Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 4 (2020)

Нові можливості визначення інтенсивности зношування матеріалів при терті за даними індентування

Ю. В. Мільман$^1$, Б. М. Mордюк$^2$, K. E. Грінкевич$^1$, С. I. Чугунова$^1$, I. В. Гончарова$^1$, A. I. Лукьянов$^1$, Д. A. Лесик$^3$

$^1$Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна
$^2$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^3$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна

Отримано 30.06.2020; остаточний варіант — 12.10.2020 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Статтю присвячено визначенню фізичної пластичности δH (відношення пластичної деформації до загальної деформації) та напруження плинности σS методом індентування та застосуванню цих характеристик задля аналізу інтенсивности зношування W під час тертя. Експериментальну частину роботи було виконано на крицях 9Г2Ф (AISI O2) і Х12МФ (AISI D2), поверхневі шари яких було зміцнено комбінованим термомеханічним обробленням, яке складалося з послідовного використання лазерного термічного оброблення та ультразвукового ударного оброблення. Для металів показано, що інтенсивність зношування W пропорційна фізичній пластичності δH й обернено пропорційна межі плинности σS. Запропоновано загальну схему залежности W від δH на основі експериментальних результатів для інструментальних криць та твердих стопів. Для криць, зношування яких спричинено пластичною деформацією, W збільшується зі збільшенням δH і, навпаки, зменшується для твердих стопів, які зношуються переважно механізмом руйнування. Використання фізичної пластичности δH і межі плинности σS, що обчислюються з використанням твердости та модуля Юнґа, характеризує і ступінь зміцнення, й інтенсивність зношування поверхневих шарів більш повно та точніше, аніж величина твердости.

Ключові слова: зношування, фізична пластичність, межа плинности, зміцнений поверхневий шар, твердість, індентування.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 2000 Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України