.40.08.1005 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151341 ru Металлофизика и новейшие технологии Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Металлические поверхности и плёнки Металлические поверхности и плёнки
spellingShingle	Металлические поверхности и плёнки Металлические поверхности и плёнки Тихонович, В.В. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей Металлофизика и новейшие технологии
description	Установлено, что повышение усталостной трещиностойкости деталей машин и механизмов при фрикционном упрочнении их рабочих поверхностей существенно зависит от выбора технологической среды. Проведено комплексное локальное исследование влияния разных рабочих сред на фазовый и химический составы, микроструктуру и напряжённое состояние фрикционно-упрочнённой стали 45. Показано, что насыщение фрикционно-упрочнённого металла активными химическими элементами смазочно-охлаждающих жидкостей влияет на усталостную трещиностойкость изделий. Эти химические элементы преимущественно находятся в приграничных областях зёрен, не образуют каких-либо химических соединений с атомами исходного металла и существенно изменяют электронную структуру и характер химических связей между атомами. Насыщение фрикционно-упрочнённого металла атомами углерода снижает усталостную трещиностойкость материала из-за малой подвижности атомов в приграничных областях зёрен в результате образования прочных ковалентных связей между атомами углерода и окружающими их атомами металла.
format	Article
author	Тихонович, В.В.
author_facet	Тихонович, В.В.
author_sort	Тихонович, В.В.
title	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
title_short	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
title_full	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
title_fullStr	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
title_full_unstemmed	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
title_sort	влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Металлические поверхности и плёнки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151341
citation_txt	Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей / В.В. Тихонович // Металлофизика и новейшие технологии. — 2018. — Т. 40, № 8. — С. 1005-1027. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
series	Металлофизика и новейшие технологии
work_keys_str_mv	AT tihonovičvv vliâniesmazočnoohlaždaûŝihžidkostejsaktivnymihimičeskimiélementaminapovyšeniedolgovečnostistalʹnyhdetalejprifrikcionnomupročneniirabočihpoverhnostej
first_indexed	2025-07-13T01:19:33Z
last_indexed	2025-07-13T01:19:33Z
_version_	1837492685086130176
fulltext	1005 PACS numbers: 06.60.Vz, 62.20.Qp, 71.20.Be, 81.40.Np, 81.40.Pq, 81.65.-b, 82.80.Pv Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей с активными химическими элементами на повышение долговечности стальных деталей при фрикционном упрочнении рабочих поверхностей В. В. Тихонович Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина Установлено, что повышение усталостной трещиностойкости деталей машин и механизмов при фрикционном упрочнении их рабочих поверх- ностей существенно зависит от выбора технологической среды. Проведено комплексное локальное исследование влияния разных рабочих сред на фазовый и химический составы, микроструктуру и напряжённое состоя- ние фрикционно-упрочнённой стали 45. Показано, что насыщение фрик- ционно-упрочнённого металла активными химическими элементами сма- зочно-охлаждающих жидкостей влияет на усталостную трещиностой- кость изделий. Эти химические элементы преимущественно находятся в приграничных областях зёрен, не образуют каких-либо химических со- единений с атомами исходного металла и существенно изменяют элек- тронную структуру и характер химических связей между атомами. Насыщение фрикционно-упрочнённого металла атомами углерода сни- жает усталостную трещиностойкость материала из-за малой подвижности атомов в приграничных областях зёрен в результате образования прочных ковалентных связей между атомами углерода и окружающими их атома- ми металла. Ключевые слова: смазочно-охлаждающие жидкости, усталостная тре- Corresponding author: Viktor Vadymovych Tykhonovych E-mail: tvv050558@gmail.com G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S. of Ukraine, 36 Academician Vernadsky Blvd., UA-03142 Kyiv, Ukraine Citation: V. V. Tykhonovych, Influence of Lubricoolants with Active Chemical Elements on Increase of Durability of Steel Parts After Frictional Hardening Working Surfaces, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 8: 1005–1027 (2018) (in Russian), DOI: 10.15407/mfint.40.08.1005. Ìеталлофиз. новеéøие теõнол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2018, т. 40, № 8, сс. 1005–1027 / DOI: 10.15407/mfint.40.08.1005 Îттиски доступны непосредственно от издателя Ôотокопирование разрешено только в соответствии с лицензией  2018 ÈÌÔ (Èнститут металлофизики им. Ã. В. Êурдюмова НÀН Украины) Напечатано в Украине. https://doi.org/10.15407/mfint.40.08.1005 https://doi.org/10.15407/mfint.40.08.1005 1006 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ щиностойкость, пластическая деформация, примесные атомы, электрон- ная структура, межатомные связи. Встановлено, що підвищення втомної тріщиностійкости деталів машин і механізмів при фрикційному зміцненні їхніх робочих поверхонь істотно залежить від вибору технологічного середовища. Проведено комплексне локальне дослідження впливу різних робочих середовищ на фазовий і хе- мічний склади, мікроструктуру та напружений стан фрикційно- зміцненої сталі 45. Показано, що насичення фрикційно-зміцненого мета- лу активними хемічними елементами мастильно-охолодних рідин впли- ває на втомну тріщиностійкість виробів. Ці хемічні елементи переважно знаходяться у примежових областях зерен, не утворюють будь-яких хе- мічних сполук з атомами вихідного металу й істотно змінюють електрон- ну структуру та характер хемічних зв’язків між атомами. Насичення фрикційно-зміцненого металу атомами Êарбону понижує втомну тріщи- ностійкість матеріялу через малу рухливість атомів у примежових облас- тях зерен внаслідок утворення міцних ковалентних зв’язків між атомами Êарбону й атомами металу, що оточують їх. Ключові слова: тертя, мастильно-охолодні рідини, втомна тріщиностій- кість, пластична деформація, домішкові атоми, електронна структура, міжатомові зв’язки. As determined, an increase in the fatigue crack resistance of machine parts at frictional hardening of their working surfaces essentially depends on the choice of the technological environment. A complex local study of the influ- ence of different working media on the phase and chemical compositions, mi- crostructure, and stress state of friction-hardened steel 45 is carried out. As shown, a saturation of friction-hardened metal with active chemical elements from lubricoolants influences on the fatigue crack resistance of articles. These chemical elements are predominantly located in the near-boundary re- gions of grains. They do not form any chemical compounds with the atoms of the parent metal and significantly change both the electronic structure and the nature of chemical bonds between the atoms. Saturation of friction- hardened metal with carbon atoms reduces the fatigue crack resistance of the material because of low atoms’ mobility in the near-boundary regions of the grains because of formation of strong covalent bonds between the carbon at- oms and the surrounding metal atoms. Key words: friction, lubricoolants, fatigue crack resistance, plastic defor- mation, impurity atoms, electronic structure, interatomic bonds. (Получено 6 марта 2018 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Практически любое воздействие на материал деталей машин и ме- ханизмов передаётся через рабочую поверхность. Свойства поверх- ностных слоёв, как правило, определяют поведение и эксплуатаци- ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1007 онные характеристики изделий. Поэтому повысить долговечность ответственных деталей можно, создав на рабочих поверхностях упрочнённые слои или покрытия. Причём, упрочнение тонкого по- верхностного слоя массивной детали для технологий машинострое- ния более предпочтительно. Îно позволяет экономить дорогостоя- щие легированные стали и сплавы. Îднако, далеко не все существу- ющие на сегодня методы упрочнения удобны для применения. В большинстве своём они трудоёмки, сложны, дороги, требуют слож- ного оборудования и оснащения. Ê тому же, не все пригодны для восстановительных работ при среднем и капитальном ремонтах. Эффективным средством упрочнения поверхности деталей является их обработка высококонцентрированными потоками энергии. Наиболее простым и технологичным средством такой обработки яв- ляется фрикционное упрочение. Îно позволяет создать в припо- верхностных слоях деталей такое состояние металла, структура, внутренние напряжения, химический и фазовый состав которого обеспечивают повышение эксплуатационных характеристик изде- лия. Îднако, не смотря на большое количество интересных работ [1– 9], посвящённых данной теме, применение фрикционного упроче- ния на практике осложняется недостатком научно обоснованных методов управления свойствами упрочнённого металла. В частно- сти, мало изучен механизм воздействия на металл активных хими- ческих элементов смазочно-охлаждающих жидкостей (СÎЖ), кото- рые подводятся при фрикционном упрочнении в зону контакта де- таль–инструмент. Èсследованию этого вопроса посвящена данная работа. 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ Ôрикционное упрочнение поверхности стали 45 осуществлялось на плоскошлифовальном станке модели SPC-20À с модернизирован- ным узлом главного привода. Линейная скорость на ободе упроч- няющего диска из нормализованной стали 45 равнялась 62 м/с, скорость перемещения стола станка — 6⋅10−2 м/с, скорость попе- речной подачи образца — 2,3⋅10−3 м/двойной ход стола станка, глу- бина врезания — 2,5⋅10−4 м. Эксперименты проводили на закалён- ной и среднеотпущенной на воздухе стали 45, включающей 0,48% вес. углерода, 0,55% вес. марганца, 0,16% вес. хрома, 0,18% вес. кремния, 0,02% вес. серы и 0,02% вес. фосфора. В зону контакта деталь–инструмент подавались СÎЖ, в качестве которых использовались: индустриальное масло È-20À (ÃÎСТ 20799-88), индустриальное масло È-20À с 0,7% вес. серы элемен- тарной, насыщенный водный раствор минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС), водные эмульсии концентра- тов СÎЖ «Àквол-15П», «Синтал-2» и модельного концентрата 1008 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ СÎЖ с фосфорсодержащей активной присадкой. В концентрате СÎЖ «Àквол-15П» в качестве противозадирной, противоизносной присадки используется дитио-бис-н-бутилксанто- генат по ТУ 38101815-80 с содержанием серы 40%. Êоличество присадки в концентрате — 10%. Роль эмульгаторов исполняют со- ли карбоновых кислот и алкилсульфокислот, а также неионоген- ные поверхностно-активные вещества (ПÀВ) — оксиэтилированные жирные спирты. В концентрате СÎЖ «Синтал-2» в качестве противозадирной, противоизносной присадки используется хлорпарафин ХП-470 по ТУ 601568-76 с содержанием хлора 50%. Êоличество присадки в концентрате — 25%. В качестве эмульгаторов используются соли и эфиры карбоновых кислот. В концентрате модельной СÎЖ в качестве противозадирной, про- тивоизносной присадки используется триэтаноламиновая соль фосфорной кислоты. Êоличество присадки в концентрате — 10%. В качестве эмульгаторов используются соли и эфиры карбоновых кислот. Êонтроль температуры в зоне контакта деталь–инструмент при фрикционном упрочнении стали проводился вмонтированной в об- разец термопарой. Хотя подобные измерения не позволяют точно определить действительную температуру в зоне контакта трущихся тел, они могут быть полезными при сравнении температурных ре- жимов процесса фрикционного упрочнения стали в разных техно- логических смазочно-охлаждающих средах. Ôрикционное упрочнение повышает трещиностойкость матери- ала [9]. Поэтому фрикционно-упрочнённые в приведённых выше технологических смазочно-охлаждающих средах призматические образцы подвергались испытаниям на установке УРТ-10 с целью определения характеристик сопротивления металла развитию тре- щины при циклических нагрузках. Ìетодика испытаний подробно описана в работах [9–11]. Наличие в образцах примесных элементов анализировалось с по- мощью оже-электронной спектроскопии. Èсследования проводи- лись на приборе LAS-2000 (‘RIBER’). Для определения содержания химических элементов на границах зёрен непосредственно в прибо- ре осуществлялось хрупкое разрушение образцов при температуре −196°C и вакууме 1,3⋅10−8 Па. Поверхности разрушения были рас- положены перпендикулярно поверхностям трения. При оже- анализе поверхностей излома выбирались участки с интеркристал- литным разрушением материала. Время регистрации спектров оже- электронов было выбрано так, чтобы исключить возможность вли- яния на них адсорбции примесей из остаточных газов на анализи- руемую поверхность или их диффузии из объёма тела. Рентгеноструктурные исследования фазового состава, макро- и ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1009 микронапряжений фрикционно-упрочнённой в разных средах ста- ли 45 были проведены на рентгеновской установке ДРÎН-3 в FeKα- излучении. Ìетодика измерений описана в работах [12, 13]. Ìеталлографические исследования торцевых шлифов фрикци- онно-упрочнённой в разных средах стали проводились на оптиче- ском микроскопе Neophot-30 (‘Carl Zeiss’). Для защиты поверх- ностных слоёв от возможных повреждений при приготовлении тор- цевых шлифов на поверхность трения предварительно электроли- тически осаждался слой никеля толщиной около 300 мкм. Èсследование микроструктуры фрикционно-упрочнённой стали методом трансмиссионной электронной микроскопии проводилось на электронном микроскопе JEM-200CX (JEOL Ltd.) при ускоряю- щем напряжении 200 кВ. Ìетодика приготовления тонких фольг, описана в работе [14]. Для понимания физического механизма многокомпонентной внутренней адсорбции, которая развивается в условиях фрикцион- ного упрочнения стали при насыщении поверхностных слоёв ак- тивными химическими элементами рабочей среды, исследовалось индивидуальное ближайшее атомное окружение атомов примеси на границах зёрен. С этой целью проводился анализ протяжённой тон- кой структуры спектров потери энергии рассеянных электронов [15, 16]. Протяжённую тонкую структуру спектров от сегрегаций на границах зёрен регистрировали на приборе ESCALAB-MK-II (VG Ltd.). Èсследовались участки границ зёрен образцов, хрупко раз- рушенных в камере прибора при температуре −196°C и вакууме 10−9 Па. Ãармонический анализ амплитудных модуляций, присутству- ющих в электронных спектрах, позволил идентифицировать бли- жайшее окружение в сегрегации и получить информацию о меж- атомных расстояниях. Для качественного анализа влияния примесных элементов на электронную структуру и характер межатомных связей в пригра- ничных областях зёрен с помощью программного комплекса «WIEN2k» были проведены зонные расчёты в LAPW-приближении [17] с использованием полного потенциала и градиентной аппрокси- мации электронной плотности (GGA—generalized gradient approxi- mation) в форме [18]. Для расчёта полной и парциальных плотностей электронных состояний использовался спин-поляризованный вари- ант LAPW-метода [19]. В качестве необходимых для расчётов исход- ных структурных параметров были использованы данные рентгено- структурного анализа о фазовом составе металлов и спектроскопии высокого разрешения энергетических потерь рассеянных электронов об индивидуальном ближайшем атомном окружении атомов приме- си в приграничных областях зёрен и их фрагментов. Радиусы ÌТ(muffin-tin)-сфер выбирались из соображения ми- нимизации размеров межсферной области. При расчётах плотно- 1010 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ стей состояний использовалось 100 точек в неприводимой части зо- ны Бриллюэна. Произведение радиуса ÌТ-сферы минимального объёма (Rmt) и максимального значения волнового вектора плоских волн (Kmax) было выбрано равным 7. Для парциальных волн внутри ÌТ-сфер максимальное значение квантового числа l = 10, а в вы- числениях non-muffin-tin матричных элементов l = 4. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Îдной из основных характеристик, определяющих эксплуатацион- ные свойства конструкций и работоспособность деталей машин и механизмов, является их способность оказывать сопротивление долгосрочным циклическим нагрузкам. Èзвестно, что фрикционное упрочение существенно повышает трещиностойкость материала [1– 9]. Поэтому фрикционно-упрочнённые в разных смазочно- охлаждающих средах призматические образцы испытывались на установке УРТ-10 для определения характеристик сопротивления развитию трещин при циклических нагрузках. На рисунке 1 приве- дены зависимости скорости роста трещины V от наибольшего коэф- фициента интенсивности напряжений цикла K, характеризующего напряжённо-деформированное состояние около вершины трещины. Êоэффициент интенсивности напряжений K определялся на осно- вании линейной теории упругости и учитывал уровень и способ при- ложения нагрузки, форму и размеры образца и трещины [9–11]. Èз приведённых на рис. 1 кинетических диаграмм усталостного разрушения видно, что повышение трещиностойкости стали 45 по- сле фрикционного упрочнения существенно зависит от вида ис- пользуемой при обработке образцов технологической среды. При- менение водных растворов концентратов СÎЖ приводит к меньше- му повышению трещиностойкости. При этом использование СÎЖ с противозадирной и антиизносной органической присадкой, содер- жащей в молекуле активные атомы хлора, является более эффек- тивным по сравнению с СÎЖ с фосфор- и серосодержащими при- садками. Ìаксимальное повышение трещиностойкости стали 45 наблюдается при фрикционном упрочнении в насыщенном водном растворе минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС). Ôизические причины усталостного разрушения материалов до- статочно сложны и ещё до конца не изучены. Поскольку усталост- ная трещиностойкость может зависеть от многих факторов, для вы- яснения причин разного влияния на неё технологических сред, ис- пользуемых при обработке образцов, для каждой из них было про- ведено комплексное исследование химического и фазового соста- вов, структуры и напряжённого состояния фрикционно-упрочнён- ного металла. ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1011 В результате фрикционной обработки стали на рабочей поверх- ности формировались слои упрочнённого металла с пониженной степенью травимости (белые слои). Èх толщина почти не зависела от выбора СÎЖ и менялась вдоль поверхности трения от 250 до 320 мкм. Ìикроструктура белых слоёв состояла из мартенсита, оста- точного аустенита, дисперсной карбидной фазы типа Fe3C и дис- персных оксидов FeO и Fe2O3. В объёме белых слоёв максимальный размер игл мартенсита изменялся в диапазоне от 6 до 0,4 мкм, мак- симальный размер зёрен аустенита — от 5 до 0,2 мкм, величина Рис. 1. Êинетические диаграммы усталостного разрушения закалённой и среднеотпущенной на воздухе стали 45 после фрикционного упрочнения в различных технологических средах: 1 — исходная сталь; 2 — водный рас- твор модельного концентрата СÎЖ с фосфорсодержащей присадкой; 3 — водный раствор концентрата СÎЖ «Àквол-15П» с серосодержащей при- садкой; 4 — водный раствор концентрата СÎЖ «Синтал-2» с хлорсодер- жащей присадкой; 5 — индустриальное масло È-20À; 6 — индустриальное масло È-20À с 0,7% вес. серы элементарной; 7 — насыщенный водный рас- твор минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС). Fig. 1. Kinetic diagrams of fatigue destruction of steel 45 after friction hard- ening in various technological environments: 1—initial steel; 2—aqueous so- lution of concentrate of model lubricating-cooling liquid with phosphorus- containing additive; 3—aqueous solution of concentrate of lubricoolant ‘Ak- vol-15P’ with a sulphur-containing additive; 4—aqueous solution of concen- trate of lubricoolant ‘Sintal-2’ with chlorine-containing additive; 5— industrial oil I-20A; 6—industrial oil I-20A with 0.7% by weight elemental sulphur; 7—saturated aqueous solution of mineral salts based on the magne- sium and calcium chlorides (ASMS). 1012 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ карбидов не превышала 0,5 мкм, величина оксидов — 0,3 мкм. Эти результаты хорошо согласуются с данными структурного и фазово- го анализа белых слоёв данного типа сталей, детально проведённого в работе [9]. Сопоставление усталостной трещиностойкости фрик- ционно-упрочнённого в разных средах метала (рис. 1) с размером его структурных элементов и неоднородностью микроструктуры свидетельствует об отсутствии в условиях данной работы заметной корреляции между ними. Îтносительное количество мартенсита и аустенита в упрочнённом слое определялось методом сравнения интегральных интенсивно- стей интерференционных линий аустенитной и мартенситной фаз, ТАБЛИЦА 1. Температура (Т) стали 45 в зоне контакта деталь–инстру- мент, периоды кристаллической решётки (аα, аγ) мартенсита и аустенита, относительное количество мартенсита (Pα) и аустенита (Pγ), напряжения первого (σ) и второго (∆а/а) рода в поверхностных слоях трения стали 45 после фрикционного упрочнения в разных технологических средах. TABLE 1. The temperature (T) of steel 45 in the contact area of the machine part–tool, the periods of the crystal lattice (аα, аγ) of martensite and austen- ite, the relative amount of martensite (Рα) and austenite (Рγ), the stresses of the first (σ) and second (∆а/а) kind in the surface layers of friction of steel 45 after friction hardening in different technological environments. Тип ÌÎР Т, Ê аα, Å аγ, Å Pα, % Pγ % σ, Па ∆а/а Водный раствор модель- ного концентрата СÎЖ с фосфорсодержащей при- садкой 930 2,865 3,615 89,8 10,2 10,4⋅106 7,06⋅10−3 Водный раствор концен- трата СÎЖ «Àквол-15П» с серосодержащей при- садкой 1050 2,873 3,625 86,0 14,0 −0,4⋅106 7,70⋅10−3 Èндустриальное масло È- 20À с 0,7% вес. серы эле- ментарной 970 2,867 3,591 91,2 8,8 6,6⋅106 10,8⋅10−3 Èндустриальное масло È- 20À 840 2,871 – 100,0 0,0 −6,0⋅106 6,53⋅10−3 Водный раствор концен- трата СÎЖ «Синтал-2» с хлорсодержащей присад- кой 790 2,870 – 100,0 0,0 −8,4⋅106 8,21⋅10−3 Насыщенный водный раствор минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС) 1020 2,869 3,615 85,6 14,4 5,6⋅106 2,65⋅10−3 ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1013 имеющих близкий угол отражения (111)γ ≅ 27°45′ и (110)α ≅ 28°30′. Èз приведённых в табл. 1 данных видно, что относительное количе- ство этих фаз в упрочнённом металле зависит от выбора технологи- ческой среды и достаточно хорошо коррелирует с температурой в зоне контакта деталь–инструмент. Èзвестно [20], что фазовый со- став материала может оказывать влияние на механизм образования и скорость роста усталостной трещины. Тем не менее, сопоставление данных кинетических диаграмм усталостного разрушения (рис. 1) с относительным количеством в упрочнённом слое аустенита и мар- тенсита (табл. 1) говорит о том, что в условиях данной работы тен- денция влияния технологических сред на трещиностойкость фрик- ционно-упрочнённой стали обусловлена не только фазовым составом упрочнённого слоя. Èз данных табл. 1 видно, что максимальное ко- личество аустенита содержится в белом слое, полученном с исполь- зованием водного раствора минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС), что должно способствовать зарождению усталостных микротрещин. Тем ни менее, именно этот материал об- ладает максимальной усталостной трещиностойкостью (рис. 1). Èзвестно, что растягивающие остаточные напряжения в поверх- ностном слое материалов могут понижать предел выносливости и являются важной причиной разрушения деталей. Поэтому в работе исследовались макро- (I рода) и микронапряжения (II рода) в объёме фрикционно-упрочнённого металла. Значения этих величин для разных технологических сред приведены в табл. 1. Растягивающие макронапряжения для водного раствора модельного концентрата СÎЖ с фосфорсодержащей присадкой должны способствовать уве- личению скорости роста усталостной трещины. Сжимающие макро- напряжения для водного раствора концентрата СÎЖ «Синтал-2» и Èндустриального масла È-20À должны способствовать её сниже- нию. Эти результаты согласуются с данными кинетических диа- грамм усталостного разрушения (рис. 1). Но значительные растяги- вающие макронапряжения в объёме упрочнённых в водном растворе минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС) и индустриальном масле È-20À с 0,7% вес. серы элементарной метал- лов противоречат их максимальной трещиностойкости. Не могут также служить причиной плохой трещиностойкости стали 45, упрочнённой в водном растворе концентрата СÎЖ «Àквол-15П», сжимающие макронапряжения в объёме упрочнённого металла. Èз сказанного следует, что в условиях данной работы напряже- ния первого рода в объёме фрикционно-упрочнённого металла не являются главной причиной, определяющей закономерность влия- ния различных технологических сред на усталостную трещино- стойкость стали. Не могут служить такой причиной также напря- жения второго рода, так как между ними и трещиностойкостью стали отсутствует какая-либо корреляция (рис. 1, табл. 1). 1014 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ Таким образом, из приведённых выше данных видно, что фазо- вый состав, напряжённое состояние, структурные параметры и их неоднородность не могут полностью объяснить тенденцию влияния используемых при фрикционном упрочнении технологических сред на трещиностойкость стали 45. По-видимому, должна суще- ствовать хотя бы ещё одна характеристика материала, влияние на которую выбора технологической среды может оказать воздействие на трещиностойкость фрикционно-упрочнённого материала. В работах [21–25] показано, что при трении и прокатке сплавов на основе железа происходит насыщение поверхностных слоёв ме- талла активными химическими элементами рабочей среды. Эти элементы находятся преимущественно в пространственно-протя- жённых структурно дезорганизованных приграничных областях зёрен и их фрагментов, не образуют каких-либо химических соеди- нений с атомами исходных металлов и могут существенно менять электронную структуру и характер химических связей в пригра- ничных областях. Было доказано, что это может служить причиной разного влияния СÎЖ на физико-механические свойства деформи- рованного под давлением металла. Èзвестно, что при переменных нагрузках на границах отдельных включений и поблизости от мик- роскопических полостей и разных дефектов возникает концентра- ция напряжений, которая приводит к микропластическим дефор- мациям сдвига некоторых зёрен металла, локальному накоплению дефектов и зарождению микротрещин. Далее происходит развитие сдвигов в микротрещинах, их сращивание, на последнем этапе по- является одна или несколько макротрещин, которые достаточно интенсивно развиваются. Поэтому изменение примесными элемен- тами характера химических связей в приграничных областях зёрен и дефектов структуры может существенно повлиять на подвиж- ность атомов и способность структуры к самоорганизации под вли- янием локальных напряжений сдвига, что скажется на скорости накопления дефектов кристаллической структуры, возникновении и развитии микротрещин. Èз сказанного следует, что насыщение упрочнённого при трении металла активными химическими эле- ментами технологической среды может повлиять на сопротивление фрикционно-упрочнённого металла усталостному разрушению. В связи с этим в настоящей работе проведён локальный анализ химического состава фрикционно-упрочнённого в разных средах металла. Для изучения эволюции химического состава границ зё- рен при фрикционном упрочнении металла был выбран метод оже- электронной спектроскопии, с помощью которого можно опреде- лить содержание химических элементов на поверхности на глубине 1–3 атомных слоя [26]. Для определения содержания химических элементов на грани- цах зёрен непосредственно в приборе осуществлялось хрупкое раз- ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1015 рушение образцов при температуре −196°C и вакууме 1,3⋅10−8 Па. Поверхности разрушения были расположены перпендикулярно по- верхностям трения. При оже-анализе поверхностей излома специ- ально выбирались участки интеркристаллитного разрушения об- разцов с фасетками межзёренного разрушения. Спектры оже-электронов, полученные от границ зёрен, располо- женных на глубине 30, 140 и 350 мкм от поверхности трения, при- ведены на рис. 2. Èз рисунка видно, что во всех случаях при пере- ходе от исходного металла к поверхностям трения границы зёрен обогащаются атомами углерода. Степень обогащения границ зёрен углеродом существенно зависит от выбора технологической среды. Èспользование водных растворов концентратов СÎЖ, в состав ко- торых входят углеводороды, приводит к максимальному насыще- нию деформированного металла углеродом. Входящие в состав Èн- дустриального масла È-20À углеводороды более устойчивы к внеш- ним термомеханическим воздействиям. Поэтому использование в качестве технологической среды этого масла приводит к меньшему насыщению деформированного металла углеродом. Ìинимальное насыщение границ зёрен фрикционно-упрочнённого металла угле- родом происходит при использовании водного раствора минераль- ных солей на основе хлоридов магния и кальция, в состав которого не входят углеводороды. При этом так же меняется кристаллоструктурное состояние ато- мов углерода. На границах зёрен недеформированного металла уг- лерод преимущественно находится в карбидной фазе. Развитая пластическая деформация фрикционно-упрочнённого металла при- водит к переходу углерода из карбидной фазы в твёрдый раствор, о чём свидетельствует изменение формы пика оже-электронов угле- рода. Эти результаты хорошо согласуются с данными работ [21–23, 25] в которых было показано, что интенсивная пластическая де- формация поверхностных слоёв металла при трении и прокатке приводит к частичному растворению карбидной фазы и переходу атомов углерода в приграничных областях зёрен в твёрдый раствор. По-видимому, именно этим объясняется небольшое увеличение со- держания атомов углерода на границах зёрен металла, фрикцион- но-упрочнённого в водном растворе минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция. Несмотря на то, что эта технологиче- ская среда не содержит углеводородов, в этом случае границы зёрен обогащаются углеродом за счёт выноса на них потоком дислокаци- онный скоплений атомов углерода растворенных в ходе пластиче- ской деформации мелкодисперсных карбидов. В остальных случа- ях границы зёрен обогащаются углеродом не только за счёт раство- рения карбидов, но и за счёт проникновения атомов углерода из ра- бочей среды в результате термомеханической деструкции молекул углеводородов в местах контакта трущихся поверхностей. 1016 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ Рис. 2. Спектры оже-электронов границ зёрен поверхности излома стали 45, фрикционно-упрочнённой в: водном растворе модельного концентрата СÎЖ с фосфорсодержащей присадкой (1–3); водном растворе концентрата СÎЖ «Àквол-15П» с серосодержащей присадкой (4–6); индустриальном масле È-20À с 0,7% вес. серы элементарной (7–9); водном растворе кон- центрата СÎЖ «Синтал-2» с хлорсодержащей присадкой (10–12); насы- щенном водном растворе минеральных солей на основе хлоридов магния и кальция (ВРÌС) (13–15). Спектры снимались от участков, расположен- ных на глубине 30 (1, 4, 7, 10, 13), 140 (2, 5, 8, 11, 14) и 350 (3, 6, 9, 12, 15) мкм от поверхности трения. Fig. 2. The Auger electron spectra of grain boundaries of the fracture surface of steel 45, frictionally hardened in: aqueous solution of concentrate of model lubricoolant with phosphorus-containing additive (1–3); aqueous solution of concentrate of lubricoolant ‘Akvol-15P’ with a sulphur-containing additive (4–6); industrial oil I-20A with 0.7% by weight elemental sulphur (7–9); aqueous solution of concentrate of lubricoolant ‘Sintal-2’ with chlorine- containing additive (10–12); saturated aqueous solution of mineral salts based on magnesium and calcium chlorides (ASMS) (13–15). The spectra were taken from the grain boundaries located at a depth of 30 (1, 4, 7, 10, 13), 140 (2, 5, 8, 11, 14), and 350 (3, 6, 9, 12, 15) µm from the friction surface. ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1017 Также границы зёрен деформированного при трении металла обогащаются небольшим количеством атомов кислорода, которые согласно данным рентгеноструктурного анализа находятся в мел- кодисперсной оксидной фазе. Его количество минимально при ис- пользовании Èндустриального масла È-20À, а в остальных случаях практически не зависит от выбора технологической среды. Èз рисунка 2 видно, что в зависимости от выбора технологиче- ской среды границы зёрен фрикционно-упрочнённого металла так- же обогащаются атомами фосфора, серы или хлора. Ãлубина про- никновения этих элементов в объем металла изменяется вдоль по- верхности трения от 170 до 250 мкм. Причём количество серы или хлора в упрочнённом металле зависит от выбора СÎЖ. По- видимому, это связано с тем, что количество активных химических элементов и их реакционная способность в пятнах фактического контакта трущихся поверхностей зависят от концентрации в СÎЖ присадок, их химической, термо- и механостойкости, а так же от того в каком виде находятся активные элементы в продуктах раз- ложения присадок (активные радикалы или единичные атомы). Àнализ пространственного распределения примесных элементов в объёме зёрен проводился путём послойного стравливания их гра- ниц ионным пучком с последующей записью спектров оже-электро- нов. Это делалось до тех пор, пока анализируемая поверхность не углублялась в объём зёрен настолько, что концентрация примесных элементов переставала меняться при очередном послойном травле- нии. Так как общая тенденция пространственного распределения примесных элементов в объёме зёрен для всех технологических сред была одинакова, с целью экономии объёма статьи на рис. 3 приведены только спектры оже-электронов, снятые при послойном травлении границ зёрен стали 45, фрикционно-упрочнённой в вод- ном растворе концентрата СÎЖ «Синтал-2» с хлорсодержащей при- садкой. Результаты исследований свидетельствуют о том, что в упрочнённом металле глубина приграничной зоны, обогащённой примесными элементами, составляет 10–30 атомных слоёв. В то время как в недеформированном металле атомы сегрегирующих элементов занимают у границы зерна зону глубиной до трёх атом- ных слоёв. У зёрен, расположенных вблизи от поверхности трения, количество атомов углерода, кислорода, фосфора, серы и хлора су- щественно убывает при переходе от их границ к объёму. Àнализ формы пика оже-электронов углерода свидетельствует о том, что в приграничных областях зёрен атомы углерода находятся преиму- щественно в твёрдом растворе, в то время как, в их объёме углерод находится в карбидной фазе. У зёрен, находящихся вдали от по- верхности трения, атомы кислорода, фосфора, серы и хлора отсут- ствуют, а количество атомов углерода на границах и в объёме отли- чается не так существенно. Углерод на границах зёрен и в их объёме 1018 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ находится преимущественно в карбидной фазе. Сопоставление кинетических диаграмм усталостного разруше- ния (рис. 1) и структурных параметров фрикционно-упрочнённого в разных средах металла (табл. 1) с данными локального анализа его химического состава (рис. 2) свидетельствует о том, что обога- щение границ зёрен упрочнённого металла атомами углерода суще- ственно снижает трещиностойкость стали. Благодаря минималь- ному насыщению границ зёрен упрочнённого металла атомами уг- лерода максимальной трещиностойкостью обладает сталь, фрикци- онно-упрочнённая в водном растворе минеральных солей на основе Рис. 3. Спектры оже-электронов границ зёрен поверхности излома стали 45, фрикционно-упрочнённой в водном растворе концентрата СÎЖ «Син- тал-2» с хлорсодержащей присадкой. Àнализируемые участки находились на глубине 30 (1–4) и 350 (5, 6) мкм от поверхности трения. Запись спек- тров проводилась без травления границ зёрен ионным пучком (1, 5) и с их послойным стравливанием на протяжении 4 (2, 6), 7 (3) и 10 (4) минут. Fig. 3. The Auger electron spectra of grain boundaries of the fracture surface of steel 45, frictionally hardened in aqueous solution of concentrate of lubri- coolant ‘Sintal-2’ with chlorine-containing additive. The analysed sites were at a depth of 30 (1–4) and 350 (5, 6) microns from the friction surface. The spectra were recorded without etching the grain boundaries by an ion beam (1, 5) and with their layer-by-layer etching during 4 (2, 6), 7 (3), and 10 (4) minutes. ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1019 хлоридов магния и кальция (ВРÌС), не смотря на то, что её упроч- нённый металл отличается максимальной структурной неоднород- ностью и значительными растягивающими напряжениями. Ìе- талл, упрочнённый в водном растворе концентрата СÎЖ «Àквол- 15П», обладает практически такой же, как и в предыдущем случае, структурной неоднородностью и сжимающими напряжениями, но из-за насыщения границ зёрен атомами углерода его трещиностой- кость существенно падает. Так как количество кислорода в упрочнённом металле слабо за- висит от выбора технологической среды, можно предположить, что в условиях настоящей работы влияние кислорода на усталостную трещиностойкость не является определяющим. Также должно влиять на трещиностойкость стали обогащение границ зёрен упрочнённого металла атомами фосфора, серы и хло- ра, которые входят в состав органических присадок СÎЖ. Èз рис. 1 видно, что максимальной трещиностойкостью обладают стали упрочнённые в хлорсодержащих технологических средах, а мини- мальной — в фосфор- и серосодержащих СÎЖ. Îднако из-за разно- го влияния технологических сред на фазовый состав, напряжённое состояние и количество атомов углерода на границах зёрен точно установить влияние этих элементов на трещиностойкость стали в условиях данной работы сложно. Для понимания механизма влияния активных химических эле- ментов СÎЖ на физико-механические свойства фрикционно- упрочнённого металла необходимо проанализировать их влияние на электронную структуру и характер межатомных связей в при- граничных областях зёрен, где они преимущественно находятся. Выше отмечалось, что изменение примесными элементами харак- тера химических связей может существенно повлиять на подвиж- ность атомов и способность структуры к самоорганизации под вли- янием локальных напряжений сдвига, что сказывается на скорости накопления дефектов кристаллической структуры, возникновении и развитии микротрещин, сращивание которых вызывает появле- ние одной или нескольких макротрещин, приводящих к усталост- ному разрушению образцов. Îднако влияние активных химических элементов технологиче- ской среды на электронную структуру и характер межатомных свя- зей существенно зависит от занимаемых этими атомами в пригра- ничных областях зёрен кристаллоструктурных позиций. В связи с этим, для понимания физического механизма многокомпонентной внутренней адсорбции, которая развивается при поверхностном ле- гировании в условиях трения, исследовалось индивидуальное бли- жайшее атомное окружение атомов примеси. С этой целью в работе использовался анализ протяжённой тонкой структуры спектров по- тери энергии рассеянных электронов. Этот метод, подробно изложен- 1020 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ ный в работах [15, 16], позволяет с высокой точностью представить геометрию ближнего порядка, а в предельном случае — получить парциальные радиальные функции и определить межатомные рас- стояния. Спектры снимались от границ зёрен мартенсита, находя- щихся на глубине до 70 мкм от поверхности трения. Так как количе- ство аустенита в фрикционно-упрочнённом металле не превышало 14% (табл. 1), а максимальный размер его зёрен был меньше 5 мкм, в условиях данной работы при хрупком разрушении образцов в камере прибора не удалось получить фасетки межкристаллитного разруше- ния зёрен аустенита, позволяющие корректно записать спектры. Протяжённая тонкая структура спектров потери энергии элек- тронов от сегрегаций на границах фиксировалась в области низких энергий в диапазоне до 200 эВ от линии упруго-рассеянных элек- тронов или вблизи характеристических оже-линий. Ãармониче- ский анализ амплитудных модуляций, присутствующих в элек- тронных спектрах, позволил идентифицировать ближайшее окру- жение в сегрегациях и получить информацию о межатомных рас- стояниях. В таблице 2 приведены различные пары атомов, встре- чающиеся на границах зёрен, и расстояния между ними. Видно, что в сегрегациях атомы фосфора, серы и хлора замещают атомы железа. Àтомы углерода находятся в октапорах ÎЦÊ- железа, которым соответствует расстояние между атомами углеро- да и железа равное 1,43 Å. Àтомы кислорода образуют с атомами железа мелкодисперсные оксиды FeO и α-Fe2Î3. Ìежатомное рас- стояние Fe–O равное 2,15 Å соответствует оксиду FeO [27]. В работе [28] было показано, что для стандарта α-Fe2Î3 в первой координа- ционной сфере атомов железа, состоящей из атомов кислорода, реа- лизуются два набора межатомных расстояний R = 1,94 Å (3 атома) и R = 2,12 Å (3 атома). Поэтому приведённые в таблице пары атомов ТАБЛИЦА 2. Пары атомов, встречающиеся на границах зёрен, и расстоя- ния между ними. TABLE 2. The pairs of atoms encountered on the grain boundaries and the dis- tance between them. № п/п Êристаллоструктурная позиция атомов примеси Пары атомов Расстояние, Å 1 Fe–Fe 2,46 2 Àтомы C в октапорах ÎЦÊ-железа Fe–C 1,43 3 Àтом примеси в позиции замещения атомов Fe Fe–S 2,66 4 Fe–P 2,63 5 Fe–Cl 2,70 6 Îксиды FeO и α-Fe2Î3 Fe–O 1,95 7 Fe–O 2,15 ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1021 Fe–O с расстояниями 1,95 Å и 2,15 Å также могут соответствовать этой оксидной фазе. 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Для анализа влияния активных химических элементов технологи- ческой среды (С, P, S и Cl) на электронную структуру и характер межатомных связей фрикционно-упрочнённого металла моделиро- вались три приграничные области зёрен, где атомы фосфора, серы или хлора занимают позиции замещения ÎЦÊ-железа, а атомы уг- лерода находятся в октапорах ÎЦÊ-железа. Для расчётов была вы- брана ÎЦÊ-решётка железа, так как количество аустенита в фрик- ционно-упрочнённом металле не превышало 14% (табл. 1). С помощью программного комплекса «WIEN2k» были проведены зонные расчёты в LAPW-приближении [17] с использованием пол- ного потенциала и градиентной аппроксимации электронной плот- ности (GGA) в форме [18]. Постоянные ячейки тетрагональной симметрии Р4/mmm и коор- динаты неэквивалентных атомов в долях соответствующих рёбер ячейки для этого случая принимают следующие значения: a = b = = 2,866 Å и c = 14,330 Å; С (0,50, 0,50, 0,20); P, S или Cl (0,50, 0,50, 0,50); Fe1 (0,00, 0,00, 0,00); Fe2 (0,00, 0,00, 0,20); Fe3 (0,00, 0,00, 0,40); Fe4 (0,50, 0,50, 0,08); Fe5 (0,50, 0,50, 0,32). На рисунке 4 представлены карты изолиний пространственного распределения электронной плотности для этих приграничных об- ластей. Êарты изолиний строились на плоскости (110), которая бы- ла расположена перпендикулярно границам и проходила через находящиеся в позициях замещения ÎЦÊ-железа атомы фосфора, серы или хлора, а также находящиеся в октапорах атомы углерода. Так как пространственное распределение электронной плотности несущественно зависело от направления спина, в целях экономии объёма статьи на рис. 4 приведены карты пространственного рас- пределения плотности электронов с направленным вверх спином. Èз рисунка 4 видно, что находящиеся в октапорах ÎЦÊ-железа атомы углерода образуют сильные ковалентные связи с атомами железа. Плотность электронного заряда, локализованного между этими атомами, меняется в диапазоне от 0,085 е−/Å3 до 0,235 е−/Å3, в то время как, плотность электронного заряда, локализованного между атомами железа, меняется в диапазоне от 0,060 е−/Å3 до 0,070 е−/Å3. Ìинимальное значение электронной плотности наблюдается в местах скопления атомов фосфора, серы и хлора. Èз рисунка 4 вид- но, что плотность электронного заряда, локализованного между атомами примеси и железа, меняется в диапазоне от 0,055 е−/Å3 до 0,060 е−/Å3 для атомов фосфора; от 0,050 е−/Å3 до 0,055 е−/Å3 для атомов серы и от 0,045 е−/Å3 до 0,050 е−/Å3 для атомов хлора. 1022 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ Èз сказанного выше следует, что насыщение приграничных об- ластей зёрен атомами углерода, которые находятся в октапорах ÎЦÊ-железа, приводит к образованию прочных ковалентных свя- зей между атомами углерода и окружающими их атомами железа. Это снижает подвижность атомов в приграничных областях зёрен, препятствуя самоорганизации структуры и релаксации, возника- ющих при пластической деформации микронапряжений, что должно способствовать снижению его пластичности, локальному накоплению дефектов и зарождению микротрещин, их сращива- нию и появлению одной или нескольких макротрещин. Это должно снижать усталостную трещиностойкость материала, что наблюда- лось на эксперименте. Самые слабые межатомные связи в объёме металла образуются в местах скопления в приграничных областях зёрен, проникающих из рабочей среды атомов фосфора, серы и хлора. Поэтому эти участ- ки являются наиболее предрасположенными к локальной пласти- ческой деформации металла. Причём наименьшее сопротивление сдвигу атомов оказывают места скопления атомов хлора, а наибольшее — места скопления атомов фосфора. По-видимому, в тех случаях, когда атомами P, S и Cl в приграничных областях зё- рен находятся в позициях замещения атомов железа и не образуют каких-либо химических соединений с атомами исходного металла, Начало рисунка 4 (см. далее). ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1023 они благотворно влияют на трещиностойкость материала. Îсобенно сильно этот эффект должен наблюдаться для атомов хлора, что под- тверждается экспериментально. Àвтор работы выражает большую благодарность за помощь в проведении экспериментов Î. Д. Смияну, È. В. Ãурею и À. È. Êова- Продолжение рисунка 4. Рис. 4. Êарты изолиний пространственного распределения плотности электронов с направленным вверх спином для границ зёрен, образованных атомами P, S и Cl, которые находятся в позициях замещения ÎЦÊ-железа, и атомами углерода, расположенными в октапорах кристаллической ре- шётки. Èзолинии строились на плоскости (110). Выделенные на рисунке изолинии соответствуют следующим значениям электронной плотности: 1 — 0,060 е−/Å3; 2 — 0,055 е−/Å3; 3 — 0,050 е−/Å3; 4 — 0,045 е−/Å3; 5 — 0,040 е−/Å3; 6 — 0,035 е−/Å3; 7 — 0,030 е−/Å3. В левой части каждой панели изображена сферическая область с увеличенным масштабом. Fig. 4. The maps of isolines of the space distribution of the electron density of the grain boundaries. Atoms of P, S and Cl are in positions of substitution of bcc iron, carbon atoms are in octahedral sites of the crystal lattice. Isolines were constructed on the (110) plane. Contours marked in the figure corre- spond to the following values of the electron density: 1—0.060 е−/Å3; 2— 0.055 е−/Å3; 3—0.050 е−/Å3; 4—0.045 е−/Å3; 5—0.040 е−/Å3; 6—0.035 е−/Å3; 7—0,030 е−/Å3. The left part of each panel shows a spherical area with an en- larged scale. 1024 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ лёву, без которых выполнение этой работы стало бы затруднитель- ным. 5. ВЫВОДЫ Повышение усталостной трещиностойкости деталей машин и меха- низмов при фрикционном упрочении их рабочих поверхностей су- щественно зависит от выбора технологической среды. Ôрикционное упрочнение стали 45 в смазочно-охлаждающих жидкостях, содержащих активные химические элементы, приво- дит к насыщению упрочнённого металла этими элементами. Îни преимущественно находятся в приграничных областях зёрен, не образуют каких-либо химических соединений с атомами исходного металла и существенно меняют электронную структуру и характер химических связей между атомами. Это приводит к влиянию ак- тивных химических элементов технологической среды на трещино- стойкость фрикционно-упрочнённого материала. Поэтому при под- боре технологической среды нужно учитывать не только её влияние на фазовый состав, напряжённое состояние и структурные пара- метры материала, но и возможное изменение химического состава фрикционно-упрочнённого материала. Насыщение приграничных областей зёрен фрикционно-упроч- нённого металла атомами углерода приводит к образованию проч- ных ковалентных связей между ними и окружающими их атомами железа. Это снижает подвижность атомов в приграничных областях зёрен, препятствуя самоорганизации структуры и релаксации, воз- никающих при пластической деформации микронапряжений, что должно способствовать локальному накоплению дефектов и зарож- дению микротрещин, их сращиванию и появлению одной или не- скольких макротрещин. Поэтому насыщение фрикционно-упроч- нённого металла атомами углерода снижает усталостную трещино- стойкость материала. Самые слабые межатомные связи в объёме фрикционно-упроч- нённого металла образуются в местах скопления в приграничных областях зёрен проникающих из рабочей среды атомов фосфора, серы и хлора. Эти участки являются наиболее предрасположенны- ми к локальной пластической деформации металла. Наименьшее сопротивление сдвигу атомов оказывают места скопления атомов хлора, а наибольшее — места скопления атомов фосфора. По- видимому, в тех случаях, когда насыщение приграничных областей зёрен этими элементами не сопровождается образованием каких- либо химических соединений с атомами исходного металла, они должны благотворно влиять на трещиностойкость материала. Îсо- бенно сильно этот эффект должен наблюдаться для атомов хлора. ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1025 ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. В. Ì. Смелянский, Ìеõаника упрочнения деталеé поверõностным пластическим деформированием (Ìосква: Ìашиностроение: 2002). 2. І. В. Ãурей, Вісник Тернопільського державного теõнічного університету, 4, № 4: 11 (1999). 3. І. В. Ãурей, Вісник Тернопільського державного теõнічного університету, 3, № 4: 124 (1998). 4. І. В. Ãурей, Вісник Тернопільського державного теõнічного університету, 4, № 3: 91 (1999). 5. І. В. Ãурей, Т. À. Ãурей, В. В. Тихонович, Физ.-õим. меõаника материалов, 35, № 1: 122 (1999). 6. È. В. Ãурей, Ì. È. Пашечко, Трение и износ, 21, № 2: 192 (2000). 7. Ì. І. Пашечко, І. В. Ãурей, Ìеталознавство та обробка металів, № 4: 19 (1999). 8. І. В. Ãурей, Ìаøинознавство, № 11/12: 30 (1998). 9. Ю. È. Бабей, Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна (Êиев: Наукова думка: 1988). 10. С. Я. Ярема, Физ.-õим. меõаника материалов, 17, № 4: 100 (1981). 11. С. Я. Ярема, Рост усталостныõ трещин: методические аспекты исследованиé. Ìетоды и средства оценки трещиностоéкости конструкционныõ материалов (Êиев: Наукова думка: 1980), с. 177. 12. С. С. Ãорелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. À. Скаков, Рентгенографическиé и электронно-оптическиé анализ (Ìосква: Ìеталлургия: 1970). 13. Н. È. Êомяк, Ю. Ã. Ìясников, Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжениé (Ленинград: Наука: 1972). 14. В. В. Немошкаленко, В. В. Ãорский, В. В. Тихонович и др., Ìеталлофизика, 6, № 6: 93 (1984). 15. À. È. Êовалев, Ã. В. Щербединский, Современные методы исследования поверõности металлов и сплавов (Ìосква: Ìеталлургия: 1989). 16. À. È. Êовалев, В. П. Ìишина, Ã. В. Щербединский, Ìеталлофизика, 9, № 3: 112 (1987). 17. D. Singh, Plane Waves, Psevdopotentials and LAPW Method (Dordrecht: Kluwer Academic: 1994). 18. J. P. Perdew, S. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Let., 77: 3865 (1996). 19. P. Blaha, K. Schwarz, G. K. Madsen, D. Kvasnicka, and J. Luits, WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculation Crystal Properties (Wien: Techn. Universität Wien: ISBN 3-9501031-1-2: 2001). 20. Л. Р. Ботвина, Кинетика разруøения конструкционныõ материалов (Ìосква: Ìашиностроение: 1989). 21. В. В. Тихонович, Ìеталлофиз. новеéøие теõнол., 37, № 6: 817 (2015). 22. В. В. Тихонович, В. Н. Уваров, Успеõи физ. мет., 12, № 2: 209 (2011). 23. В. В. Тихонович, Ìеталлофиз. новеéøие теõнол., 33, № 12: 1671 (2011). 24. В. В. Ãорский, À. Н. Ãрипачевский, В. В. Тихонович, В. Н. Уваров, Успеõи физ. мет., 4, № 4: 271 (2003). 25. В. В. Тихонович, Ìеталлофиз. новеéøие теõнол., 38, № 6: 763 (2016). 26. Д. Бриггс, Ì. П. Сих, Анализ поверõности методами оже- и рентгенов- скоé фотоэлектронноé спектроскопии (Ìосква: Ìир: 1987) (пер. с англ.). 1026 В. В. ТÈХÎНÎВÈЧ 27. В. È. Àрхаров, Окисление железа (Ìосква: Ìеталлургиздат: 1945). 28. R. L. Blake, R. E. Nessevick, T. Zoltai, and L. W. Finger, American Mineralogist, 51: 123 (1966). REFERENCES 1. V. M. Smelyanskiy, Mekhanika Uprochneniya Detaley Poverkhnostnym Plasticheskim Deformirovaniem (Moscow: Mashinostroenie: 2002) (in Russian). 2. I. V. Gurey, Visnyk Ternopil’s’kogo Derzhavnogo Tekhnichnogo Universytetu, 4, No. 4: 11 (1999) (in Ukrainian). 3. I. V. Gurey, Visnyk Ternopil’s’kogo Derzhavnogo Tekhnichnogo Universytetu, 3, No. 4: 124 (1998) (in Ukrainian). 4. I. V. Gurey, Visnyk Ternopil’s’kogo Derzhavnogo Tekhnichnogo Universytetu, 4, No. 3: 91 (1999) (in Ukrainian). 5. I. V. Gurey, T. A. Gurey, and V. V. Tykhonovych, Fiziko-Khimicheskaya Mekhanika Materialov, 35, No. 1: 122 (1999) (in Russian). 6. I. V. Gurey, and M. I. Pashenko, Trenie i Iznos, 21, No. 2: 192 (2000) (in Russian). 7. M. I. Pashenko and I. V. Gurey, Metaloznavstvo ta Obrobka Metaliv, No. 4: 19 (1999) (in Ukrainian). 8. I. V. Gurey, Mashynoznavstvo, Nos. 11/12: 30 (1998) (in Ukrainian). 9. Yu. I. Babey, Fizicheskie Osnovy Impul’snogo Uprochneniya Stali i Chuguna (Kiev: Naukova Dumka: 1988) (in Russian). 10. S. Ya. Yarema, Fiziko-Khimicheskaya Mekhanika Materialov, 17, No. 4: 100 (1981) (in Russian). 11. S. Ya. Yarema, Rost Ustalostnykh Treshchin: Metodicheskie Aspekty Issledovaniy. Metody i Sredstva Otsenki Treshchinostoykosti Konstruktsionnykh Materialov (Kiev: Naukova Dumka: 1980), p. 177 (in Russian). 12. S. S. Gorelik, L. N. Rastorguev, and Yu. A. Skakov, Rentgenograficheskiy i Elektronno-Opticheskiy Analiz (Moscow: Metalurgiya: 1970) (in Russian). 13. N. I. Komyak and Yu. G. Myasnikov, Rentgenovskie Metody i Apparatura dlya Opredeleniya Napryazheniy (Leningrad: Nauka: 1972) (in Russian). 14. V. V. Nemoshkalenko, V. V. Gorskiy, V. V. Tikhonovich et al., Metallofizika, 6, No. 6: 93 (1984) (in Russian). 15. A. I. Kovalyov and G. V. Shcherbedinskiy, Sovremennye Metody Issledovaniya Poverkhnosti Metallov i Splavov (Moscow: Metalurgiya: 1989) (in Russian). 16. A. I. Kovalyov, V. P. Mishina, and G. V. Shcherbedinskiy, Metallofizika, 9, No. 3: 112 (1987) (in Russian). 17. D. Singh, Plane Waves, Psevdopotentials and LAPW Method (Dordrecht: Kluwer Academic: 1994). 18. J. P. Perdew, S. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Let., 77: 3865 (1996). 19. P. Blaha, K. Schwarz, G. K. Madsen, D. Kvasnicka, and J. Luits, WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculation Crystal Properties (Wien: Techn. Universität Wien: ISBN 3-9501031-1-2: 2001). 20. L. R. Botvina, Kinetika Razrusheniya Konstruktsionnykh Materialov (Moscow: Mashinostroenie: 1989) (in Russian). https://doi.org/10.1007/978-1-4757-2312-0 https://doi.org/10.1007/978-1-4757-2312-0 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 ВЛÈЯНÈЕ СÎЖ С ÀÊТÈВНЫÌÈ ЭЛЕÌЕНТÀÌÈ НÀ ПÎВЫШЕНÈЕ ДÎЛÃÎВЕЧНÎСТÈ 1027 21. V. V. Tykhonovych, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 37, No. 6: 817 (2015) (in Russian). 22. V. V. Tykhonovych and V. M. Uvarov, Uspehi Fiziki Metallov, 12, No.2: 209 (2011) (in Russian). 23. V. V. Tykhonovych, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 33, No. 12: 1671 (2011) (in Russian). 24. V. V. Gors’kiy, O. M. Grypachevs’ky, V. V. Tykhonovych, and V. M. Uvarov, Uspehi Fiziki Metallov, 4, No. 4: 271 (2003) (in Russian). 25. V. V. Tykhonovych, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 38, No. 6: 763 (2016) (in Russian). 26. D. Briggs and M. P. Sikh, Analiz Poverkhnosti Metodami Auger- i Rentgenovskoy Fotoelektronnoy Spektroskopii (Moscow: Mir: 1987) (Russian translation). 27. V. I. Arkharov, Okislenie Zheleza (Moscow: Metallurgizdat: 1945) (in Russian). 28. R. L. Blake, R. E. Nessevick, T. Zoltai, and L. W. Finger, American Mineralogist, 51: 123 (1966). https://doi.org/10.15407/mfint.37.06.0817 https://doi.org/10.15407/ufm.12.02.209 https://doi.org/10.15407/ufm.12.02.209 https://doi.org/10.15407/ufm.04.04.271 https://doi.org/10.15407/mfint.38.06.0763

Репозитарії

Схожі ресурси