Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 4 (2020)

Новые возможности определения интенсивности изнашивания материалов при трении по данным индентирования

Ю. В. Мильман$^1$, Б. Н. Mордюк$^2$, K. Э. Гринкевич$^1$, С. И. Чугунова$^1$, И. В. Гончарова$^1$, A. И. Лукьянов$^1$, Д. A. Лесик$^3$

$^1$Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Академика Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина
$^2$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^3$«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина

Получена 30.06.2020; окончательный вариант — 12.10.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
Статья посвящена определению физической пластичности δH (отношения пластической деформации к общей деформации) и напряжения текучести σS методом индентирования и применению этих характеристик для анализа интенсивности износа W при трении. Экспериментальная часть работы была выполнена на сталях 9Г2Ф (AISI O2) и Х12МФ (AISI D2), поверхностные слои которых были упрочнены комбинированной термомеханической обработкой, которая состояла из последовательного использования лазерной термической обработки и ультразвуковой ударной обработки. Для металлов показано, что интенсивность износа W пропорциональна физической пластичности δH и обратно пропорциональна пределу текучести σS. Предложена общая схема зависимости W от δH на основе экспериментальных результатов для инструментальных сталей и твёрдых сплавов. Для сталей, износ которых вызван пластической деформацией, W увеличивается с увеличением δH и, наоборот, уменьшается для твёрдых сплавов, которые изнашиваются преимущественно механизмом разрушения. Использование физической пластичности δH и предела текучести σS, определяемых с использованием твёрдости и модуля Юнга, характеризует и степень упрочнения, и интенсивность износа поверхностных слоёв более полно и точно, чем величина твёрдости.

Ключевые слова: износ, физическая пластичность, предел текучести, упрочнённый поверхностный слой, твёрдость, индентирование.

Citation: Yu. V. Milman, B. M. Mordyuk, K. E. Grinkevych, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, A. I. Lukyanov, and D. A. Lesyk, New Opportunities to Determine the Rate of Wear of Materials at Friction by the Indentation Data, Progress in Physics of Metals, 21, No. 4: 554–579 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.04.554

Цитированная литература (60)  
  1. E. Rabinowicz, Friction and Wear of Materials (Wiley: New York: 1995).
  2. I.V. Kragelsky, Tribology: Lubrication, Friction and Wear (John Wiley and Sons Ltd: Bury St Edmunds: 2005).
  3. I.M. Lyubarskyi and L.S. Palatnik, Metallofizika Treniya [Metal Physics of Friction] (Moscow: Metallurgy: 1976) (in Russian).
  4. A.R. Chintha, Mater. Sci. Technol., 35, No. 10: 1133 (2019). https://doi.org/10.1080/02670836.2019.1615669
  5. H.K.D.H. Bhadeshia, Prog. Mater. Sci., 57, No. 2: 268 (2012). https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.06.002
  6. J.D. Lemm, A.R. Warmuth, S.R. Pearson, and P.H. Shipway, Tribology Int., 81: 258 (2015). https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.09.003
  7. Y. Zhu, W. Wang, R. Lewis, W. Yan, S. R. Lewis, and H. Ding, J. Tribol., 141, No. 12: 120801 (2019). https://doi.org/10.1115/1.4044464
  8. L. Zhou, G. Liu, Z. Han and K. Lu, Scr. Mater., 58, No. 6: 445 (2008). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.10.034
  9. K. Kato, Proc. Inst. Mech. Eng. Part J: J. Eng. Tribology, 216, No. 6: 349 (2002). https://doi.org/10.1243/135065002762355280
  10. M.F. Ashby and S.C. Lim, Scr. Met. Mater., 24: 805 (1990). https://doi.org/10.1016/0956-716X(90)90116-X.
  11. S.A. Bespalov, Usp. Fiz. Met., 10, No. 4: 415 (2009) (in Russian). https://doi.org/10.15407/ufm.10.04.415
  12. A. Jafari, K. Dehghani, K. Bahaaddini, and R. A. Hataie, Wear, 416–417: 14 (2018). https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.09.010
  13. H. de Beure and J.Th.M. de Hosson, Scr. Metal., 21, No. 5: 627 (1987). https://doi.org/10.1016/0036-9748(87)90373-5
  14. D.A. Lesyk, S. Martinez, B.N. Mordyuk, V.V. Dzhemelinskyi, А. Lamikiz, G.I. Prokopenko, Yu.V. Milman, and K.E. Grinkevych, Surf. Coat. Technol., 328: 344 (2017). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.08.045
  15. S.I. Sidorenko, M.O. Vasylyev, and S.M. Voloshko, Materials Science: Achievements and Prospects (Eds. L.M. Lobanov et al.) (Kyiv: Akademperiodyka: 2018), p. 393 (in Ukrainian). http://u-i-n.com.ua/en/catalog_main/203
  16. M.O. Vasiliev, G.I. Prokopenko, and V.S. Filatova, Usp. Fiz. Met., 5, No. 3: 345 (2009) (in Russian). https://doi.org/10.15407/ufm.05.03.345
  17. B.N. Mordyuk, M.O. Iefimov, Yu.V. Milman, G.I. Prokopenko, V.V. Silbershmidt, M.I. Danylenko, and A.V. Kotko, Surf. Coat. Technol., 202, No. 19: 4875 (2008). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.04.080
  18. Yu.V. Milman, K. Grinkevich, S. Сhugunova, W. Lojkowski, M. Djahanbakhsh, and H.J. Fecht, Wear, 258, Nos. 1–4: 77 (2005). https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.02.017
  19. E.M. Rudenko, V.Ye. Panarin, P.O. Kyrychok, M.Ye. Svavilnyi, I.V. Korotash, O.O. Palyukh, D.Yu. Polotskyi, and R.L. Trishchuk, Prog. Phys. Met., 20, No. 3: 485 (2019). https://doi.org/10.15407/ufm.20.03.485
  20. J. W. Murray, N. Ahmed, T. Yuzawa, T. Nakagawa, S. Sarugaku, D. Saito, and A.T. Clare, Tribology Int., 150: 106392 (2020) https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106392
  21. O.V. Maksakova, O.D. Pogrebnjak, and V.M. Beresnev, Prog. Phys. Met., 19, No. 1: 25 (2018). https://doi.org/10.15407/ufm.19.01.025
  22. M.A. Vasylyev, B.N. Mordyuk, S.I. Sidorenko, S.M. Voloshko, A.P. Burmak, I.O. Kruhlov, and V.I. Zakiev, Surf. Coat. Technol., 361: 413 (2019) https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.12.010
  23. B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, K.E. Grinkevych, N.A. Piskun, and T.V. Popova, Surf. Coat. Technol., 309: 969 (2017). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.10.050
  24. Yu.V. Milman, S.I. Chugunova, I.V. Goncharova, and A.A. Golubenko, Prog. Phys. Met., 19, No. 3: 271 (2018). https://doi.org/10.15407/ufm.19.03.271
  25. A.F. Shchurov, A.V. Kruglov, and V.A. Perevoshchikov, Inorg. Mater., 37, No. 4: 349 (2001). https://doi.org/10.1023/A:1017571609977
  26. P.H. Boldt, G.C. Weatherly, and J.D. Embury, Int. J. Mater. Res., 15, No. 4: 1025 (2000). https://doi.org/10.1557/JMR.2000.0146
  27. X. Zhang, B.D. Beake, and S. Zhang, Thin Films and Coatings. Toughening and Toughness Characterization (Ed. S. Zhang) (Boca Raton: Taylor & Francis Group, CRC Press: 2015), Ch. 2, p. 48. https://doi.org/10.1201/b18729
  28. Yu.V. Milman, B.A. Galanov, and S.I. Chugunova, Acta Met. Mater., 41, No. 9: 2523 (1993). https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90122-9
  29. B.A. Galanov, Yu.V. Milman, S.I. Chugunova, I.V. Goncharova, and I.V. Voskoboinik, Crystals, 7, No. 3: 87 (2017). https://doi.org/10.3390/cryst7030087
  30. Yu.V. Milman, J. Phys. D: Appl. Phys., 41: 074013 (2008). https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/7/074013
  31. M.J. Schneider and M.S. Chatterjee, ASM Handbook. Vol. 4A. Steel Heat Treating Fundamentals and Processes (Eds. J. Dossett and G.E. Totten) (ASM International: 2013), p. 389.
  32. J. Grum, J. Ach. Mater. Manuf. Eng., 24, No. 1: 17 (2007). http://jamme.acmsse.h2.pl/papers_vol24_1/24101.pdf
  33. Y. Morisada, H. Fujii, T. Mizuno, G. Abe, T. Nagaoka, and M. Fukusumi, Mater. Sci. Eng. A, 505, Nos. 1–2: 157 (2009). https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.11.006
  34. A.L. Ortiz, J.-W. Tian, L.L. Shaw, and P.K. Liaw, Scr. Mater., 62, No. 3: 129 (2010). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2009.10.015
  35. S. Lu, Z. Wang, and K. Lu, J. Mater. Sci. Technol., 26, No. 3: 258 (2010). https://doi.org/10.1016/S1005-0302(10)60043-6
  36. A. Amanov, I.-S. Cho, and D.-E. Kim, Mater. Design, 45: 118 (2013). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.08.073
  37. L. Li, M. Kim, S. Lee, M. Bae, and D. Lee, Surf. Coat. Technol., 307: 517 (2016). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.09.023
  38. C. Ye, A. Telang, A.S. Gill, S. Suslov, Y. Idell, K. Zweiacker, J.M.K. Wiezorek, Z. Zhou, D. Qian, S.R, Mannava, and V.K. Vasudevan, Mater. Sci. Eng. A, 613: 274 (2014). https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.06.114
  39. T. Amine, J.W. Newkirk, H. El-Din, F. El-Sheikh, and F. Liou, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 73: 1427 (2014). https://doi.org/10.1007/s00170-014-5882-8
  40. U. Trdan, M. Skarba, J.A. Porro, J.L. Ocaña, and J. Grum, Surf. Coat. Technol., 342: 1 (2018). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.084
  41. J. Radziejewska, Mater. Design, 32, No. 10: 5073 (2011). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.06.035
  42. J.H. Lee, J.H. Jang, B.D. Joo, Y.M. Son, and Y.H. Moon, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 19, No. 4: 917 (2009). https://doi.org/10.1016/S1003-6326(08)60377-5
  43. G. Telasang, J.D. Majumdar, G. Padmanabham, and I. Manna, Surf. Coat. Technol., 261: 69 (2015). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.058
  44. D. Tabor, Phil. Mag. A, 74, No. 5: 1207 (1996). https://doi.org/10.1080/01418619608239720
  45. Y.T. Cheng and C.M. Cheng, Mater. Sci. Eng. R, 44, No. 4: 91 (2004). https://doi.org/10.1016/j.mser.2004.05.001
  46. Y. Milman, S. Dub, and A. Golubenko, MRS Proceedings, 1049: 1049-AA05-06 (2007). https://doi.org/10.1557/PROC-1049-AA05-06
  47. D.M. March, Proc. Phys. Soc. A, 279: 420 (1964). https://doi.org/10.1098/rspa.1964.0210
  48. J. Strenberg, J. Appl. Phys., 65, No. 9: 3417 (1989). https://doi.org/10.1063/1.342659
  49. K.J. Johnson, Contact Mechanics (Cambridge: University Press: 1985).
  50. K. Tanaka, J. Mater. Sci., 22: 1501 (1987). https://doi.org/10.1007/BF01233154
  51. D.A. Lesyk, S. Martinez, B.N. Mordyuk, V.V. Dzhemelinskyi, A. Lamikiz, and G.I. Prokopenko, Optics and Laser Technol., 111: 424 (2019). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.09.030
  52. D. Lesyk, S. Martinez, B. Mordyuk, V. Dzhemelinskyi, and O. Danyleiko, Advances in Design, Simulation and Manufacturing II–DSMIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering (Eds. V. Ivanov et al.) (Cham: Springer: 2020), p. 188. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_19
  53. K.E. Grinkevich, Trenie i Iznos, 24, No. 3: 100 (2003).
  54. Yu.V. Mil’man, H.М. Nykyforchyn, K.E. Hrinkevych, O.T. Tsyrul’nyk, І.V. Tkachenko, V.A. Voloshyn, and L.V. Mordel, Mater. Sci., 47: 583 (2012). https://doi.org/10.1007/s11003-012-9431-z
  55. K. Kato and K. Adachi, Modern Tribology Handbook (Ed. B. Bhushan) (Boca Raton: Taylor & Francis Group, CRC Press: 2000).
  56. P.S. Bate and D.V. Wilson, Acta Metall., 34, No. 6: 1097 (1986). https://doi.org/10.1016/0001-6160(86)90220-8
  57. A.V. Byakova, Yu.V. Milman, and A.A. Vlasov, Science of Sintering, 36, No. 2: 93 (2004). https://doi.org/10.2298/SOS0402093B
  58. Y. Estrin, N.V. Isaev, S.V. Lubenets, S.V. Malykhin, A.T. Pugachov, E.N. Reshetnyak, V.S. Fomenko, L.S. Fomenko, M. Janecek, and R.J. Hellmig, Acta Mater., 54, No. 20: 5581 (2006). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.07.036
  59. Z. Huang, L.Y. Gu, and J.R. Weertman, Scr. Mater., 37, No. 7: 1071 (1997). https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00209-1
  60. V. Popov, Facta Universitatis. Series: Mech. Eng., 17, No. 1: 39 (2019). https://doi.org/10.22190/FUME190112007P

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© 2000 Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины