Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов

Представлены литературные данные по сравнительному поведению трибологических характеристик чистых металлов в крупнозернистом (КЗ) и наноструктурном (НС) состояниях, полученных деформационными и электрохимическими методами. Показано снижение коэффициента трения и величины износа для НС-состояния по с...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2010
1. Verfasser: Столяров, В.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2010
Schriftenreihe:Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69316
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов / В.В. Столяров // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 101-109. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-69316
record_format dspace
spelling irk-123456789-693162014-10-11T03:01:24Z Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов Столяров, В.В. Представлены литературные данные по сравнительному поведению трибологических характеристик чистых металлов в крупнозернистом (КЗ) и наноструктурном (НС) состояниях, полученных деформационными и электрохимическими методами. Показано снижение коэффициента трения и величины износа для НС-состояния по сравнению с КЗ-аналогами. Рассматриваются аналитические методы и подходы к моделированию контакта твердых тел с учетом атомной структуры поверхности. Представлено літературні дані зi зрівняльної поведінки трибологічних характеристик чистих металів у крупнозернистому (КЗ) і наноструктурному (НС) станах, отриманих деформаційними і електрохімічними методами. Показано зниження коефіцієнта тертя і величини зносу для НС-стану в порівнянні з КЗ-аналогами. Розглядаються аналітичні методи і підходи до моделювання контакту твердих тіл з урахуванням атомної структури поверхні. Comparison of tribological behavior for pure metals in coarse-grained and nanostructured state processed by electrochemical and deformation methods is presented. It was demonstrated that friction coefficient and wear decrease in nanostructured state in comparison with conventional counterparts. Analytical methods and approaches to the modeling of solid state contact taking into account atomic surface structure is considered. 2010 Article Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов / В.В. Столяров // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 101-109. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.–z, 85.42.+m http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69316 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Представлены литературные данные по сравнительному поведению трибологических характеристик чистых металлов в крупнозернистом (КЗ) и наноструктурном (НС) состояниях, полученных деформационными и электрохимическими методами. Показано снижение коэффициента трения и величины износа для НС-состояния по сравнению с КЗ-аналогами. Рассматриваются аналитические методы и подходы к моделированию контакта твердых тел с учетом атомной структуры поверхности.
format Article
author Столяров, В.В.
spellingShingle Столяров, В.В.
Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
Физика и техника высоких давлений
author_facet Столяров, В.В.
author_sort Столяров, В.В.
title Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
title_short Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
title_full Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
title_fullStr Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
title_full_unstemmed Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
title_sort трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate 2010
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69316
citation_txt Трибологическое поведение наноструктурных и крупнозернистых металлических материалов / В.В. Столяров // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 101-109. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv AT stolârovvv tribologičeskoepovedenienanostrukturnyhikrupnozernistyhmetalličeskihmaterialov
first_indexed 2025-07-05T18:55:08Z
last_indexed 2025-07-05T18:55:08Z
_version_ 1836834314319298560
fulltext Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 © В.В. Столяров, 2010 PACS: 81.40.–z, 85.42.+m В.В. Столяров ТРИБОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ И КРУПНОЗЕРНИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН Малый Харитоньевский пер. 4, г. Москва, 101990, Россия E-mail: vlstol@mail.ru Статья поступила в редакцию 26 мая 2010 года Представлены литературные данные по сравнительному поведению трибологиче- ских характеристик чистых металлов в крупнозернистом (КЗ) и наноструктурном (НС) состояниях, полученных деформационными и электрохимическими методами. Показано снижение коэффициента трения и величины износа для НС-состояния по сравнению с КЗ-аналогами. Рассматриваются аналитические методы и подхо- ды к моделированию контакта твердых тел с учетом атомной структуры по- верхности. Ключевые слова: наноструктура, медь, никель, титан, деформационное поведение, трение, адгезия Введение Наноструктурные материалы (НСМ) в результате значительного умень- шения размера зерен и существенного увеличения объемной доли их границ [1] проявляют необычные механические, физические и электрохимические свойства по сравнению с обычными поликристаллами. Высокие прочность и твердость НСМ являются основой для перспективных конструкционных применений и потому стимулируют разработку и исследование новых ме- таллов, сплавов и соединений [2]. Существует значительное число работ, посвященных исследованиям механического поведения НСМ при стандарт- ных испытаниях на твердость, сжатие или растяжение. Однако механизмы трения и изнашивания в НСМ изучены слабо, возможно, ввиду трудности создания массивных образцов, достаточных для исследования трения и из- носа. Большинство работ по изучению изнашивания поверхностного слоя или покрытий было выполнено на металлических сплавах, которые показали повышенную износостойкость НСМ по сравнению с их КЗ-аналогами [3–5]. Вместе с тем значительную ценность представляют систематические иссле- дования изнашивания в модельных чистых НСМ, в которых эффект не свя- Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 102 зан с фазовыми превращениями. Они до последнего времени были малочис- ленны из-за трудностей в синтезе макроскопических образцов, подходящих для испытаний. Ниже представлены собственные и литературные данные для чистых металлов (меди [6], никеля [7], титана [8]), полученных разными методами (электроосаждением, деформационными методами). Материалы и методы исследования В чистой меди НС-состояние было получено электроосаждением исход- ной крупнозернистой (50–100 μm) меди чистотой 99.99%. Средний размер кристаллов в НС-меди составил 20 nm. Испытания обоих состояний на износ в условиях сухого трения были выполнены при комнатной температуре по схеме шарик–диск, где шарик из сплава WC–Co диаметром 10 mm скользил по медному диску размером Ø 7 × 2 mm при амплитудной нагрузке от 5 до 40 N с частотой 5 Hz. Наноструктурный никель был также получен электроосаждением, мето- дика процесса подробно описана в [7]. Размер кристаллитов в НС-никеле оценивался рентгеновским методом и находился в интервале от 8 до 28 nm, средний размер кристаллов составил 20 nm. Трибологические испытания выполнены без смазки по схеме стальной шарик–диск на поверхностях, очищенных ультразвуком, при нагрузке 1 N, частоте 8 Hz, тангенциальной амплитуде перемещения 100 μm и числе циклов 10000. Крупнокристалличе- ский никель, используемый как элемент сравнения, получен холодной про- каткой и отжигом до формирования структуры со средним размером зерен 61 μm. Микротвердость измеряли при нагрузке 1 N, чтобы глубина внедре- ния составляла менее 10% от толщины осажденного слоя. Титан для исследований выбран в виде горячекатаного прутка Ø 50 mm ВТ1-0. Содержание примесей, %: 0.07 C, 0.18 Fe, 0.10 Si, 0.12 O, 0.04 N и 0.01 H. Средний размер зерен составлял 15 μm. После обточки до Ø 40 mm пруток длиной 100 mm подвергали теплому равноканальному угловому прессованию (РКУП), процесс которого подробно описан в [8]. Часть РКУП- образцов деформировали холодной прокаткой (ХП) на 75%, чтобы дополни- тельно измельчить структуру. В результате получили микроструктуру с раз- мером зерен 0.3 μm (после РКУП) и 0.1 μm (после РКУП + ХП). Типичная микроструктура титана после РКУП и холодной прокатки показана на рис. 1. Известно [9], что тенденция к схватыванию и налипанию (характерная для титана) зависит от сопротивления материала к адгезии в условиях сдви- говых напряжений, которые могут быть оценены отношением касательных τnn и нормальных Prn напряжений на контакте твердых тел: μa = τnn/Prn. Это соотношение известно как адгезионная компонента коэффициента трения. Чем меньше эта величина, тем слабее схватывание и налипание. Измерение μa было выполнено по методике [10] на установке, имитирующей условия трения между полусферическим индентором из сплава ВК-8 (Ø 2.5 × 25 mm) и диском из титана (Ø 12 × 6 mm) при различных температурах контакта. Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 103 а б Рис. 1. Микроструктура титана после равноканального углового прессования и хо- лодной прокатки в поперечном (а) и продольном (б) сечениях Титан исследовали в трех состояниях: исходном крупнозернистом, РКУП и РКУП + ХП. Скорость вращения диска была 36 grad/s. Нагрев области контакта до температур 150, 350, 550 и 800°C выполняли пропусканием электрического тока, длительность которого была менее 1 min. Результаты исследования Медь. На рис. 2,а показана зависимость коэффициента трения от расстоя- ния при нагрузке 5 N для КЗ- и НС-меди. Каждая кривая характеризуется двумя режимами трения. Сначала коэффициент трения повышается резко, а затем достигает стадии насыщения. Переход к устойчивой стадии в НС- образцах происходит за большее время, чем для крупнозернистых. Хотя с увеличением нагрузки до 10 N ситуация меняется наоборот, коэффициент трения на стадии насыщения для НС-меди всегда меньше, чем для КЗ-меди. Изменение величины износа от нагрузки для КЗ- и НС-меди показано на рис. 2,б. Износ увеличивается с повышением нагрузки, но скорость износа для НС-меди была меньше, чем для крупнозернистой. а б Рис. 2. Коэффициент трения k при нагрузке 5 N (а) и износ W (б) [6]: ○ – крупно- зернистая медь, ● – наноструктурная Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 104 Измерение микротвердости показало, что она для НС-меди (1.05 GPa) в два раза выше, чем для КЗ-меди (0.5 GPa). Таким образом, меньшие значе- ния коэффициента трения и величины износа в НС-меди, по сравнению с крупнозернистой, связаны с повышенной микротвердостью, что, в свою очередь, обусловлено меньшим размером зерен. Предполагается, что други- ми причинами могут быть особенности, связанные с измельчением структу- ры, – повышенное окисление при трении и более слабое деформационное упрочнение. Никель. В таблице даны размер зерен, микротвердость и коэффициент трения. Размер зерен варьировался от 8 до 28 nm. Значения микротвердо- сти никеля с размером зерен 8 и 10 nm были близки, что необычно для об- щей зависимости от размера зерен. Ранее было показано, что в этой облас- ти размеров происходит отклонение от закона Холла–Петча не только в количественном отношении, но и по знаку. Это может быть связано с из- менением механизма деформации от чисто дислокационного в поликри- сталлическом никеле к межзеренному проскальзыванию в нанокристалли- ческом образце. Размер зерен, микротвердость и коэффициент трения электроосажденного никеля Размер зерен, nm Микротвердость, НV Коэффициент трения 61000 269 0.62 28 572 0.55 10 724 0.29 8 689 0.16 На рис. 3 представлена зависимость коэффициента трения от числа цик- лов для различных размеров зерен. Во всех случаях эта величина повышает- ся в первый период (до 500 циклов) циклирования, а затем достигает ус- тойчивой стадии насыщения (см. таб- лицу). Экстремально низкий (0.16) коэффициент трения был получен для никеля с размером зерен 8 nm. Напро- тив, никель с наибольшим размером зерна 61 μm показал максимальное значение коэффициента трения. Таким образом, изучение нанокри- сталлического никеля показало, что более высокая микротвердость элек- троосажденного образца, связанная с наименьшим размером зерен, являет- ся основной причиной снижения ко- эффициента трения. Рис. 3. Зависимость коэффициента трения от числа оборотов диска для никеля с разным размером зерен [7]: 1 – 8 nm, 2 – 22 nm, 3 – 61 μm Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 105 Титан. На рис. 4 показаны темпе- ратурные зависимости μа титана в трех состояниях при различных на- грузках. При всех температурах выше комнатной КЗ-титан имеет более вы- сокий коэффициент трения, чем УМЗ- титан. Кроме того, с ростом темпера- туры коэффициент увеличивается для КЗ-титана и, как правило, уменьшает- ся для УМЗ-титана (кроме состояний РКУП + ХП при 480 N и РКУП при 960 N). Таким образом, формирование УМЗ-структур в титане уменьшает адгезионную компоненту трения μа и склонность титана к налипанию и схватыванию. Важно также, что про- исходит уменьшение характеристики μа с повышением температуры и уменьшением размера зерен. Как по- казали дальнейшие исследования ме- ханического поведения, данный эф- фект связан с многократным упроч- нением титана в результате измельче- ния структуры. Аналогичный эффект снижения трения и величины износа при измельчении структуры до нано- метрового диапазона наблюдался в титановых сплавах ВТ6 и никелиде ти- тана [11,12]. Модели трения и износа: от континуальных моделей к микроскопике Для расчета сил адгезии и трения, действующих между соприкасающимися поверхностями твердых тел, используют методы континуальной контактной механики, основанные на линейной теории упругости. Поверхности при этом предполагаются гладкими и ровными; их атомное строение не учитывается. Например, сила, необходимая для отрыва поверхности с радиусом кривизны R от плоской подложки (рис. 5) [13], находится по простой формуле F = 3pRg, где g – поверхностная энергия. Это выражение может быть обобщено и на другие геометрии путем замены R на соответствующую характеристическую длину. В некоторых случаях континуальная теория дает на удивление точные результаты, а иногда расходится с экспериментом в десятки раз. Причина это- го заключается в том, что поверхности реальных твердых тел в большинстве случаев сильно отличаются от своих идеализированных математических об- разов. Их неровность существенно влияет на силу адгезии. Рис. 4. Температурные зависимости адгезионной составляющей коэффи- циента трения μа в титане при разных нагрузках N, N: а – 480, б – 960, в – 1440, г – 1920, д – 2400; ○ – КЗ-титан, ● – УМЗ-титан (РКУП), ■ – УМЗ-титан (РКУП + ХП) Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 106 Кроме того, в последнее время на- блюдается всплеск интереса к микро- и даже наноразмерным электромеха- ническим устройствам. Они часто оказываются неработоспособными из- за нежелательной адгезии. А контину- альные модели в принципе не годятся для расчета их характеристик. Все это говорит о необходимости разработки новой, микроскопической теории кон- тактных механических явлений. Шаг в этом направлении сделан в работе [14], авторы которой из Johns Hopkins University (США) использо- вали метод молекулярной динамики для проверки пределов применимости макроскопического описания контак- тирующих поверхностей. Они изучили контакты между плоской (001) под- ложкой из ГЦК-кристалла и тремя различными типами цилиндрических по- верхностей, имеющих одинаковый радиус кривизны (рис. 6). В случаях (б) и (в) шероховатость поверхности не превышала одного эффективного диамет- ра атома (одного среднего межатомного расстояния). Сначала были рассчи- таны зависимости смещения d, контактного радиуса a и статической силы трения F от величины прижимающей силы N, направленной по нормали к подложке. Оказалось, что для всех типов поверхностей расчетные зависимо- сти d(N) прекрасно согласуются с предсказаниями континуальной модели. Для зависимостей a(N) качественное соответствие численных и аналитиче- ских результатов сохраняется, но количественное расхождение достигает 100%. Прежде всего это касается «ступенчатой» поверхности, для которой a увеличивается с ростом N не монотонно, а «скачками». Континуальное при- ближение может давать значительно заниженную площадь контакта, осо- бенно при малых N. Если для гладкой и «ступенчатой» кристаллических по- верхностей величина силы трения F в пределах 10–20% совпадает со своим ожидаемым из макроскопики значением, то для аморфного образца она ока- залась в ~ 5 раз меньше. Рис. 5. Механический контакт двух твердых тел. Континуальная (пунк- тирная линия) и реальная формы по- верхности [13] Рис. 6. Поверхности одинакового радиуса с различной структурой на атомарном уровне [14]: а – изо- гнутая кристаллическая решетка с атомарно гладкой поверхностью; б – поверхность образца, вырезан- ного из аморфного твердого тела; в – «ступенчатая» поверхность образца, вырезанного из кристалла Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 107 Распределение давления по области контакта также очень чувствительно к структуре поверхности на атомном уровне и в ряде случаев качественно различается даже при одинаковой шероховатости, количественно опреде- ляемой в терминах среднеквадратичного отклонения атомов от идеально гладкой поверхности. Таким образом, шероховатость является усредненной величиной, не позволяющей однозначно предсказать механические характе- ристики контакта без детализации конкретного вида атомного беспорядка, создающего эту самую шероховатость. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и практическое значение. Они не только дают возможность лучше понять физическую при- роду контактных явлений, но и прокладывают путь к «поверхностной инже- нерии», которая позволит изготавливать контакты с требуемыми макроско- пическими свойствами путем надлежащей микрообработки контактирую- щих поверхностей. Пока недостаточно изучен лишь предельный случай малых деформаций, что отвечает контактам металлов или керамик. Кроме того, описание взаи- модействия «реальных поверхностей» в режиме «реального времени» требу- ет обязательного учета нестационарных явлений. Эти и многие другие не решенные пока вопросы – тема дальнейших теоретических и эксперимен- тальных исследований. Выводы Трибологическое поведение чистых металлов меди, никеля, титана в нано- структурном (нанокристаллическом) и традиционном крупнозернистом со- стояниях значительно отличается. Коэффициент трения и величина износа в НС-металлах минимальны и обусловлены максимальной величиной микро- твердости, которая, в свою очередь, зависит от степени структурного измель- чения. Переход к НС-поверхностям контакта может быть осуществлен в рамках моделей, основой которых является рельеф поверхности на атомарном уровне. Автор выражает благодарность своим соавторам по совместным статьям и РФФИ за финансовую поддержку, гранты № 08-08-00497-а, 07-08-12132-офи. 1. H. Gleiter, Phase Transit. 24, 15 (1990). 2. J.R. Weertman, D. Farkas, K. Hemker, H. Kung, M. Mayo, R. Mitra, H. Van Swygenhoven, MRS Bulletin, Feb., 44 (1999). 3. C.A. Schuh, T.G. Nieh, T. Yamasaki, Scripta Mater. 46, 735 (2002). 4. Y.S. Zhang, Z. Han, K. Wang, K. Lu, Wear 260, 942 (2006). 5. X.Y. Wang, D.Y. Li, Wear 255, 836 (2003). 6. Z. Han, L. Lu, K. Lu, Tribology Lett. 21, No. 1, 47 (2006). 7. R. Mishra, B. Basu, R. Balasubramaniam, Mater. Sci. Eng. A373, 370 (2004). 8. V.V. Stolyarov, L.Sh. Shuster, M.Sh. Migranov, R.Z. Valiev, Y.T. Zhu, Mater. Sci. Eng. A371, 313 (2004). Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 108 9. Л.Ш. Шустер, Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обраба- тываемым материалом, Машиностроение, Москва (1988). 10. G.S. Fox-Rabinovich, A.J. Kovalev, L.Sh. Shuster, Yu.F. Bokiy, G.K. Dosbaeva, D.L. Wainshtein, V.P. Mishina, Wear 206, 214 (1997). 11. С.В. Чертовских, Л.Ш. Шустер, В.В. Столяров, Трение и износ 26, 80 (2005). 12. С.В. Чертовских, Автореф. … канд. дисс., Москва (2008). 13. J.N. Israelachvili, Nature 435, 893 (2005). 14. B. Luan, M.O. Robbins, Nature 435, 929 (2005). В.В. Столяров ТРИБОЛОГІЧНА ПОВЕДІНКА НАНОСТРУКТУРНИХ ТА КРУПНОЗЕРНИСТИХ МЕТАЛЕВИХ МАТЕРIАЛІВ Представлено літературні дані зi зрівняльної поведінки трибологічних характери- стик чистих металів у крупнозернистому (КЗ) і наноструктурному (НС) станах, от- риманих деформаційними і електрохімічними методами. Показано зниження ко- ефіцієнта тертя і величини зносу для НС-стану в порівнянні з КЗ-аналогами. Роз- глядаються аналітичні методи і підходи до моделювання контакту твердих тіл з урахуванням атомної структури поверхні. Ключові слов: наноструктура, мідь, нікель, титан, деформаційна поведінка, тертя, адгезія V.V. Stolyarov TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF NANOSTRUCTURED AND ULTRAFINE-GRAIND METALLIC MATERIALS Comparison of tribological behavior for pure metals in coarse-grained and nanostructured state processed by electrochemical and deformation methods is presented. It was demon- strated that friction coefficient and wear decrease in nanostructured state in comparison with conventional counterparts. Analytical methods and approaches to the modeling of solid state contact taking into account atomic surface structure is considered. Keywords: nanostructure, copper, nickel, titanium, deformation behavior, friction, adhesion Fig. 1. Microstructure of titanium after equal-channel angular pressing and cold rolling in transverse (а) and longitudinal (б) sections Fig. 2. Friction coefficient k at a 5 N load (а) and wear W (б) [6]: ○ – coarse-grained copper, ● – nanostructured Fig. 3. Friction coefficient as a function of disc rotation number for nickel of different grain size [7]: 1 – 8 nm, 2 – 22 nm, 3 – 61 μm Fig. 4. Temperature dependences of friction coefficient adhesion component μа in tita- nium under loading N, N: а – 480, б – 960, в – 1440, г – 1920, д – 2400; ○ – CG- titanium, ● – UFG-titanium (ECAP), ■ – UFG-titanium (ECAP + CP) Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3 109 Fig. 5. Two solids in mechanical contact. Continual (dotted line) and real forms of the surface [13] Fig. 6. Surfaces of equal radius with different structure at monatomic level [14]: а – bent crystal lattice with monatomically smooth surface; б – surface of sample cut from amor- phous solid; в – «staggered» surface of sample cut from crystal