- МЕХАНИКА -
УДК 621.891
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГРЕГАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ НА СОПРЯЖЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ И МЕЖКРИСТАЛЛИТНЫХ ГРАНИЦАХ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС-ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА
© 2007 г. Академик В.И. Колесников1, С.Б. Булгаревич1, А.Т. Козаков2,
A.B. Сидашов1, М.В. Бойко3
Одной из причин выхода из эксплуатации колес и рельсов является понижение прочности поликристаллических материалов, обусловленное накоплением на их зернограничных поверхностях легирующих и примесных элементов, что называется сегрегацией. Методами рентгеноэлек-тронной и оже-электронной спектроскопии и теоретически изучено, как примесные и легирующие элементы сосредоточиваются на границах зерен. Описан равновесный предел их концентрирования. Методами неравновесной термодинамики оценены термодинамические характеристики несамопроизвольных процессов, инициируемых трением. Энергии механоактивации достаточно для ускорения сегрегации примесных и легирующих элементов, диффузионного обмена элементами состава материалов между телами фрикционной системы. Обсуждены возможности снижения отрицательного влияния сегрегационного фактора на дефектообразование на рабочей поверхности колеса.
Устойчивой тенденцией на железнодорожном транспорте является повышение скоростей перевозок и нагрузок на подвижной состав. Эта тенденция требует новых конструктивных решений для узлов трения железнодорожной техники, повышения их износостойкости и улучшения прочностных характеристик соответствующих материалов. Прогресс в материаловедении для железнодорожной техники может быть достигнут за счет более глубокого понимания поведения материалов в многопараметрической среде их эксплуатации. Известно, что некоторые свойства поли-христаллических металлических сплавов, в частности, такие, как износостойкость, удельная прочность и др., а также сохранение этих свойств при высоких и низких температурах определяются химическим составом и поликристалли-
1 Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону.
2 Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону.
3 Южный научный центр Российской академии наук, Ро-стов-на-Дону.
ческим строением сплава, в том числе и особенностями его межзеренных границ [1]. Исследования границ зерен широко проводятся уже в течение многих десятков лет, как в нашей стране [2, 3], так и за рубежом [4].
В последнее время появились публикации [5, 6], в которых исследован химический состав на границах зерен некоторых марок колесной стали и его влияние на дефектообразование на рабочей поверхности колеса. В работах [5, 6] показано, что состав тонкого слоя (несколько десятков ангстрем) на границах зерен колесной стали определяется не только ее составом, но и известными для сталей сегрегационными закономерностями для легирующих и примесных элементов, выходящих на межзеренные границы. На состав этого слоя также оказывают влияние циклические силовые и температурные нагрузки, а также взаимодействие колеса с другими составными частями единой трибосистемы колесо—рельс-тормозная колодка. Одним из проявлений этого взаимодействия является наличт обменно-циффузион-ных процессов между полимерной композицией
тормозной колодки и рабочей поверхностью колеса - из тормозной колодки в колесо переходят химические элементы ее состава и наоборот. Размещаясь по границам зерен поверхностного слоя, сегреганты и диффузионные примеси извне могут как упрочнять, так и разул рочнять (охрупчивать) связи между микрокристаллитами стали [1, 4]. Последнее может усиливать дефектообразование на рабочей поверхности колеса. Поэтому исследование роли сегрегационных процессов в дефектообразо-вании на рабочей поверхности железнодорожного колеса и закономерностей сегрегации в колесной стали не может быть ограничено рассмотрением только колесной стали, но и, по возможности, обязано быть комплексным с учетом взаимного влияния всех тел триады ко-лесо-рельс-тормозная колодка.
В настоящей работе сделана попытка комплексного исследования проблемы сегрегации и диффузии примесей в этой системе. В связи с этим в статье затронуты проблемы механоакти-вации физико-химических процессов в системе, порождающих обменно-диффузионные явления; рассмотрено влияние процессов трения на сегрегацию, которая под влиянием трения становится неравновесной. В этом случае определяющей будет кинетика процесса, в частности скорости химических реакций на границе раздела между поверхностью колеса и поверхностью полимерной композиции тормозной колодки. Эти процессы, учитывая ограниченность объема статьи, полностью рассмотреть невозможно, но наиболее важные, с нашей точки зрения, мы изложим в сжатом виде.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ СЕГРЕГАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ В КОЛЕСНОЙ СТАЛИ
Для исследования тончайших поверхностных слоев на межзеренных границах обычно используются такие методы, как рентгено-электронная и оже-электронная спектроскопия [7]. При исследованиях границ зерен материала образец раскалывается в условиях сверхглубокого вакуума, в котором скол образца может подвергаться низкотемпературной обработке, нагреваться до фиксированных заданных температур и облучаться ионами, электронами и т.п. На поверхность образца могут при необходимости осаждаться молекулы разных газов. При эксплуатации системы
колесо-рельс-тормозная колодка многие из таких процессов осуществляются самопроизвольно в воздушной среде. Поэтому поверхности макроскопических дефектов рабочей поверхности колеса (выщербины, усталостные трещины и термотрещины и т.д.) уже несут на себе результаты перечисленных выше воздействий. При анализе материала с указанными дефектами, мы полагаем, на границах зерен можно будет обнаружить определенные количества тех или иных примесных или легирующих элементов колесной стали либо элементов, принадлежащих тормозной колодке. Для уверенного определения сегрегации в колесной стали и диффузии в сталь элементов извне, обусловленной эксплуатационными условиями, следует анализировать поверхности материала на начальной стадии формирования дефектов, а также в промежуточной и конечной стадиях, когда дефекты уже сформировались на рабочей поверхности колеса, побывавшего в эксплуатации.
В настоящей работе сегрегации в дефектных местах рабочей поверхности колеса исследовались методом оже-электронной спектроскопии с помощью оже-электронного спектрометра ЭСО-3, изготовленного научно-про-мышленным объединением "Буревестник". Прибор нами был модернизирован, благодаря чему стала возможна запись и последующая обработка спектров с помощью компьютера. Диаметр электронного зонда в спектрометре ЭСО-3 составлял около 3 мкм. Образцы для исследований вырезались из различных мест рабочей поверхности колеса, содержащих дефекты (выщербины и т.д.), из уже отщепившихся фрагментов и участков колеса на различных глубинах от рабочей поверхности колеса.
На рис. 1 приведены примеры оже-спектров, полученных в различных участках принудительного скола металла колеса на глубине примерно в 1 мм от поверхности выщербины. На этом месте под выщербиной в процессе эксплуатации колеса сформировалась еле заметная невооруженным глазом трещина. Ее мы рассматриваем как дефект в промежуточной стадии разрушения. Она нами была расширена, что дало возможность после образования поверхности разрушения исследовать свежую стенку трещины методом оже-электронной спектроскопии. Из рис. 1 видно, что на поверхности трещины присутствуют калий, цинк, сера, фосфор, стронций или барий (неопределенность связана с наложением аналитических ли-
ний в исследуемой спектральной области), кислород и углерод. Наличие последних двух элементов мы сейчас не обсуждаем. Они могли попасть на поверхность разрушения из воздушной среды за счет загрязнений. Сера и фосфор относятся к примесному составу колесной стали. Содержание на поверхности трещины серы превышает содержание ее в объеме до 10 раз, а фосфора до 12-25 раз. Цинк и стронций (барий) в состав колесной стали не входят, зато они, как показывает рентгено-спектральный анализ, входят в состав тормозной колодки, что позволяет сделать предположение об их диффузионном внедрении из тормозной колодки. В свою очередь методом оже-электронной спектроскопии в перенесенном материале тормозной колодки на колесо обнаружен марганец, входящий в состав колесной стали.
Приведенные экспериментальные результаты позволяют сделать предположение о существовании интенсивных обменно-диффузион-ных процессов, стимулированных и поддерживаемых энергетикой процесса трения во время функционирования системы коле-со-рельс-тормозная колодка, причем колодка из полимерной композиции. Мы полагаем, что перешедшие из тормозной колодки элементы могли диффундировать по границам зерен материала колеса на достаточно большие расстояния от его рабочей поверхности, формируя новый химический состав на границах зерен приповерхностного слоя наряду с сегрегационными процессами, присущими самой колесной стали. Рисунок 2 дает об этом некоторое представление. На нем представлены распределения интенсивностей оже-спектров по глубине от поверхностного слоя колеса. Видно, что содержание фосфора, серы и стронция (бария) максимально на зернограничных поверхностях с полностью сформированными механическими дефектами рабочей поверхности колеса и постепенно уменьшается от нее на глубину до 8 мм, хотя все еще превышает обычное содержание. Увеличение содержания
Рис. 1. Оже-спектры с внутренней стороны принудительного скола в выщербине, полученные в различных точках поверхности скола и демонстрирующие сегрегацию на границах зерен приповерхностной области колеса в выщербине металлических компонентов {1, 2) К и 7п (причем 7л перешел в колесо из тормозной колодки) и примесей (3, 4) колесной стали под влиянием температуры и давлений
фосфора и других еегрегантов способствует развитию дефектов.
Ниже приводится теоретический анализ, позволяющий понять приведенные выше экспериментальные результаты.
1
г
6-
4
2-
0-
-2-
-4-
-6-6-
00
¡-г
К
£
8 -4-
6 4-2 0 -2. -4
2 0 -2
-6
I
■т—I—I—I—I—I—)-1—I-1—I—I—|
0 100 200 300 400 500 6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.