Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов
Исследовано влияние ε-мартенсита на трибологические свойства хромомарганцевых аустенитных сплавов. Показано, что ε-фаза в хромомарганцевых метастабильных сплавах характеризуется большей способностью к упрочнению в условиях трения и абразивной износостойкостью, чем ε-фаза в железомарганцевом сплаве т...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69418 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, С.Б. Эфрос, Л.Г. Коршунов, Б.М. Эфрос // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 88-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-69418 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-694182014-10-13T03:01:36Z Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Эфрос, С.Б. Коршунов, Л.Г. Эфрос, Б.М. Исследовано влияние ε-мартенсита на трибологические свойства хромомарганцевых аустенитных сплавов. Показано, что ε-фаза в хромомарганцевых метастабильных сплавах характеризуется большей способностью к упрочнению в условиях трения и абразивной износостойкостью, чем ε-фаза в железомарганцевом сплаве типа Г20. Досліджено вплив ГПУ ε-мартенситу на трибологічні властивості хромомарганцевих аустенітних сплавів. Показано, що ε-фаза в хромомарганцевих метастабільних сплавах характеризується більшою здатністю до зміцнення в умовах тертя та абразивною зносостійкістю, ніж ε-фаза в залізомарганцевому сплаві типу Г20. The influence of ε-martensite on tribological properties of chromium-manganese austenitic alloys has been studied. It is shown that in the chromium-manganese metastable alloys the ε-phase is characterized by a better ability to hardening under friction and abrasive wear resistance as compared to ε-phase in the iron-manganese alloy of the Г20 type. 2011 Article Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, С.Б. Эфрос, Л.Г. Коршунов, Б.М. Эфрос // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 88-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Pq, 64.60.My http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69418 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследовано влияние ε-мартенсита на трибологические свойства хромомарганцевых аустенитных сплавов. Показано, что ε-фаза в хромомарганцевых метастабильных сплавах характеризуется большей способностью к упрочнению в условиях трения и абразивной износостойкостью, чем ε-фаза в железомарганцевом сплаве типа Г20. |
| format |
Article |
| author |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Эфрос, С.Б. Коршунов, Л.Г. Эфрос, Б.М. |
| spellingShingle |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Эфрос, С.Б. Коршунов, Л.Г. Эфрос, Б.М. Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Эфрос, С.Б. Коршунов, Л.Г. Эфрос, Б.М. |
| author_sort |
Эфрос, Н.Б. |
| title |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| title_short |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| title_full |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| title_fullStr |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| title_full_unstemmed |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| title_sort |
трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69418 |
| citation_txt |
Трибологические свойства нанокристаллических хромомарганцевых сплавов / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, С.Б. Эфрос, Л.Г. Коршунов, Б.М. Эфрос // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 88-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT éfrosnb tribologičeskiesvojstvananokristalličeskihhromomargancevyhsplavov AT loladzelv tribologičeskiesvojstvananokristalličeskihhromomargancevyhsplavov AT éfrossb tribologičeskiesvojstvananokristalličeskihhromomargancevyhsplavov AT koršunovlg tribologičeskiesvojstvananokristalličeskihhromomargancevyhsplavov AT éfrosbm tribologičeskiesvojstvananokristalličeskihhromomargancevyhsplavov |
| first_indexed |
2025-07-05T19:00:03Z |
| last_indexed |
2025-07-05T19:00:03Z |
| _version_ |
1836834623065161728 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
© Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, С.Б. Эфрос, Л.Г. Коршунов, Б.М. Эфрос, 2011
PACS: 81.40.Pq, 64.60.My
Н.Б. Эфрос1, Л.В. Лоладзе1, С.Б. Эфрос2, Л.Г. Коршунов2, Б.М. Эфрос1
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ СПЛАВОВ
1Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
2Институт физики металлов УрО РАН
ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620041, Россия
Исследовано влияние ε-мартенсита на трибологические свойства хромомарганце-
вых аустенитных сплавов. Показано, что ε-фаза в хромомарганцевых метаста-
бильных сплавах характеризуется большей способностью к упрочнению в условиях
трения и абразивной износостойкостью, чем ε-фаза в железомарганцевом сплаве
типа Г20.
Ключевые слова: хромомарганцевые аустенитные сплавы, поверхностный слой с
нанокристаллической структурой, интенсивность адгезионного изнашивания,
абразивная износостойкость
Известно, что фрикционное воздействие может приводить к образованию
нанокристаллических структур (НКС) в поверхностном слое различных ме-
таллических материалов [1]. Формирование НКС обусловлено интенсивной
пластической деформацией материала, которая осуществляется по ротаци-
онному механизму.
Ранее было показано, что как присутствие ε-мартенсита в структуре же-
лезомарганцевых сплавов, так и их легирование азотом являются причиной
значительного снижения коэффициента трения и интенсивности адгезион-
ного изнашивания данных сплавов [1,2]. Поскольку ε-мартенсит (как и ато-
мы азота) присутствует и в хромомарганцевых метастабильных, и стабиль-
ных аустенитных сплавах, представляет определенный научный и практиче-
ский интерес вопрос влияния данных факторов на трибологические свойства
технически важных материалов.
Материалы и методика исследования
Химический состав исследуемых сплавов приведен в табл. 1. Параллельно
с хромомарганцевыми аустенитными сплавами испытывали железомарганце-
вый сплав Г20, содержащий в структуре кроме аустенита ∼ 45% ε-мартенсита,
и нержавеющий сплав 12Х18Н9, метастабильный к γ → α-мартенситному
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
89
Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов
Содержание элементов, mass%
Сплав
C Mn Cr Si Ni Ti
03Г16Х11Н 0.02 16.2 11.5 0.3 0.7 0.06
20Г20Х7Т 0.20 20.4 7.4 0.3 – 0.40
30Г17Х10Т1 0.30 17.2 9.7 0.3 – 1.40
40Г20Х11Т2 0.40 19.6 10.9 0.2 – 1.90
Г20 0.03 20.4 – 0.3 – –
12Х18Н9 0.12 – 17.6 0.3 9.1 0.3
40Х25Н20 0.42 – 25.8 0.3 20.1 –
превращению при пластической деформации, а также нержавеющий аусте-
нитный стабильный сплав 40Х25Н20. Слитки всех сплавов гомогенизирова-
ли при 1100°C в течение 8 h и ковали в прутки сечением 10 × 10 mm с по-
следующей закалкой от 1100°C в воде. Из прутков после термообработки
изготавливали образцы для трибологических и структурных исследований.
Трибологические испытания сплав-стали и сплав-абразива проводили на
лабораторных установках в условиях трения скольжения. Адгезионное из-
нашивание осуществляли по схеме палец–пластина (сталь 45) без смазки
при средней скорости скольжения 0.035 m/s и нагрузке 294 N. В данных ус-
ловиях трения объемная средняя температура в поверхностном слое не пре-
вышала 40°С.
Структуру сплавов исследовали металлографическим, рентгеноструктур-
ным и электронно-микроскопическим методами [3,4].
Результаты исследования и обсуждение
После закалки структура сплава 03Г16Х11Н состояла из аустенита и не-
которого количества (до 15%) ε-мартенсита (рис. 1,а). В аустените присут-
ствуют дефекты упаковки, что связано с низкой энергией дефектов упаков-
ки матрицы сплава. Воздействие трения приводит к формированию в по-
верхностном слое сплава (толщиной ≤ 10 μm) НКС, состоящей в основном
из кристаллитов ε-фазы размером 10–100 nm (рис. 1,б,в). Кроме ε-мар-
тенсита, НКС содержит небольшое количество аустенита. С увеличением
расстояния от поверхности трения до ∼ 10 μm размеры фрагментов НКС
сплава 03Г16Х11Н существенно возрастают (рис. 1,г), что обусловлено
уменьшением интенсивности пластической деформации по глубине актив-
ного слоя образца. На расстоянии 10–20 μm от поверхности трения кри-
сталлиты ε-фазы становятся еще больше и уже имеют вид деформирован-
ных пластин (рис. 1,д).
В табл. 2 приведены результаты испытаний исследованных аустенитных
сплавов на адгезионное и абразивное изнашивание. В условиях сухого тре-
ния скольжения образцов изученных сплавов по стали 45 наиболее интен-
сивное адгезионное изнашивание (Ih = 5·10–6) и максимальный коэффициент
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
90
а б
в г
д
трения (K = 0.42) наблюдаются у стабильного аустенитного сплава 40Х25Н20.
У метастабильного аустенитного сплава 12Х18Н9 сопротивление адгезион-
ному изнашиванию в 5 раз выше, чем у сплава 40Х25Н20. Однако по своим
трибологическим параметрам (Ih, K) сплав 12Х18Н9 существенно уступает
хромомарганцевым аустенитным сплавам и сплаву Г20 (табл. 2). Из данных
табл. 2 видно, что хромомарганцевый аустенитный сплав 03Г16Х11Н и
сплав Г20 характеризуются близкими малыми значениями интенсивности
адгезионного изнашивания и коэффициента трения. Рентгеноструктурный
анализ показал, что на поверхности трения данных материалов формируется
ε-мартенсит, который способствует значительно более высоким трибологи-
ческим свойствам, чем у метастабильного аустенитного сплава 12Х18Н9.
Так, например, у сплава 03Г16Х11Н величина K в 1.6 раза, а величина Ih
Рис. 1. Электронные микрофотографии
структуры сплава 03Г16Х11Н после закал-
ки от 1100°С в воду (а) и фрикционного
нагружения при скорости скольжения
0.035 m/s и нагрузке 294 N (б–д): а (×37000),
б (×180000), г (×120000), д (×130000) – свет-
лопольные изображения; б, г, д – на рас-
стоянии от поверхности трения соответст-
венно 2–5, 5–10 и 10–20 μm; в – темно-
польное изображение в рефлексе (участке
кольца Дебая) (101) ε-фазы (×180000)
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
91
почти в 3 раза выше, чем у сплава 12Х18Н9, который имеет более высокий
уровень микротвердости на поверхности трения вследствие образования в
слое толщиной 5 μm до 90% α-мартенсита (табл. 2). Наличие в продуктах
изнашивания сплава 03Г16Х11Н значительного количества α-мартенсита
свидетельствует о протекании в сплаве мартенситного ε → α-превращения,
которое, по-видимому, реализуется на стадии разрушения поверхности и от-
деления частиц износа. Однако интенсивность протекания данного превра-
щения в сплаве 03Г16Х11Н заметно ниже, чем в сплаве Г20.
Таблица 2
Интенсивность адгезионного изнашивания Ih, коэффициент трения K,
микротвердость H, абразивная износостойкость ε и количество
ε- и α-мартенсита в исследованных сплавах
H, MPa Количество мартенсита после
тренияСплав Ih × 107 K ε
закалка трение слой ∼ 5 μm продукты
изнашивания
03Г16Х11Н 3.5 0.25 1.7 2600 6230 90% ε 80% ε + 20% α
20Г20Х7Т 4.0 0.30 1.8 2800 6770 75% ε 70% ε + 20% α
30Г17Х10Т1 4.1 0.27 1.8 3260 6550 90% ε 75% ε + 20% α
40Г20Х11Т2 3.2 0.35 1.8 3700 6770 60% ε + 10% α 40% ε + 40% α
Г20 3.1 0.28 1.5 3300 5500 90% ε > 90% α
12Х18Н9 10.0 0.40 1.9 1600 7100 90% α > 90% α
40Х25Н20 50.0 0.42 1.5 2100 6200 – –
Таким образом, образующийся в сплаве 03Г16Х11Н ε-мартенсит по ха-
рактеру своего влияния на трибологические свойства не отличается от ε-мар-
тенсита в сплаве Г20. Однако следует отметить, что микротвердость ε-мар-
тенсита, образующегося на поверхности трения сплава 03Г16Х11Н, заметно
выше микротвердости ε-мартенсита, образующегося в сплаве Г20 при рас-
сматриваемых условиях нагружения (табл. 2). Этот факт можно объяснить
положительным влиянием хрома на способность ε-мартенсита к деформаци-
онному упрочнению.
Из данных табл. 2 видно, что исследованные хромомарганцевые сплавы
характеризуются примерно одинаковым уровнем абразивной износостойко-
сти (ε = 1.7–1.8), который заметно выше уровня износостойкости сплава Г20
и стабильного аустенитного сплава 40Х25Н20 (ε = 1.5), но несколько ниже,
чем в сплаве 12Х18Н9 (ε = 1.9). Положительным влиянием хрома на прочно-
стные свойства ε-мартенсита можно, по-видимому, объяснить более высо-
кую абразивную износостойкость сплава 03Г16Х11Н по сравнению со спла-
вом Г20 (табл. 2). Однако в общем случае влияние γ → ε-превращения на
абразивную износостойкость метастабильного аустенита относительно не-
велико в сравнении с влиянием данного превращения на параметры адгези-
онного изнашивания исследованных сплавов.
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
92
Выводы
На поверхности трения хромомарганцевых аустенитных сплавов, мета-
стабильных к γ → ε-мартенситному превращению, формируется нанокри-
сталлическая структура ε-мартенсита, кристаллы которого имеют размеры
10–100 nm.
Образующийся в хромомарганцевых аустенитных сплавах ε-мартенсит по
своему воздействию на трибологические свойства подобен ε-мартенситу в
железомарганцевых сплавах. Данная мартенситная фаза обусловливает за-
метно меньший коэффициент трения и большее сопротивление адгезионно-
му изнашиванию по сравнению с хромоникелевыми стабильным аустенит-
ным сплавом 40Х25Н20 и аустенитным сплавом 12Х18Н9, метастабильным
к γ → α-мартенситному превращению при трении.
Кроме того, ε-мартенсит в хромомарганцевых аустенитных сплавах ха-
рактеризуется большими величинами абразивной износостойкости и дефор-
мационного упрочнения при изнашивании, чем ε-мартенсит в железомар-
ганцевых.
1. Л.Г. Коршунов, Б.М. Эфрос, Н.Л. Черненко, Ю.Н. Гойхенберг, ФТВД 11, № 1,
75 (2001).
2. N. Efros, L. Korshunov, B. Efros, N. Chernenko, Nanostructured materials by high
pressure severe plastic deformation, Y. Zhu, V. Varyukhin (eds.), 212, 271 (2006).
3. Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.И. Иванов, Л.Н. Расторгуев, Кристаллография,
рентгенография и электронная микроскопия, Металлургия, Москва (1982).
4. Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, Т.П. Заика, Н.В. Шишкова, В.С. Тютенко, Б.М. Эфрос,
В.Н. Варюхин, ФТВД 17, № 1, 141 (2007).
Н.Б. Ефрос, Л.В. Лоладзе, С.Б. Ефрос, Л.Г. Коршунов, Б.М. Ефрос
ТРИБОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОКРИСТАЛІЧНИХ
ХРОМОМАРГАНЦЕВИХ СПЛАВІВ
Досліджено вплив ГПУ ε-мартенситу на трибологічні властивості хромомарганце-
вих аустенітних сплавів. Показано, що ε-фаза в хромомарганцевих метастабільних
сплавах характеризується більшою здатністю до зміцнення в умовах тертя та абра-
зивною зносостійкістю, ніж ε-фаза в залізомарганцевому сплаві типу Г20.
Ключові слова: хромомарганцеві аустенітні сплави, поверхневий шар з нанокри-
сталічною структурою, інтенсивність адгезійного зношування, абразивна зно-
состійкість
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
93
N.B. Efros, L.V. Loladze, S.B. Efros, L.G. Korshunov, B.M. Efros
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF NANOCRYSTALLINE
CHROMIUM-MANGANESE ALLOYS
The influence of ε-martensite on tribological properties of chromium-manganese austeni-
tic alloys has been studied. It is shown that in the chromium-manganese metastable alloys
the ε-phase is characterized by a better ability to hardening under friction and abrasive
wear resistance as compared to ε-phase in the iron-manganese alloy of the Г20 type.
Keywords: chromium-manganese austenitic alloys, surface layer of nanocrystalline
structure, adhesive-wear intensity, abrasive wear resistance
Fig. 1. Electron microphotographs of the structure of 03Г16Х11Н alloy after water
quenching from 1100°C (a) and friction loading at a sliding velocity of 0.035 m/s and a
load of 294 N (б–д): а (×37000), б (×180000), г (×120000), д (×130000) – light-field
images; б, г, д – at a distance of 2–5, 5–10 and 10–20 μm from friction surface; в – dark-
field image in reflex (section of Debye ring) (101) of ε-phase (×180000)
|