Трибология. Создание основ материаловедческого подхода, изучения процессов трения и изнашивания

Введение

Одной из важнейших задач по реализации эффективности производства является повышения качества, надежности и долговечности машин и механизмов, снижение их материалоемкости и энергоемкости. Решение этой задачи неразрывно связано с развитием фундаментальных и прикладных исследований в области трения и изнашивания, поскольку процессы трения и изнашивания в подвижных сопряжениях являются главными причинами материальных и энергетических потерь. Основным направлением этих исследований является повышение износостойкости конструкционных материалов, осуществление которой тесно связано с решением одной из важных проблем современного материаловедения – разрушением поверхностных слоев при функционном взаимодействии поверхностей. Эта проблема может быть решена на основе изучения закономерностей изменения дислокационной структуры поверхностного слоя, ввиду того, что разрушение в общем случае и изнашивание в частном – является структурно-чувствительными процессами.

Большой вклад в создание основ материаловедческого подхода, изучения процессов трения и изнашивания внесли: А. Ф. Аксенов, В. А. Белый, Н. А. Буше, Б. И. Костецкий, В. Д. Кузнецов, И. В. Крагельский, П. В. Назаренко, Г. А. Прейс, П. А. Ребиндер, А. И. Свириденок, М. М. Хрущев, Д. Балки, К. Лудем, Г. Фляйшер и др. Фундаментальные исследования в этой области, наряду с работами по изучению физических процессов разрушения и микропластичности вблизи поверхности, выполнили: В. П. Алехиным, В. И. Владимировым, В. А. Лихачевым, А. Н. Орловым, В. В. Рыбиным, А. В. Степановым, М. Х. Шошоровым, А. С. Аргоном, Д. Галлом, А. Н. Стро, и другими, а также отдельными работами И. И. Гарбара, Е. А. Марченко, Л. М. Рыбаковой, В. Вуттке, Н. П. Су, А. Шилинга и др. по исследованию структуры при трении, создали предпосылки дальнейшего изучения закономерностей деформационного упрочнения и изнашивания твердых тел при трении. В связи с этим возрос интерес к изучению дислокационной структуры при граничном трении, с точки, зрения которой возможна микроскопическая трактовка процессов разрушения и их взаимосвязь с кинетикой упрочнения поверхностных слоев. Несмотря на достигнутые успехи в области триботехники, к настоящему времени не разработаны четкие и обоснованные представления о физических процессах, протекающих вблизи поверхности. На данном этапе познания этих процессов отсутствуют научно обоснованные критерии упрочнения и разрушения поверхностного слоя в условиях фрикционного нагружения.

Одной из главных причин трудности решения проблемы изнашивания материала фрикционного контакта является отсутствие обобщающих систематических исследований микромеханизмов упрочнения и разрушения поверхностных объектов при трении. Полученные к настоящему времени результаты исследований пластической деформации при этом виде нагружения часто носят дискуссионный характер, а порой и противоречивы. Согласно [1] современные состояния проблемы изнашивания характеризуется как переходный период между накоплением опытных данных и их интерпретацией в категориях механики, физики, химии и выработкой обобщающих критериев фрикционного взаимодействия.

Для решения проблемы изнашивания наиболее актуальными являются задачи, связанные с выяснением структурных аспектов разрушения поверхностного слоя. В этом плане первостепенное значение приобретают последовательные исследования кинетики дислокационной структуры в этих слоях. Высокую информативность при этом несут комплексные исследования, включающие прямое сопоставление наблюдаемых кинетических закономерностей прочностных характеристик металла с соответствующими им изменениями дислокационной структуры.

Проблематичным в настоящее время является вопрос кинетики изнашивания и её взаимосвязи с процессами пластической деформации поверхностного слоя. Установление закономерности взаимовлияния этих процессов может определить пути управления износостойкостью материалов. Ввиду того, что кинетические зависимости деформационного упрочнения и изнашивания поверхностных слоев определяются условиями и режимами нагружения, по интенсивности протекания этих процессов представляется возможным разработать структурные методы оценки условий трения, оптимизации смазочных составов и материалов фрикционных пар.

Решение проблемы разрушения материала фрикционного контакта сдерживается отсутствием информации об основных процессах образования микротрещин и других нарушений сплошности. В связи с этим, большое значение имеют прямые экспериментальные исследования микроструктуры на различных этапах фрикционного нагружения и её анализ в соответствии с кинетическими закономерностями прочностных и фрикционных характеристик. Значительным дополнением в изучении физических аспектов проблемы изнашивания является исследования зависимости кинетики этих характеристик от изменений в смазочной среде.

Наряду с экспериментальным изучением эволюции дислокационной структуры и тщательным анализом дислокационных конфигураций в поверхностном слое большое значение в решении проблемы разрушения имеют теоретические исследования распределения упругих напряжений дислокационных скоплений в активной полосе скольжения, базирующиеся на экспериментально наблюдаемых электронномикроскопических данных микроструктуры при трении.