Состояние поверхности и ее роль при трении

Введение

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – это вид упрочняющей обработки, при котором не образуется стружка, а происходит пластическое деформирование тонкого поверхностного слоя заготовки, распространённый и эффективный способ повышения несущей способности металлических деталей машин. Применение ППД позволяет эффективно влиять на повышение долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, трения и воздействия коррозионных сред и имеющих концентраторы напряжений, места посадок с гарантированным натягом.
В последние годы возрос интерес к свойствам тонких приповерхностных слоев твердых тел применительно к разным условиям деформирования и их роли в условиях промышленной эксплуатации изделий из конструкционных материалов.
В работе представлены результаты исследований свойств поверхностных слоев металлических материалов в условиях объемного деформирования, а также связи характеристик механических свойств металлов и сплавов и структурных изменений при деформации, финишных технологических обработках и контактном взаимодействии.


Особенности состояния поверхности.
Поверхность – это граница раздела двух твердых тел или твердого тела и окружающей среды. Приповерхностные слои имеют существенные отличия по составу, структуре, физико-химическим и физико-механическим свойствам от объема материала, но являются неотъемлемой частью твердого тела и во многих случаях влияют на эксплуатационные характеристики материалов и изделий из них в условиях силового воздействия.
Этим обстоятельством объясняется растущий интерес к поверхности твердого тела. Исследование свойств поверхностных микрообъемов, а также процессов, протекающих на свободной поверхности, становится в центре внимания специалистов, занимающихся развитием фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии и механики.
Интенсификация развития этих исследований связана, во-первых, со значительным увеличением количества прикладных задач, решение которых непосредственно зависит от уровня накопленных знаний о состоянии поверхности (например, новые методы обработки материалов и изделий, совершенствование технологии роста кристаллов, создание коррозионностойких и высокопрочных материалов и покрытий). Во-вторых, ускорение развития многочисленных металлофизических методов исследования дало реальную возможность проводить исследования поверхностных микрообъемов твердых тел в контролируемых условиях и на качественно новом уровне. Поэтому, в литературе заметен рост числа публикаций, посвященных исследованию состояния поверхности и приповерхностных слоев, который указывает, что для материала поверхностных микрообъемов характерно не только многообразие специфических явлений (поверхностные электронные состояния, двумерная кристаллография, структурно-фазовые превращения), но и значимое влияние состояния поверхности на процессы в объеме твердого тела.
Экспериментальные и теоретические работы позволяют выделить несколько основных характерных особенностей структурного состояния приповерхностных слоев металлов и сплавов:
‒ повышенная концентрация легко действующих гомогенных источников (типа источника Фишера), а также гетерогенных источников образования дислокаций вблизи поверхности деформируемого твердого тела;
‒ действие сил зеркального отображения, которые существенно влияют на характер перераспределения дислокационной структуры в тонких слоях субмикроскопического масштаба. При одинаковом уровне внешних напряжений по поперечному сечению твердого тела в радиусе действия дислокационных сил эффективное напряжение сдвига слоев значительно отличается от его значений в объеме. В связи с этим поверхностные источники генерируют значительно большее число дислокационных петель и на большее расстояние от них по сравнению с объемными источниками, имеющими аналогичные конфигурацию и геометрию. Поскольку скорость движения дислокаций является функцией эффективного напряжения сдвига, то в приповерхностных микрообъемах кристалла скорость движения дислокаций может существенно превышать скорость их движения в объеме материала;
‒ отличия атомно-электронной структуры поверхностных слоев

. Они могут проявляться во влиянии поверхностного пространственного заряда и дебаевского радиуса экранирования на величину и форму барьеров Пайерлса, а также в различии координационных чисел, параметров решетки, характера и типа межатомных связей и, как следствие этого, в различии динамических характеристик кристаллической решетки вблизи поверхности и в объеме кристалла. Различие атомно-электронной структуры и динамики кристаллической решетки в поверхностных и внутренних объемных слоях кристалла приводят к различию в проявлении основных механизмов диссипации энергии на дислокациях, движущихся в объеме кристалла и у его поверхности. Отмеченные особенности состояния приповерхностных слоев приводят к аномальным условиям пластического течения.
В общем случае протекание процесса микропластической деформации в приповерхностных слоях можно разделить на две основные стадии. На начальной стадии аномальное поведение выражается в облегченном образовании и движении дислокаций в приповерхностных слоях кристаллических материалов по сравнению с его внутренними слоями. Следствием стадии аномального пластического течения является барьерный эффект поверхности, т.е. стадии деформационного упрочнения на кривой напряжение – деформация у поверхности практически сдвинуты по фазе. Они опережают по времени аналогичные стадии объемной деформации и протекают у поверхности быстрее, чем в объеме материала. В результате вблизи поверхности образуется слой с повышенной плотностью дислокаций, так называемый «debris-слой», который тормозит развитие объемной деформации. Особая роль приповерхностных слоев имеет место в формировании прочностных свойств металлических материалов. Микропластическая деформация поверхностных микрообъемов предшествует макропластической, при этом в самых тонких приповерхностных слоях реализуются аномально облегченные энергетические условия деформации. Кроме того, что с образованием в процессе пластической деформации более прочного поверхностного слоя связывают существование физического предела текучести, эффекта появления зуба текучести (эффекта Хаазера-Келли).
Влияние поверхности находит выражение как при хрупком объемном разрушении (прочность прямо пропорциональна поверхностной энергии), так и при вязком (понижение поверхностной энергии приводит к уменьшению величины критического напряжения, инициирующего разрушение). Согласно, величина прочности твердого тела на разрыв 𝜎∗связана с абсолютной температурой Т, долговечностью τ, относительным удлинением, при котором межатомная связь теряет устойчивость и разрушается ε∗, коэффициентом локальной перегрузки в месте разрыва ᴂ, величинами модуля Юнга Е и коэффициентом линейного термического расширения α соотношением
𝜎∗ = 𝐸ε∗ æ (1 − 𝛼𝑙𝑛𝜏/𝜏𝑜 3ε∗ 𝑇).
Структура этого соотношения показывает, что наличие концентратора механических напряжений ᴂ не является единственной причиной низкой реальной прочности; прочность твердого тела зависит также от 𝛽 = 𝛼𝑇 3𝜀∗ · 𝑙𝑛 𝜏 𝜏𝑜 – термофлукционного фактора, т.е. в снижение реальной прочности вносит вклад эффект нелинейности сил межатомного взаимодействия, ангармонизм тепловых колебаний. В этой связи учет величины локального (поверхностного) коэффициента термического расширения, величина которого значительно больше его среднего значения в объеме тела, а также в зонах разрушения (устье трещины, межзеренных границах), приобретают принципиально важное значение для решения проблем прочности и разрушения материалов и изделий из них.
В основе закономерностей изменения состояния поликристаллического металла лежат представления о пластическидеструкционном характере деформации. Под деструкцией понимается появление и развитие при объемном пластическом деформировании первых микротрещин. Если иметь в виду деформирование одноосным статическим растяжением, то решающим с точки зрения начала развития деструкционных процессов является соотношение истинных напряжений и необратимых деформаций, возникающих в образце