Физические закономерности изменения дислокационной структуры поверхностного слоя металлов при их контактном взаимодействии

3 Физические закономерности изменения дислокационной структуры поверхностного слоя металлов при их контактном взаимодействии

Контактирование твердых тел при трении сопровождается протеканием физических и физико-химических процессов, взаимосвязанных с напряженно-деформированным состоянием поверхностных слоев [24]. В связи с этим фрикционные свойства материала в сильной степени зависят от структуры поверхностных слоев, развивающейся в результате деформации при трении. Контактное взаимодействие поверхностей твердых тел при трении модельно рассматривается как контактирование круглого цилиндрического индентора с поверхностью контртела. В этом случае упруго напряженное состояние поверхности трения обычно связывают с деформированием упругого полупространства при этом контактировании.

Решение поставленной задачи проводилось на основе соответствующей модели контактирования стального цилиндра с поверхностью полированных до одинакового класса шероховатости (12 кл.) пластин никеля, железа, пермаллоя. Анализировалась тонкая структура пластически деформированного поверхностного слоя и релаксация скрытой энергии деформации в данных материалах.

3.1 Исследование дислокационной структуры поверхностного слоя никеля при контактном взаимодействии поверхностей никель-сталь при температурах 300, 78 и 4,2 К

Впервые в работе [25] была выдвинута гипотеза, что взаимодействие поверхностей при внешнем трении базируется на характере дислокационной структуры поверхностного слоя твердых тел. В [33] было высказано положение о более интенсивном течении процессов упрочнения поверхностных слоев при трении по сравнению с обычными способами деформации.

     Для исследования дислокационной структуры тонких поверхностных слоев использовался ферромагнитный резонанс, применение которого для этих целей в настоящее время общепринято (см. 2, 2.1.1). Комплексное исследование тонкой структуры предусматривало, наряду с ФМР, применение трансмиссионной электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Результаты измерения ширины линии ФМР после пластического деформирования при 300 К поли-кристаллического никеля различной чистоты приведены на рисунке 3.1 [57]. Данные, полученные для электролитического никеля, незначительно отличаются от данных для никеля электронно-лучевой плавки, что может быть отнесено за счет влияния примесей. С увеличением степени пластической деформации ширина линии ФМР увеличивается, достигая максимального значения при 76% деформации (ε) для никеля электронно-лучевой плавки (при ε = 67% для электролитического никеля), а затем спадает. Максимальное уширение ∆Н в обоих случаях составляет ~ 108  , что согласно оценочным зависимостям [52, 55, 79] соответствует достижению плотности дислокаций . Результаты этих исследований согласуются с данными работ [80, 81].

    

Рисунок 3.1 – Зависимость ширины линии ФМР (∆Н) от степени деформации (ε)

Известно, что холодная пластическая деформация происходит посредством скольжения отдельных частей кристаллов относительно друг друга по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям, которые образуют системы скольжения. Как известно, это скольжение осуществляется за счет движения дислокаций, существующих в кристалле, а также новых дислокаций, образующихся при пластической деформации. Увеличение локальной плотности дислокаций в сетке или средней их плотности приводит к увеличению внутренних напряжений в кристалле, что, в свою очередь, вызывает увеличение ∆Н [57].

     Дополнительные сведения о наблюдаемой зависимости ∆Н = f(ε) были получены на поликристаллическом и монокристальном никеле электроннолучевой плавки, прокатанном в широком интервале значений величин деформации, как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота (78 К) и гелия (4,2 К) [52, 79].

Соответствующие зависимости приведены на рисунках 3.2, 3.3. Вид кривых, наблюдаемых в [57], существенно не меняется при снижении температуры прокатки, однако ширина линии значительно увеличивается. Так после 40% деформации при 300, 77 и 4,2 К, ∆Н составляет соответственно 127, 142, 158  (рисунок 3.2). Это связано с изменением в характере процесса пластической деформации с понижением температуры [82 – 84].

Рисунок 3.2 - Зависимость ширины линии ФМР от степени деформации поликристаллического никеля

Рисунок 3.3 - Зависимость ширины линии ФМР от степени деформации монокристаллического никеля