Исследованы структуры поверхностей трения образцов твердого сплава (композита) WC-сталь Гадфильда после их трибологических испытаний в паре со стальным диском. Установлен факт присутствия на поверхности трения композита после скоростей скольжения 10 м/с белого нетравящегося слоя. Методами оптической и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа показано, что "белый слой" имеет сильнодеформированную нанокристаллическую структуру с повышенной твердостью и составом, близким к составу объема композита.

Методами спекл-интерферометрии, электронной. оптической и атомно-силовой микроскопии исследованы структура и закономерности деформирования поверхностных слоев металлов и сплавов при трении. Проанализированы причины локализации деформации. Предлагается объяснение высокой износостойкости стали Гадфильда на основе данных об эволюции структуры поверхностного слоя.

Представлены результаты исследования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда (Г13), образовавшегося в условиях сухого трения скольжения. Изучены особенности деформирования материала под поверхностью трения в зависимости от условий испытания - низкой скорости скольжения и малом давлении, значение которого много меньше предела текучести стали Г13. Методами оптической сканирующей и дифракционной электронной микроскопии исследован фазовый состав и дефектная субструктура на поверхности трения. Показано, что вблизи поверхности трения образуется тонкий, сильно деформированный слой нанокристаллического строения, переходящий в слой с поликристаллической структурой, содержащей двойники деформации и дислокации. Нанокристаллическая структура и присутствие оксидов в поверхностном слое и зоне трения свидетельствуют о высокой температуре и больших пластических деформациях, ответственных за формирование данного слоя. Сделано предположение о том, что деформирование материала, наблюдающееся на большой глубине от поверхности, обусловлен генерированием упругих волн при трении.

Проведен анализ применимости многоуровневого подхода физической мезомеханики к описанию сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. На примере стали Гадфильда показано, что на поверхностях трения возникает многоуровневая клеточная мезосубструктура, согласующаяся со стохастической моделью интерфейсов в мезомеханике структурно-неоднородных сред.

Представлены результаты исследования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда, образовавшегося в условиях сухого трения скольжения. Изучены особенности деформирования поверхностного слоя в зависимости от условий испытания — низкая скорость скольжения и малое давление, когда нормальные напряжения на поверхности трения значительно меньше напряжения текучести стали Г13. Методами оптической, сканирующей и дифракционной электронной микроскопии исследована дефектная субструктура в поверхностном слое. Показано, что высокая твердость поверхностного слоя обусловлена сочетанием разномасштабных дефектов. Области металла внутри зерна, разделенные дефектами мезоскопического уровня — плоскостями сдвига и двойниками, характеризуются высокой плотностью дефектов микроскопического уровня — дислокациями и микродвойниками.

Исследована генерация звука при трении скольжения стали Гадфильда в отсутствие смазки. Одновременно с параметрами звука измеряли коэффициент трения, изучали структуру подповерхностного слоя и морфологию частиц износа. Установлена корреляция между силой звука, спектром звучания трибоузла и коэффициентом трения. Показано, что устранение упругих колебаний в сопряжении приводит к снижению коэффициента трения. Дается интерпретация взаимосвязи динамического поведения пары трения и триботехнических характеристик.

Методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошка карбида вольфрама на низкоуглеродистую сталь сформированы покрытия, структура, твердость и износостойкость которых определяются удельной поверхностной энергией излучения и скоростью охлаждения расплавленного металла. Показано, что наилучшими свойствами обладает структура "включения карбидов - аустенитная матрица", подобная структуре твердого сплава, принцип действия которого основан на балансе между прочностью и пластичностью.

Представлены результаты измерения нанотвердости деформированного поверхностного слоя стали Гадфильда после испытаний на трение. Обнаружено явление восстановления формы поверхности после индентирования, которое сохраняется в течение нескольких дней после испытаний. Высказано предположение о существовании в деформированном материале эффекта, подобного нелинейной упругости.

Исследованы износостойкость, коэффициент трения и структура поверхностей трения субмикрокристаллического композита Y-TZP-Al2O3 после трибологических испытаний в паре со стальным диском при давлении 5 МПа в диапазоне скоростей скольжения от 1 до 20 м/с. Показано, что, начиная с 2 м/с поверхность трения покрывается сеткой трещин, которая разбивает поверхность на блоки. При этом в случае максимального износа при скорости скольжения 5 м/с внутри таких блоков образуются участки выкрашивания. На поверхности трения композита методом рентгеноструктурного анализа зафиксирована инверсия (относительно исходного состояния) интенсивностей пиков тетрагональной фазы со случайной ориентацией кристаллической решетки. Степень подобной инверсии увеличивалась с ростом скорости скольжения. Полученные результаты обсуждены в терминах влияния на износ Y-TZP-Al2O3 процессов переориентации механических двойников тетрагональной фазы без участия мартенситного превращения и образующейся квазижидкой пленки.

Приведены результаты исследования структуры и нанотвердости деформированного поверхностного слоя стали Гадфильда, образовавшегося в условиях сухого трения скольжения. При наноиндентировании обнаружен эффект восстановления формы, деформированной в результате трения боковой поверхности образца, перпендикулярной поверхности трения. Обсуждается природа высокой износостойкости стали Гадфильда.

Приведены результаты триботехнических испытаний твердого сплава WC-сталь Гадфильда при нагрузке 550 Н и скоростях скольжения 0,65-2,8 м/с в паре с контртелом из инструментальной стали, а также исследования микроструктуры поверхностных слоев твердосплавных образцов. Показано, что в зависимости от скорости скольжения в паре трения "палец-диск" происходит изменение фазового состава поверхностных слоев и топографии поверхности трения.

Показано, что при трении композита WC-сталь Гадфильда по стали в диапазоне скоростей скольжения до 37 м/с при давлении 2 МПа происходит изменение структуры приповерхностных областей. При этом при скоростях до 20 м/с состав поверхности трения не отличается от исходного композита, а после скоростей скольжения выше 20 м/с возникающие при трении трибослои обогащены железом и содержат в своем составе оксид Fe3WO4. При давлении 4 МПа в диапазоне скоростей скольжения 15-37 м/с, вследствие разогрева поверхности трения композита, происходит образование "козырьков", состоящих из деформированного композита и трибослоев.

Проведено исследование прочностных и триботехнических свойств порошковых композитов с матрицей из подшипниковой стали и разным содержанием карбида кремния. рассмотрено влияние химического состава на параметр решетки матрицы и микроструктуру спеченного материала. на основании экспериментальных данных установлены зависимости механических и фрикционных свойств от состава и температуры спекания. Показана перспективность использования данных композитов в качестве фрикционных материалов.

Представлена топография поверхности трения модельных композитов на основе сталей ШХ15 и Г13 после скольжения при плотности тока свыше 100А/см3, определены износостойкость и вольт-амперная характеристика, скользящего электроконтакта модельный композит - сталь 45.

Представлены результаты исследований сухого трения скольжения стали Гадфильда (Г13). Изучены особенности деформирования поверхностного слоя стали в зависимости от условий испытания - низкой скорости скольжения и малом давлении, когда нормальные напряжения на поверхности трения значительно меньше напряжения текучести стали Г13. Проанализировано влияние модифицирования поверхностного слоя на характер трения и изнашивания.

Методами теории функционала плотности проведено теоретическое изучение взаимодействия 3d- и 4d-металлов с поверхностью (0001) карбида вольфрама в зависимости от того, чем оканчивается поверхность и где расположен адсорбат. Определены наиболее стабильные позиции адсорбции металлов на поверхности. Показано, что энергия связи d-металлов с поверхностью больше в случае, когда она оканчивается углеродом, что объясняется преобладающим ионно-ковалентным вкладом в химическую связь на границе раздела, причем ионность связи обусловлена зарядовым переносом от металлов к электроотрицательному углероду. Проведенный анализ электронных и структурных характеристик позволил выявить факторы, влияющие на энергетику связи на границе раздела металл-карбид в зависимости от заполнения электронами d-оболочки металла.

Методам просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведены экспериментальные исследования механизма деформации монокристаллов стали Гадфильда, ориентированных для растяжения вдоль [111], [144], [011] направлений. Установлено, что при Т=23С с ранних степеней деформации пластическое течение в монокристаллах этих ориентаций связано с развитием преимущественно механического двойникования. Показано влияние числа действующих систем сдвига на скорость деформационного упрочнения.

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследованы механизм деформации и характер разрушения 111 монокристаллов аустенитной стали Гадфильда при растяжении в интервале температур 77-63 К. Установлено, что смена механизма разрушения от вязкого к хрупкому по фрактографическому критерию происходит при более высокой температуре. чем температура вязко-хрупкого перехода, определенная по изменению удлинения монокристаллов до разрушения. Показан связь переход вязкость-хрупкость в монокристаллах стали Гадфильда с достижением высокого уровня деформирующих напряжений в результате твердорастворного упрочнения и с механическим двойникованием.

Исследованы механические свойства и структура 001 и 111 монокристаллов стали Гадфильда после прокатки при комнатной температуре до степеней обжатия 5-75 %. Показано, что множественное двойникование выступает основным механизмом, определяющим формирование субмикрокристаллической структуры и высокой прочности при прокатке аустенитной стали Гадфильда.

Проведено исследование карбидостали TiC-сталь Гадфильда при различном содержании TiC (от 30 до 70 %). Изучено влияние структурного состояния стальной связки на прочностные свойства и износостойкость композита. Показано, что наиболее высокой износостойкостью обладают карбидостали, в которых стальная связка находится в метастабильном состоянии.

Исследовано влияние электролитического наводораживания на закономерности пластической деформации и разрушения монокристаллов стали Гадфильда, ориентированных для растяжения вдоль направлений (111) и (144), в которых основным механизмом деформации выступает механическое двойникование. Электролитическое наводораживание в течение 5 ч при плотности тока 100 А/м2 слабо влияет на стадийность пластического течения, механизм деформации и величину однородного удлинения (111)- и (144)-монокристаллов. Насыщение водородом вызывает микролокализацию сдвига и уменьшение коэффициента деформационного упрочнения при развитии двойникования в одной системе, при этом слабо влияет на характеристики деформационного упрочнения при множественном двойниковании. Наводораживание способствует увеличению доли хрупкой составляющей на поверхностях излома и вызывает формирование микро- и макротрещин вблизи зоны разрушения на боковых поверхностях деформированных образцов. Экспериментально установлено уменьшение скорости релаксации напряжений в нагруженных (111)-монокристаллах после насыщения водородом и предложены механизмы для описания этого явления.

Представлены вольт-амперные характеристики скользящего контакта металлических композитов по стали 45 без смазки. Показано, что композиты на стальной основе способны увеличить площадь фактического электроконтакта за счет появления электроразрядов, которые обеспечивают основное протекание тока плотностью до 300 А/cm2. Композиты на основе меди не способны реализовать электроразрядную проводимость вследствие разрушения материала зоны контакта при плотности тока выше 50 А/cm2. Предложен расчет удельного электросопротивления контактирующего слоя металлических композитов. Установлено, что при трении с большой плотностью тока удельное электросопротивление контактирующего слоя приближается к значениям удельного электросопротивления графита. Экспериментально показана принципиальная возможность увеличения площади физического электроконтакта путем введения расплава Pb-Sn в зону трения и достижения плотности тока в контакте выше 300 А/cm2.

Исследовано влияние электрических импульсов, прикладываемых во время волочения стальной проволоки, на температурную зависимость внутреннего трения. Обнаружено повышение величины фона внутреннего трения и высоты зернограничного пика после электростимулированного волочения. Природа эффекта связывается с перераспределением примесей при действии импульсов электрического тока большой плотности.

С помошью вейвлет-преобразования и оконного преобразования Фурье выполнен частотно-временной анализ звуковых волн, регистрируемых микрофоном при трении стали Гадфильда. Предложенная методика позволила установить связь между появлением квазипериодических всплесков интенсивности на регистрируемых акустических сигналах с процессами, отвечающими за формирование частиц износа. Показано, что частотно-временной анализ акустической эмиссии трибосистемы наряду с традиционными подходами может быть использован для исследования особенностей процесса изнашивания.

Определены вольт-амперная характеристика и интенсивность изнашивания скользящих электроконтактов из композитов на основе сталей Г13, а также на основе стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама. Показано, что сталь ШХ15 имеет высокую износостойкость вследствие формирования наноструктур при деформации поверхностных слоев в зоне трения. Установлено, что при скольжении с плотностью тока более 100 А/см2 окисляется поверхность трения контртела из закаленной стали, поэтому сталь не может применяться в качестве контртела.

Исследовано влияние закалки в пучке релятивистских электронов на структуру и свойства поверхностного слоя стали 50. Обнаружен эффект упрочнения, связанный с образованием мартенситной структуры. Показано, что основными параметрами, которые влияют на дисперсность мартенсита, глубину закаленного слоя, размеры переходной зоны, твердость и износостойкость, является время воздействия электронного пучка и погонная энергия процесса Q. Наблюдается линейная зависимость характеристик упрочненного слоя от величины Q.

Рассмотрен механизм формирования фрагментированной микроструктуры при больших степенях деформации, которые реализуются на поверхности металла при трении. Показано, что размер фрагментов в данных условиях является минимальным и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии, выше которого силы междислокационного взаимодействия оказываются больше сил внутреннего трения.

Осуществлен комплекс исследований физико-механических свойств и структуры упрочненного слоя, полученного способом диффузионного легирования углеродистой стали. Выявлены закономерности разрушения поверхностных слоев упрочненной и неупрочненной стали в абразивно-коррозионной среде. Показано, что более высокую стойкость к коррозии и износу имеют карбидные слои, полученные в результате многокомпонентного насыщения.

Высокая стойкость наплавленных слоев против абразивного изнашивания достигается при введении в наплавленный металл карбида вольфрама. для замены дорогостоящего карбида вольфрама в настоящее время стремятся использовать более дешевые наплавочные материалы, содержащие в качестве основного легирующего элемента хром, а также углерод и бор. В данной работе исследована возможность повышения твердости и износостойкости стали при использовании высокохромистых смесей вместо карбида вольфрама при электронно-лучевой наплавке.

Проведены эксперименты по упрочнению поверхностного слоя стали электроннолучевым легированием с использованием в качестве легирующих добавок порошковых смесей на основе хрома и карбидов вольфрама и бора. исследована зависимость структуры и свойств (твердости, износостойкости) от весовых соотношений компонентов в смесях. Найдены оптимальные соотношения, при которых достигается максимальный уровень свойств. Показана возможность дальнейшего улучшения структуры при введении модификаторов.

Исследованы среднеуглеродистые стали после фрикционной обработки методом трения с перемешиванием с использованием двух типоразмеров твердосплавного инструмента. Показана перспективность использования инструмента малого диаметра для формирования мелкозернистой структуры стали. Дано объяснение причин формирования слоистой структуры. Приведены результаты испытаний на износостойкость стали с фрикционно-обработанной структурой.

Изучены процессы изнашивания керамики на основе тетрагонального диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (Y-TZP), при высокоскоростном скольжении по стали без смазочного материала. Испытания проводились по схеме палец-диск до скоростей скольжения 47 м/с. Показано, что в процессе испытаний на изнашивание на поверхности керамических материалов Y-TZP и Y-TZP-Al2O3 возникают трибослои сложного состава, которые являются причиной немонотонного изменения интенсивности изнашивания. На первой стадии при увеличении скорости скольжения (от 0,1 до 4 м/с) имеет место смена типа изнашивания от нормального к катастрофическому с высокой интенсивностью изнашивания. На второй стадии (в диапазоне скоростей от 6 до 47 м/с) интенсивность изнашивания уменьшается практически до начальных значений, характерных для малых скоростей скольжения (0,1 м/с). В этом диапазоне скоростей имеет место практически безысносное трение керамик Y-TZP и Y-TZP-Al2O3.

Методами рентгеноструктурного анализа исследовано изменение микроструктурных параметров твердых сплавов на основе карбида вольфрама в исходном и деформированном состояниях в зависимости от химического состава матрицы. Определены параметры решетки, размеры областей когерентного рассеяния, микроискажения кристаллической решетки, плотность дислокаций структурных составляющих твердых сплавов до и после деформации. Установлено, что механические свойства всего композита определяются величинами изменения определенных параметров внутренней структуры компонентов: пластичность сплава - величиной изменения размера областей когерентного рассеяния в матрице, а его прочность - величиной изменения микроискажений кристаллической решетки упрочнителя.

Приведено краткое исследование изменения фазового состава при спекании композитов на основе подшипниковой стали с добавками карбидов кремния и бора в шихте. Обнаружено полное растворение карбида бора при спекании с образование боридов железа, что привело к исчезновению фрикционных свойств спеченного материала. В композитах, содержащих карбид кремния, эффект растворения фрикционной составляющей частично уменьшается за счет введения крупнодисперсного порошка, что вызывает повышение коэффициента трения.

Методом наплавки в пучке релятивистских электронов смеси порошков карбидов хрома и бора на подложке из низкоуглеродистой стали получены износо- и коррозионно-стойкие покрытия. Определен состав наплавочной смеси, обеспечивающий получение покрытий с оптимальным сочетанием свойств. Изучено влияние режима облучения на структуру и свойства наплавленного слоя.

Показано влияние легирования алюминием на прочностные свойства и механизм деформации (скольжение, двойникование) при растяжении 123 монокристаллов стали Гадфильда при Т=300 К. Установлено, что легирование алюминием подавляет развитие деформации двойникованием 123 монокристаллов, приводит к изменению типа дислокационной структуры при скольжении от однородного распределения дислокаций к планарной дислокационной структуре.

Приведены результаты исследования структуры поверхностей трения и триботехнических характеристик композиционного материала WC-сталь 110Г13 после трения по стальному диску в диапазонах скоростей скольжения от 0.65 до 40 m/s при давлении 2 МРа. Обнаружена область катастрофического изнашивания в диапазоне скоростей скольжения 23-30 m/s, после которой следует установившийся износ при скоростях скольжения выше 30 m/s. Показано, что резкое увеличение скорости изнашивания (в 4 раза) в диапазоне скоростей скольжения 23-30 m/s связано со сменой механизмов изнашивания. Установлен факт присутствия вблизи поверхности трения WC-сталь 110Г13 трех слоев, различающихся друг от друга по структуре и свойствам.

Приведены результаты исследования структуры поверхностей трения и триботехнических характеристик двух композиционных материалов WC-(Fe-Mn-C), отличающихся структурно-фазовым состоянием связки, после скольжения по стальному диску в диапазоне скоростей от 1 до 4 м/с при контактном давлении 5 МПа. Показано, что при низких скоростях (1м/с) интенсивность изнашивания материала с гетерофазным строением связки, содержащей мелкокристалличные зерна аустенита и значительную долю мартенсита закалки в исходном состоянии, в 3,5 раза выше, чем интенсивность изнашивания композита с аустенитной связкой. С ростом скорости до 4 м/с износостойкости этих двух материалов становятся близкими, а затем приблизительно равными. В процессе трения при всех скоростях скольжения связка обоих композитов претерпевает y-a превращение, степень и глубина которого растут с увеличением скорости.

Проведена серия натурных экспериментов с применением созданного испытательного стенда «Трибо» в виде перемещаемой бетонной плиты, рассматриваемой как искусственное аллохтонное крыло на шероховатой плоскости сегмента Ангарского разлома в Прибайкалье. Наблюдаемые эффекты контактного взаимодействия неровностей в зоне скольжения фиксировались с применением деформометрической и динамометрической аппаратуры, а также четырех сейсмических станций «Байкал-7HR», широко используемых для регистрации землетрясений. Изучено влияние ударных воздействий на параметры сейсмических колебаний от возникающих источников сейсмических импульсов в процессе меняющегося фрикционного трения. Предложенный способ физического моделирования и полученные данные могут быть полезными для изучения режимов, интерпретации сейсмологических наблюдений, совершенствования среднесрочного прогноза горных ударов и землетрясений, а также представляют интерес для разработки новых физических моделей формирования разномасштабных очагов сейсмической диссипации в тектонических разломах.??.

A series of full-scale experiments was performed to study the influence of impact loads on the parameters of seismic vibrations initiated in variable friction. The study was conducted on a test setup Tribo which is a movable concrete slab modeling an allochthon on a rough plane of the Angara fault segment in Baikal region. Contact interactions of asperities in the slip zone were recorded using strain and load measuring equipment and four seismic stations Baykal-7HR widely used for recording earthquakes. The proposed physical modeling method and obtained results can be of interest for the development of new physical models of differently scaled sources of seismic energy dissipation in tectonic faults and can be useful for seismological studies, related data interpretation, and improvement of extended forecast of rock bursts and earthquakes.

Исследована взаимосвязь электрических характеристик и интенсивности изнашивания зоны трения металлических композитов без смазки при контактной плотности тока более 100 А/см2, получено начальное представление о микроструктуре поверхностного слоя и распределения химических элементов в нем.

Представлены токовые зависимости электропроводности и интенсивности изнашивания электроконтакта сталь/сталь 45 в условиях скольжения без смазки при плотности тока более 100 А/см2. Установлено, что увеличение содержания легирующих элементов или упрочняющих фаз в первичной структуре стали приводит к низкой прочности поверхностного слоя, что проявляется в высокой интенсивности изнашивания контакта и в катастрофическом изнашивании при низкой плотности тока.

Исследована структура, твердость и коррозионная стойкость покрытий, полученных методом наплавки в пучке релятивистских электронов, выпущенных в атмосферный воздух. Проведен сравнительный анализ свойств покрытий со свойствами нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Показана возможность создания данным методом на поверхности низкоуглеродистой стали наплавленных слоев с высокой коррозионной стойкостью, дополнительно упрочненных карбидами хрома.