Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 6 Шевеля В.В.,*, ** Олександренко В.П.,** Трытек А.С.,* Coкoлaн Ю.C.** * Жешувская политехника, г. Жешув, Польша, ** Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина E-m ail : shevelya@prz.edu.pl СКРЭТЧ - АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ ТРЕНИИ ТЕРМООБ РАБОТАННОЙ СТАЛИ УДК 621.891 Исследовались изменения склер ометр ических пок азател ей пр и скр этч-тестир овании тр ибоактивир ованны х подповер хно стны х слоев тер мообр аботанной стал и (закалка+отпу ск) в связи с влиянием скор ости вер тикального на- гру жения индентор а Роквелла пр и его непр ер ывном вдавливании с одновр еменны м тангенциальным пер емещением обр азца. Склер ометр ическими пок азателями слу жили: сила и коэффициент тр ения, скор ость и глу бина внедр ения индентор а, ур овень аку стической эмиссии, хар актер ные значения нагр у жающей силы. Установлены отл ичительные особенности зон у пр очнения, сфор мир ованных тр ением, в зависимости от темпер ату р ы отпу ска стали, а также пока- зана тр ансфор мация свойств этих зон, обу словленная изменением р ежима склер ометр ирования. Полу ченные дан- ные позволяют внести у точнения в деламинацио нну ю теор ию изнашивания металлов. Клю чевые с лова: скрэ тч - ана лиз, внешнее трение, а кустическая эмиссия, зака лка, отпуск, дислокац ии, атомы внедрения , термообработка. Введение Трибологические свойс тва с та ли и ее сопротивляемость и зносу в значите льной с тепени форм и- руются непосредственно в процессе внешнего трения в результа те динамической субструктурной пере- стройки приповер хностной зоны фрикционного конта кта . Та кая перестройка , ка к прави ло, имее т рела к- сационную природу и может сопровождаться как упрочнением, так и разупрочнением зоны трения, под- вергающейся динамическому силовому воздействию. Формирующаяся при внешнем трении субструкту- ра стали, как и нагрузочно-скоростной режим контактного взаимодействия, обуславливаю т уровень и со- отве тствующие механи змы внутреннего трения, ко торые, в свою очередь, определяют температурный режим, диссипати вные свойства и динамическую напряженность фрикционного конта кта [1]. В [2] отме- чается, что «внешнего трения, ка к самостоятель ного явления , не существует, а проис ходи т процесс внут- реннего трения в тонком покрове твердо го тела и в лежащем под ним поверхностном слое, т.е . наблю да- ется дву хслойное внутреннее трение, каж дое со своим коэффициентом трения , проявляющееся в слое толщ иной десятка ан гстрем и в с лое то лщиной на 2 - 3 порядка больше». Приня то счита ть, что при трении мета ллов в приповер хностном слое образуется исключите льно высокая плотность дислокац ий, формирующих уль традисперсную ячеистую структуру с признаками аморфизации [3, 4]. Скоп ления дис локаций и и х взаимодейс твие при води т к образованию большого ко- личества точечны х дефектов (ваканси й, дислоцированны х атомов), в результа те чего активи зируются диффузионные процессы (особенно при повышенных температурах). Возможной причиной «аморфиза- ции» является рост по тенциа льной энергии при трении , способствующий рос ту электро химического и адсорбционного потенциа лов приповер хнос тного слоя . В резуль та те акти визируется диффузия кис лоро- да с внутренним окислением, что обеспечивает сосуществование аморфизированного слоя с нижележа- щей криста лличес кой фазой [3]. Предпо лагае тся та кже, что в структуре со свойствами, подобными свой- ствам слоя Бей льби, вс ледс твие усталос тны х я влени й проис ходи т отде ление частиц износа с плоскими поверхностями [4, 5]. Тем не менее, в настоящее время нет однозначного ответа на вопрос, где начинаетс я разрушение металлов при трении - на повер хности кон такта или в подповер хностном слое. Согласно [6], кинетика фрикционной усталос ти завис ит от глубины за лега ния максимальны х каса те льны х напряжений, ко торая изменяется обратно пропорционально коэффициенту трения. По неко торым оценкам, при больших ко- эффициента х трения (µ > 0,3) зона максимальны х каса тельны х напряжений вы ходи т на повер хнос ть, инициируя преимущественно разрушение поверхности фрикционного кон такта. Э тот выво д противоре- чит деламинационной теории изнашивани я отс лаиванием. Согласно деламинационной теории [7], образование частиц износа являе тся резуль татом разви- тия подповер хнос тны х трещин. Распреде ление напряжен ий в зоне фрикционного конта кта приводи т к тому, что при трении сколь жения дисло кации скап ливаю тся преимуществен но на некотором расстоянии от повер хности , формируя зону повышенной плотности ли нейны х дефектов. В этой зоне проис ходи т пластическая деформация, ограниченная свер ху и снизу областями упругодеформированного материала. Указанная зона скоплен ия дислокац ий являе тся облас тью наиболее вероятного зарождения и рос та мик- Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 7 ропустот, ко торые коалисцируют, приводя к образованию подповер хнос тны х микротрещин, распростра- няющи хся параллельно повер хности трения . После многократного нагружения ма териала трещины дос- тигаю т кри тического размера, приводя к отс лаиванию частиц износа в ви де тон ки х ле пестков, то лщина которы х (поря дка 10 мкм) в нес коль ко раз меньше длины. Согласно этой теории, глубина формирования и ширина зоны скопления дис локаций с образованием пустот увеличиваю тся с ростом коэффициента трения, что до лжно приводи ть к увеличению то лщины отс лаиваемы х частиц . Другими словами, толщина частиц износа определяе тся то лщиной зоны с пониженной концен трацией по движ ны х дис локаций . Неоднозначность и противоречивость упомянуты х вы ше выводов требуют да льней ши х исс ле до- ваний ме ханизма и знашиван ия мета ллов при трении с кольжени я. Мате риал и ме тодика исс ледований Иссле довалась углеро дистая с таль 45. Термообработка: зака лка в во ду от температуры 850 ºС с последующим отпуском (1 час) при температура х 100, 200, 400, 600 ºС. Фрикционные испыта ния проводились на машине трения по схеме «палец - диск» : неподвиж ный образец (палец) с контролируемым усилием (Р = 0,3 М Па) прижимался к п лоскости вращающе гося ме- таллического дис ка, на повер хнос ти которого закреп лялись абразивные лис ты, периодически заменяв- шиеся в процессе трибоактивации образца бумагой с более тонким за крепленным абразивом. Конечным этапом шлифования повер хности образцов служи ло полирование . Трибопрочностные (склерометрические) и а кусти ко-эмиссионные свойства подповер хностны х слоев иссле довались на скрэтч-тес тере RST (Revetest Scratch Tester) фирмы CSM Instruments (Шве йца- рия), принци п действия которого показан на рис. 1. Рис. 1 – Принцип проведе ния скрэтч-тестирования: Ft – датчик силы тре ния; h – се нсор глубины внедре ния; FN – прилагаемая нагрузка (увеличивающаяся); A – акустиче ский датчик; VS – скорость пе реме ще ния образца; R – царапающий кониче ский индентор (Роквелла) При скрэтч - тестировании регистрировались нормальная нагрузка, склерометрические сила и коэффициент трения, глубина и скорость вне дрения а лмазного ин ден тора Рокве лла , а также акус тическая эмиссия, уровень которой оценивался относитель но эталонного образца с покрытием нитрида ти тана. Склерометрирование (скрэтч-ана лиз) иссле дуемых повер хностей осуществля лось при непрерывном вдавливан ии ин ден тора с о дновременным тангенц иальным перемещением образца относи тельно инден тора. При оди наковой выбранной базе измерений (S = 4 мм) и постоянной скорости горизонта льного сканирования (Vs = 4 мм/мин) задание программе максимального значения линейно возрастающей нор- мальной нагрузки (Fn ma x = 100, 150, 200 Н) реали зовалo режимы одновременного роста скорости ее воз- дейс твия на ин ден тор (VF = 100, 150, 200 Н/мин). Результаты исслед ования и их обс уждение На рис. 2 приве дены резуль та ты с крэтч-тестирования зака ленной с та ли в ис хо дном состоянии (рис. 2, а, б) и после трения (рис. 2, в - е) в зависимости от с корости вертика льного нагружения ин ден то- ра (VF = 100, 200 Н/мин) и уровня уси ления с игна ла акус тической эмиссии S. Тангенц иальная скорость сканирования повер хнос тей Vs = 4 мм/мин. В ис хо дном состоянии за калки (после эле ктрополировки) с та ль при скрэ тч-тестировании прояв- ляе т незначите льную акусти ко-эмиссионную активнос ть (рис. 2, а, б). Однако после трения в приповер х- ностном слое регис трируются мощные а кустические импульсы на глубина х до 10 - 20 мкм в зависимости от скорости нагружения и нден тора (рис. 2, в - г). Рис. 3 иллюс трирует изменение параметров скрэтч-тестирования с тали пос ле трения в зависимо- сти о т температуры отпуска и скорости нагружения ин ден тора VF (S = 5). Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 8 а б в г д е Рис. 2 – С крэтч-те стирование закале нной стали: а, б – исходное состояние (а – VF = 100 Н/мин, б – VF = 200 Н/мин); в, г, д, е – после тре ния: в – VF = 100 Н/мин (S = 5); г – VF = 200 Н/мин (S = 5); д – VF = 100 Н/мин (S = 1); е – VF = 200 Н/мин (S = 1); (FN – нормаль ная нагрузка, Н; h – глубина внедре ния индентора, мкм; µ – коэффицие нт тре ния; Ft – сила тре ния, Н; A – акустиче ская эмиссия, % Низкотемпературный отпуск (Тотп = 100, 200 ºС) резко снижае т ин тенсивнос ть акус тической эмиссии, инициируемой трением, причем приповерхностная ло кали зация акус тико - эмиссионной акти в- ности со храняе тся (рис. 3, а - г). В то же время, о тпуск при более высоки х температура х кроме общего снижения ин тенси вности трибоактивируемой акустической эмиссии приво ди т к смещению облас тей ее проявления в более глубокие слои (рис. 3, д - з). Из рис. 2, 3 сле дует, что подповер хностная локали зация зон повышенной акустической эмиссии зависит не то лько о т структуры отпуска с та ли, но и о т скорости нагружения инде нтора в процессе сканирования повер хнос ти : с ее ростом силовой диапазон проявления акустико -эмиссионой активности расширяется и смещается в область повы шенны х значений (рис. 4). Одновременно изменяется глубина, на ко торой регистрируется акустичес кая эмиссия. По данным рис. 2, 3 и на рис. 5 систематизированы закономерности формирования зон упрочне- ния (h1 и h2) в подповерхнос тны х с лоя х в резуль та те трения, а та кже сопоставле ны результа ты оценки глубины зале гания и ширины областей акус тической активнос ти (ш три ховка) с учетом влияния темпера- туры отпуска с та ли и скорости верти кально го нагружения инде нтора при с крэтч-тес тировании. Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 9 а б в г д е ж з Рис. 3 – С клерометрические показатели трибоактивированной стали в зависимости от темпе ратуры отпуска и скорости нагруже ния инде нтора(S = 5). Те мпе ратура отпуска: а, б - 100 ºС; в, г – 200 ºС; д, е – 400 ºС ; ж, з – 600 ºС; (а, в, д, ж – VF = 100 Н/мин; б, г, е, з – VF = 200 Н/мин) Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 10 F N , [ H ] VF, [Н/мин] Рис. 4 – Влияние скорости нагруже ния инде нтора на значе ния сил, соответствующих началу (1, 2, 3, 4) и концу (1', 2', 3', 4') ре гистрации акустиче ской эмиссии (после активации тре нием): 1, 1' – закалка; 2, 2' – отпуск 200 ºС ; 3, 3' – отпуск 400 ºС ; 4, 4' – отпуск 600 ºС По характеру изменения с клерометрической си лы трения во все х случая х выявляю тся две зоны упрочнения (I и II), формирующиеся под влиянием внешнего трения (зона III, не будучи активированной трением, относи тся к ис хо дной с труктуре после соотву тствующей термообработки). Локализация (ни ж- няя граница ) I и II зон на рис. 5 отвечае т глубинам h1 и h2. Для мартенси тной за калочной с труктуры характерна ис ключи тельно высокая а кусти ко- эмиссионная активность в преде ла х обеи х зон упрочнения непосредственно у повер хнос ти фрикционно- го конта кта (рис. 5, а ). Низко температурный отпуск (Тотп = 200 ºС) существен но снижает (в 5 и более раз) интенс ивность а кустически х си гналов, ко торые фиксируются преимущественно в преде ла х I зоны упрочнения (рис. 5, б). После трения средне- и высокоотпущен ной стали (рис . 5, в, г) акусти ко- эмиссионная активнос ть проявляе тся лишь на опре деленной глубине о т повер хности кон такта и локали- зируется вб лизи границы пере хо да о т II к III зоне и ли в пре дела х II зоны. Для дву х из исс ле дованны х с труктурны х состоян ий с тали (за калка, о тпуск 200 ºС) с повышени - ем скорости нагружения инден тора зоны упрочнения (h1 и h2), а также области акусти ко-эмиссионной акти вности (заш три хо ванные) сужаю тся, смещаясь ближе к повер хнос ти трения (рис. 5 а, б). В с лучае среднеотпущенной с тали (Тотп = 400 ºС) с повышением динамики вне дрения ин ден тора ширина области акустико -эмиссионной активнос ти мало изменяю тся, но зоны упрочнения также смещаются к повер хно- сти фрикционного конта кта (рис. 5, в). При испытани и высокоотпущенной ста ли (рис. 5, г) наблюдае тся обратная картина : с ростом скорости на гружения ин ден тора зоны упрочнения и области а кустической акти вности расширяются и фиксируются на большем уда лении о т повер хнос ти фрикционно го кон такта, что, по-видимому, являе тся характерным для ма териала, претерпевше го обычный ме ханический наклеп тонкого повер хнос тного слоя в процессе внешнего трени я. Примечате льно, что при минимальной скоро- стной нагрузке на ин ден тор (VF = 100 Н/мин) глубина фиксируемой зоны упрочнения h2 этой стали ока- залась наименьшей по сравнению с остальными исследуемыми структурными состояниями, что является следс твием ни зкой микроп ластичнос ти приповер хностного с лоя. Вышеска занное согласуе тся с резуль та тами оценки скорости вне дрения ин ден тора в зона х уп - рочнения в зависимости о т с корости силово го воздействия на него (рис. 6). С ростом максимальной на- грузки в ци кле внедрения и нден тора наблю дается ес тес твенный рост с корости его погружения ли шь в случае высокоотпущенной с тали (рис. 6, а, кривая 4). Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 11 а б в VF, [Н/мин] h, [м κм ] г Рис. 5 – Влияние скорости нагруже ния инде нтора на локализацию (по глубине) зон упрочне ния и областе й акустико-эмиссионной активности (штриховка) с учетом те рмообработки стали: а – закалка; б, г – соответстве нно; Тот п= 200, 400, 600 ºС . С права привде ны схемы изме не ния скле рометриче ской силы тре ния Ft и уровня акустической эмиссии А по глубине внедре ния индентора для VF = 150 Н/мин Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 12 V h , [ м км /Н ] h m ax , [ м κм ] VF, [Н/мин] VF, [Н/мин] а б Рис. 6 – Влияние скорости нагруже ния инде нтора на среднюю скорость его внедре ния ( податливость ) в зоне упрочне ния (а) и на максималь ную глубину внедре ния в пределах полной базы сканирования (б): 1 – закалка; 2, 3, 4 – соответстве нно, Тот п = 200, 400, 600 ºС Для ста ли в состоян ии зака лки , а также низко го и среднего отпуска наблю дае тся противополож - ный эффект (рис. 6, а, кривые 1 - 3): скорость вне дрения ин ден тора, как и глубина локализации зоны уп- рочнения, с ростом вертикальной скорости на гружения ин ден тора уменьшаются. По сравнению с высо- коотпущенной ста лью эти структуры проявляю т при пониженной скорости вертика льной скрэтч- инден тации (VF = 100 Н/мин) повышенную микропластичность (при более высокой твердос ти в ис хо д- ном состоянии). В то же время, с повышением скорости нагружения инден тора рассматриваемые показа- тели (h2 и Vh) снижаю тся, сви де тельс твуя об упрочняющем действии процесса склерометрирования, эф- фективнос ть которого расте т пропорционально с корости деформации, вызываемой инден тором. Это я в- ляе тся признаком того, что деформационное упрочнение фрикционного контакта с труктур зака лки, ни з- кого и сре днего о тпуска о тличаю тся о т процесса упрочнения высокоотпущенной ста ли как по ме хани з- му, так и по эффекти вности . Ска занное подтверждае тся и зависимостями максимальной глубины вне дрения ин ден тора на всей длине трассы сканирования образцов (s = 4 мм) от с корости воздейс твия вер тика льной на грузки (рис. 6, б). То лько высокоо тпущенная с таль (рис. 6, б, кривая 4) пока зала прогрессирующий рост глуби- ны внедрения ин ден тора с увеличением скорости нагружения, не проявляя признаков динамического уп- рочнения. Наибольшую реакцию с упрочняющим эффектом на рост скорости деформации проявляет сталь в сос тоянии зака лки (мартенси т + оста точный аус тени т). Пос ле отпус ка при 400 ºС максимальная глубина вне дрения ин ден тора практически не зависи т о т скорости деформации при скрэтч-тес тировании (рис. 6, б, кривая 3). Различия свойс тв подповер хностны х слоев, сформированных при трении, в зависимости о т на- грузочно-скоростны х параметров склерометрирования (скрэтч-тестирования ) и режима термообработки стали вырази те льно проявляю тся по масш табу и характеру изменения си гна лов акус тической эмиссии по мере удаления от повер хности трения . Так, режим термообработки ста ли вли яет на диапазоны значений силы вдавли вания инде нтора и глубины его вне дрения, при которы х проявляе тся аномальное повышение акустико -эмиссионной акти вности с труктуры (рис. 7). Наибо лее широкий ин тервал значений указанны х показате лей отвечает ста ли в сос тоянии зака лки. Наименьшие величины э ти х по каза телей при узком ин- тервале и х значений соотве тс твую т структурам, отпущенным при 100 и 200 ºС. Отпуск с тали при 400 ºС формирует такие облас ти а кусти ко-эмиссионной активнос ти, ко торым отвечают наибольшие значения как вне дряющей си лы FN , так и глубины вне дрения h. Повы шение температуры отпуска до 600 °C вновь понижает диапозоны значений э ти х показа те лей. Акустическая эмиссия при механическом нагружении твердого тела на микроуровне вызывается локаль ной перестройкой с труктуры вс ледс твие разви тия дис кретны х динамически х процессов, сопрово- ждающи хся ре лаксацией внутренни х нагружений [8 - 11]. При этом высвобождае тся энергия в ви де уп- руги х волн с и зменением напряженно-деформированного состояния. Другими словами, излучение аку- Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 13 стически х импульсов сопровождает рела ксационные явления , обусловленные преобразованием микро- структуры мета лла при ме ханическом нагружении. F N , [ H ] Τотп., [ oC] h, [м κм ] Τотп., [ oC] A B Рис. 7 – Влияние темпе ратуры отпуска стали на диапазоны силы вне дре ния (А) и глубины внедре ния инде нтора (В), на которых регистрируется акустико-эмиссионная активность структуры ( штриховка): а, б, в – соответстве нно, VF = 100, 150, 200 Н/мин Уровень акустической эмиссии зависи т не столь ко от п лотнос ти дислокац ий, ско лько от и х под- вижности и длины с вободного пробега [9, 10]. Кроме высокой плотности по движ ны х дефектов крис та л- лической структуры обычно к факторам, обуславливающим высокую акусти ко-эмиссионную активность твер дого те ла при силовом воздейс твии о тнося тся [11 - 13]: - неоднороднос ть и высокая прочность материала; - высокая скорость деформирования; - прорывы скоплен ия дис локаций через препя тс твия; а б в Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 14 - склонность к двойникованию; - образование микротрещин. При за калке с тали объем образующегося мартенсита больше объема аустенита. Возни кающие при этом остаточные напряжения сжатия (фазовый наклеп ) обуславливаю т со хранение оста точного ау- стени та. Низкая а кусти ко-эмиссионная активность «свеже го» (не активированного трением) мартенси та (рис. 2, а, б) обусловлена : - высокими микронапряжениями и большой и х неоднородностью в о тде льны х микрообъемах, что способствует раннему проявлению по д нагрузкой лока льной ми кропластичнос ти с понижением ф и- зического преде ла упругости; - большой те трагональнос тью крис таллической реше тки и з-за пересыщеннос ти твердого раство- ра углеродом; - малой подвиж ностью забло кированны х точечными дефектами (вакансиями, атомами внедре- ния) дис локаций , созданны х фазовым наклепом в процессе закалки. Высокая а кусти ко-эмиссионная активность зака ленной с та ли (мартенси т+оста точный аустени т), приобретаемая в процессе внешнего трения, (рис. 1, в - е), обусловлена специфическими изменениями субструктуры в током поверхностном слое, одновременно приводящими, с одной с тороны, к росту ре- лаксационной способности, а с другой - к упрочнению металла. Извес тно [12], что после повер хностного пластического деформирования закале нной углеродистой ста ли при значите льном росте оста точны х на- пряжений сжати я наблю дается уменьшение физической ширины рентгеновски х ин терференционны х ли- ний, сви дете льс твуя о снижении лока льны х микронапряжений в повер хностном слое. Очевидно, ч то при внешнем трении зака ленной с тали на д деформационным наклепом, который обычно вызывается повы- шенной плотнос тью малоподви жны х дис локаций , превалируют процессы, формирующие приповерхно- стную с труктуру с высокой ре лаксационной способностью. При деформации мартенсита в условия х трения , наряду с ростом пло тности «свежи х» неза креп- ленны х дисло каций, из-за а ктивизац ии диффузионны х процессов происхо ди т разб локировка с тары х де- фектов крис таллической решетки. Всле дс твие перераспределения дис локаций и разупорядочения атомов углерода устраняю тся (ре лаксируют) лока льные напряжени я, снижае тся неоднородность микронапряже- ний в отдельны х микрообъемах и уменьшается те трагональнос ть крис таллической реше тки . Кроме того, дробление п лас тин мартенси та с образованием двойни ков также способствует релаксаци и кон тактны х напряжений. Одновременно, активированные трением диффузионные процессы способствуют разви тию ре- лаксации вс ле дствие динамического деформационного старения (ДДС) и отпуска под напряжением - ди- намического отпуска (ДО), ко торые сопровождаются упрочнением вследс твие снижени я по движнос ти некоторой части дис локаци й [14]. Э ти явления вызы ваются динамическим взаимодейс твием атомов вне- дрения (C+N) и и х а тмосфер с генерируемыми дислокациями, а та кже блокировкой дислока ций мелко- дисперсными карбидными выде лениями при распаде мартенси та и оста точного аустени та , так как де- формация пересыщенного твердого раствора облегчает образование большого числа зародышей карби- дов. ДД С развивае тся при та ки х температура х, когда подви жность а томов внедрения становится соизм е- рима со скоростью перемещения свободных дис локаций . Указан ные процессы значительно увеличиваю т концентрационную неоднороднос ть твердого раствора, формирующую в поверхностном слое дополн и- тель ные оста точные напряжения сжа тия. Выде ления карбидной фазы, я вля ясь, с одной с тороны, факто- ром упрочнения из-за барьерного дейс тви я, о дновременно служат источни ками генерируемых при на- гружении свежи х дисло каций, б лагоприя тно влияя на ре лаксационную (а кусти ко-эмиссионную) способ- ность металла. Кроме того, выде ление карби дов сопровождается уменьшением концентрации углерода в матрице, что приводит к понижению п лотнос ти точек закреп ления и росту подвижности дисло каций, что также обеспечивает повы шение рела ксационной способности. Рассмотренные процессы, сопровождающие трение зака ленной ста ли, значи тельно повышают ее релаксационную способность, что проявляетс я в испускании при скрэтч-тес тировании мощны х акусти- чески х импульсов, вызы ваемы х проте канием дис кретны х динамически х процессов [8, 11, 13]: - ускоренным дви жением дис локационны х пе те ль при и х массовом отрыве от точек закреп ления; - прорывом дислокационными скоп лениями преград, сформированными при трении ста ли кар- бидными выде лениями, когда скачкообразно возникают зоны микропластичности с релаксацией напря- жений; - микроплас тической деформацией двойникованием с увеличением удельного веса двойников в общем количестве дефектов криста ллического строения, возникши х в процессе трения. Двойникование обеспечивает более эффективную релаксацию напряжений , чем скольжен ие. При скрэтч-тестировании в лока льны х облас тя х повер хностного слоя зака ленной ста ли проис хо- ди т прерывистое (скачкообразное) развитие микроплас тичности, при ко тором повторение циклов «бло- кировка - генерация (срыв)» дис локаций сопровождаетс я интенс ивной акустичес кой эмиссией, свиде- тельс твующей о высокой рела ксационной способности материала с благоприя тным распределе нием Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 15 (градиен том) оста точны х сжимающи х напряжений , обеспечивающи х повышенную сопротивляемость хруп кому разрушению. Таким образом, внешнее трение зака ленной с тали иниц иирует два конкурирующи х процесса: 1. Разупрочнение, обусловленное : - генерацией «све жи х» по дви жны х дислокац ий; -акт ивизацией диффузионны х процессов, приводящи х к разблокировке стары х дис локаций и ра- зупорядочению атомов углерода, вызывающи х сн ижение тетрагона льности и з-за уменьшения деформа- ционной неоднородности. 2. Упрочнение, вызы ваемое: - распадом мартенсита и оста точного аустенита, сопровождающимся вы делен ием мелкодисперс- ны х карбидов; - разви тием динамического деформационного старения и о тпуска по д напряже нием , приво дящи х к снижению подвижнос ти дис локаций а томами внедрения (C+N) и выде лившимися карби дами; - создан ием концентрационной неоднородности твер дого раствора, приводя щей к формирова- нию оста точны х напряже ний сжа тия и перево ду очага разрушения под повер хнос ть. При трении мартенси та создается та кое соотношение общей пло тности дефектов и количес тва подвижны х дислока ций, ко торое обуславливает б лагоприя тное сочетание прочности материала с высо- кими релаксационными с войствами. Поэ тому при трении та кой с тали вкла д релаксаци и микронапряже- ний превалируе т на д о хрупчиванием вс ле дствие на клепа , что обеспечивае т рост вязкости разрушения . В случае низкооотпущенной ста ли (Тотп = 100, 200 ºС) зона упрочнения, созданная трением, лишь до определенной глубины проявляе т акус тико-эмиссионную акти вность (рис. 3, а - г; рис. 7 В), хо- тя и в нес колько раз меньшую по сравнению с деформированным неотпущенным мартенситом. По- видимому, это обусловлено влиян ием факторов, контролирующи х п лотнос ть подвижны х дислока ций в матрице, а значит - релаксационную способность материала. Уже в процессе указанной предварительной термообработки стали выде ляю тся когерен тные частицы -карбида, ко личество ко торы х может увеличи- ваться в процессе последующей деформации при трении. Такие вы де ления эффекти вно блокируют а к- тивные сис темы сколь жения в твердом растворе при дейс твии внешней на грузки (упрочняющий эф- фект). Чем больше количество выде ливши хс я частиц карбидной фазы, тем меньше межкарбидное рас- стояние, тем выше сопротивление движению дисло каций и меньше акустико -эмиссионная (релаксацион- ная) способность. Такой материал веде т себя более упруго, а чисто упругие деформации, как известно, акустическую эмиссию не вызываю т. Приповер хнос тная зона а кусти ко-эмиссионной активности после трения низкоотпущенной с тали формируется, по-ви димому, вследс твие час тичного растворения карби- дов в процессе трения стали, приво дящего к обогащению матрицы атомами углерода с их пере ходом в места скоплени я дисло каций. Степен ь блокировки дис локаций при этом уменьшается по сравнению с блокирующим дейс твием высоко дисперсны х карби дны х части ц. При у далени и от повер хнос ти фрикц и- онного контакта температурно-нагрузочные условия деформации способствуют ин тенсифи кации про- цессов динамического деформацонного старения, подавляюще го акус тическую эмиссию. Отпуск с тали при 400 ºС формирует высокодисперсную смесь, состоящую из плас тинча того фер- рита и цементита (троости т отпуска) В ис ходном состоянии такая с труктура имеет высокое внутреннее трение и пониженный моду ль упругости [14]. Вс ле дствие понижен ия конце нтрации углеро да в твердом растворе (из-за е го пере хо да в карби ды при термообработке) в процессе внешнего трения в приповер хно- стном слое создаются условия для эффективной работы источников дисло каций и интенсивно го взаимо- дейс твия после дни х, ч то приводи т к ме ханическому наклепу, при ко тором структура приобретает низ- кую релаксационную с пособность с ну левой а кусти ко-эмиссионной активностью и минимальным вну т- ренним трением. В то же время под этим слоем на глубине 20 - 40 мкм формируется зона акустико- эмиссионной активнос ти с повы шенной рела ксационной способностью(рис. 3, д, е ). После отпуска при 600 ºС с таль имеет структуру сорбита отпуска, ка к резуль тат коагуляц ии и сфероидизации цементита , а также рекриста ллизации феррита. При трении такой ста ли в приповер хно- стном слое и з-за низкого по тенциа льного барьера сдвиговой деформации формируется текс турированная структура, в которой из-за большого чис ла барьеров блокируется движение дис локаций и подавляе тся работа и х ис точников. Такая с труктура при скрэтч-тес тировании проявляе т нуле вую акусти ко- эмиссионную активнос ть. При этом основным видом упрочнения сорбитной структуры в приповерхно- стном слое является на клеп . Освободившиеся и возникш ие при трении дис локации уже при комнатной температуре дополни тельно блокируются примесными атомами внедрения в процессе деформационного старения, когда, по-ви димому, концентрация атомов углерода в твердом растворе повышается всле дс т- вие частичного растворения карбидов. На глубине 20 - 40 мкм обнаруживаются зоны повышенной аку- стико-эмиссионной акти вности , сформированные внешним трением (рис. 7 В). На рис. 8 сопоставлены зависимости склерометрической силы трения Ft от температуры отпуска стали для дву х с лучаев. Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 16 F t , [ H ] F t , [ H ] Τотп, [ oC] Τотп, [ oC] а б Рис. 8 – Зависимости склерометриче ской силы тре ния от темпе ратуры отпуска стали с учетом скорости ве ртикального нагруже ния инде нтора VF: а – область вне зоны влияния тре ния; б –зона, упрочне нная тре нием (на глубине h2); 1, 2, 3 – соответстве нно; VF = 100, 150, 200 Н/мин Рис. 8, а характеризует свойс тва с тали , полученные непосредственно после соотве тствующей термообработки (на максимальны х глубина х за преде лами влиян ия трения ). На основании да нны х, опуб- ликованны х ранее [14], можно сдела ть вывод: Ft изменяется пропорционально модулю упругости ста ли и обратно пропорционально амплитуднозависимому внутреннему трению. Учиты вая, ч то с повышением температуры отпуска твер дость с тали снижае тся, наблю даемый синусоидальны й характер изменения ве- личины Ft сви де тельс твуе т о ее зависимости, в первую очередь, от вязкоупруги х свойс тв материала. Рис. 8, б иллюс трирует изменение склерометрической силы трения Ft на глубине вне дрения ин - ден тора, соответс твующей II зоне упрочнения, вызванного трением. Ви дно, что вне шнее трение сущес т- венно изменяет характер изучаемой зависимости с формированием максимума Ft для среднеотпущенной стали (Тотп = 400 ºС) и после дующим небольш им снижением Ft при температуре отпус ка 600 ºС. В отличие о т силы трения (рис. 8, б) с клерометрический коэффициент трения монотонно расте т с повышением температуры отпуска (рис. 9, а), сви де тельс твуя о снижении нормальны х напряжений, дейс твующи х в зоне упрочнения при испытани и высокоотпущенной с тали (Тотп = 600 ºС), ч то подтвер- ждае тся эксперимента льно (рис. 9, б ).   F N , [ H ] Τотп, [ oC] Τотп, [ oC] а б Рис. 9 – Зависимости склерометриче ского коэффицие нта трения на границе II зоны упрочне ния (а) и соответствующе й нормаль ной нагрузки (б) от темпе ратуры отпуска стали с учетом скорости ве ртикаль ного нагруже ния VF: 1, 2, 3 – соответстве нно, VF = 100, 150, 200 Н/мин Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 17 Выводы 1. При трении с тали формируются подповер хнос тные зоны упрочнения, ко торые при скрэтч- тес тировании проявляю т в той и ли иной степе ни акус ти ко-эмиссионную акти вность , уровень ко торой характеризуе т релаксац ионные (диссипа тивные) с войства с труктуры упрочненных областей . Ин тенси в- ность акустической эмиссии, а та кже ее лока лизация по глубине и по диапозону силового воздействия завися т от режима термообработки ста ли и скорости деформации металла с канирующим инден тором. С повышением такой скорости силовой диапазон активации акус тической эмиссии расширяется и смеща- ется в облас ть более высоки х значений. 2. Исключи тельно высокая по уровню и по ширине нагрузочного диапазона акустико- эмиссионная (релаксационная) способность характерна для трибоактивированной структуры закалки. Наименьшую акустическую активнос ть после трения преобретает ни зкоотпущен ная с таль (Тотп = 100, 200 °C). Наибольшим глубинам и нагрузкам, на которы х проявляе тся акустико-эмиссионная активнос ть, отвечает ста ль, отпущенная при температуре 400 °C. Этой же стали отвечает максимальная склерометри- ческая сила трения . 3. Ста ль в состоянии зака лки , а также низкого отпуска, в отличие от высокоотпущенной с тали , при склерометрировании упрочняется пропорционально скорости деформации, свиде те льствуя о зависи- мости механизма деформационного упрочнения стали при трении о т термообработки и скорости дина- мического нагружения. 4. Формирующиеся при трении закаленной и низкоотпущен ной стали по дповер хнос тные слои характеризую тся высокой прочностью и значите льной релаксац ионной (диссипа тивной) способностью с остаточными напряжениями сжатия , бла годаря чему очаг разрушения переводится под повер хнос ть на глубину 10 - 15 мкм (для с тали закале нной) и 5 - 10 мкм (для ста ли низкоотпущенной ). Всле дс твие этого при трении сколь жения проис хо ди т о тслоение чешуек соотве тс твующей то лщины, зависящей о т с коро- сти деформации (де ламинационный ме хани зм). 5. При трении средне- и высокоотпущенной ста ли приповер хностны й с лой толщ иной порядка 30 мкм (отпуск 400 °C) и 20 мкм (отпус к 600 °C) пере ходи т в состояние на клепа с низкими релаксацион- ными свойствами. Охрупчивание и снижение вязкос ти разрушения такого слоя при трении сколь жения приводи т к его истиранию в виде мелко дисперсны х части ц (изнаши вание диспер гированием). Отслоение при этом чешуек маловероятно из-за формирования нижележащего подс лоя с повышенной релаксацион- ной способностью. Лите ратура 1. Шеве ля В.В., Трыте к А.С. Реология вязкоупругого фрикционного контакта // Проблеми трибології. - 2010, №4. - с. 6-16. 2. Краге льский И.В., Любарский И.М., Гусляков А.А. и др. Трение и износ в вакууме.- М.: Ма- шиностроение, 1973. – 216 с. 3. Хо даков Г.С., Ребиндер Г.А. О влиянии среды на аморфизацию кварца в процессе его механи - ческого дисперсирования // ДАН СССР, 1960, вып. VI, - с . 29-31. 4. Scott D., Seifert W.W., Westcott V.C. The Part icles of Wear // Sc ientific A merican, v. 230, №5, 1974. - р. 88-97. 5. Буше Н.А. К вопросу о процессах, проис ходящ и х на повер хнос ти трения мета ллически х мате - риаллов. – В кн.: О природе трения тверды х тел. Минск, «Нау ка и те хника», 1971, с. 75-77. 6. Краге льский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. -М.: Машиностроение, 1977. – 526 с. 7. Suh N.P. The dela mination Theory of Wear // Wear, v. 25, №1, 1973, р. 111-124. 8. Грешни ков В.А., Дробот Ю.Б. Акус тическая эмиссия. – М .: Изд.ста ндар тов, 1976. – 272 с. 9. Иванов В.И., Бе лов В.И. Акус тико-эмиссионный контроль сварки и сварны х соединений. – М.: Металлургия, 1981. – 184 с . 10. Новиков Н.В., Вайнберг В.Е. О физичес кой природе а кустической эмиссии при деформиро- вании мета ллически х материалов // Проблемы прочности. – 1977. - №12. – С. 65-69. 11. Свири денок А.И., Мы шкин Н.К., Калмыкова Т.Ф., Холо дилов О.В. Акустические и эле ктри - ческие методы в триботе хнике . – Минск: « Наука и те хни ка», 1987. – 280 с. 12. Балтер М.А. Упрочнение дета лей машин. – М.: Машинос троение, 1978. – 183 с. 13. Иванова В.С. Разрушение мета ллов. – М.: Ме та ллургия , 1979. – 167 с. 14. Шевеля В.В., Тры тек А.С., Соколан Ю.С. Влия ние микроме ханически х и реологически х свойств термообработанной стали на триботе хнические показа те ли // Проблеми трибології. - 2012, №2, с.6-13. Поступи ла в редакц ію 17.04.2015 Скрэтч - анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 18 Shevely a V.V., Oleksandr enko V.P., Trytek A.S., Sokolan J.S. S cratch-analysis of subsurface layers formation during friction of thermal treated steel. Changes of sclerometric ch aracteristics dur in g scratch-testing of triboactivated subsurface lay ers of thermal treated steel (hardenin g + temp erin g) in connection with influen ce of vertical loadin g of Rockwell indenter dur in g its continuous in- dentation with simultaneous tangential mov ement of samp le were studied. Sclero metric char acteristics were: force and fric- tion coefficient, sp eed and depth of indenter introduction, level of acoustic emission, typ ical values of loaded force. Distinc- tive features of strengthened zones formed by friction subject to temp ering temp erature of steel were determined, and also transformation of p rop erties of these zones conditioned by change of sclerometric regime was shown. Received data allows to bring in sp ecifications in delaminational theory of wear of metals. Keywords: scratch-analy sis, external friction, acoustic emission, hardenin g, temp erin g, dislocations, interstitial atoms, ther- mal treatment. References 1. Shevelya V.V., Trytek А.S. Rheology of viscoelastic frict ional contact. Proble ms of tribology. 2010, №4. p. 6-16. 2. Kragelskiy I.V., Liubarskiy I.M ., Guslyakov A.A. et al. Friction in vacuum.– M.: Machine building, 1973. 216 p. 3. Hodakov G.S., Rebinder G.A. About influence of environment on amorphizat ion in the process of its mechanica l dispersion. DAN USSR, 1960, is. VI, p. 29-31. 4. Scott D., Se ifert W.W., Westcott V.C. The Particles of Wear. Scientific Ame rican, v. 230, №5, 1974. р. 88-97. 5. Bushe N.A. To the question of processes occurred on the friction surface of metallic materials. in b.: About nature of solid bodies friction. M insk, “Sc ience and technique”, 1971, p. 75-77. 6. Kragelskiy I.V., Dobychin M.N., Ko mbalov V.S. Foundation of calculations of frict ion and wear. M.: Machine building, 1977. 526 p. 7. Suh N.P. The dela mination Theory of Wear. Wear, v. 25, №1, 1973, р. 111-124. 8. Greshnikov V.A., Drobot J.B. Acoustic emission. M.: Pub. of standarts, 1976. 272 p. 9. Ivanov V.I., Be lov V.I. Acoustical e mission control of welding and welded bindings. M.: Metal- lurgy, 1981. 184 p. 10. Novikov N.V., Vainberg V.E. About physical nature of acoustic emission during deformation of meta llic materia ls . Proble ms of strength. 1977. №12. p. 65-69. 11. Sv irdenyuk A.I., Myshkin N.K., Ka lmy kova T.F., Holodilov O.V. Acoustical and electrical methods in tribo-engineering. M insk: “ Science and techniques”, 1987. 280 p. 12. Ba lter M.A. Strengthening of mach ine ele ments. M.: Machine building, 1978. 183 p. 13. Ivanova V.S. Destruction of metals. M.: Meta llurgy, 1979. 167 p. 14. Shevelya V.V., T rytek A.S., So kolan J.S. Effect of mic ro mechanical and rheological properties of therma l treated steel on tribotechnical characteristics . Proble ms of tribology. 2012, №2, p.6-13.