ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ АНАЛИЗА ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЕМ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ С РЕСУРСНЫМ СМАЗЫВАНИЕМ

Экспериментально установлено, что в процессе трения под действием температуры в поверхностных слоях сталей образуются вторичные структуры (ВС), фазовый состав которых отличается от исходного. Именно ВС и определяют в конечном счете эксплуатационные свойства пар трения. Определены причины трансформации фазового состава – это диффузионные процессы и полиморфные превращения, происходящие в поверхностных слоях.

К особенностям кинетики структурно-фазовых превращений следует отнести смещение кинетических кривых в сторону пониженных температур относительно стандартных диаграмм состояния и аномально высокую скорость диффузионного переноса в направлении к поверхности трения [1]. В результате моделирования нестационарного температурного процесса, происходящего в поверхностных слоях, установлено возникновение пульсирующих термических ударов (ТУ), определенных морфологией трущихся поверхностей и вызывающих высокие давления (р≤2∙10¹⁰ ГПа) [2]. Расчеты показали, что ТУ является причиной отмеченных аномалий кинетики структурно-фазовых превращений [2].

Экспериментальные методы исследования диффузионных процессов и полиморфных превращений в поверхностной зоне трения – сфероионная микроскопия (EIM) и сканирующий туннельный микроскоп (CTM) используются для проникновения в суть поверхностной диффузии, но доминирующий механизм диффузии с их помощью не может быть идентифицирован.

Металловедческие исследования, основанные на обработке экспериментальных данных и рассматривающих металлы в континуальном приближении, только подтверждают возможность наличия различных механизмов диффузии, но не доказывают их существование.

В этой связи возникла необходимость в анализе механизмов диффузии на атомном уровне, то есть на уровне кристаллических решеток (среда дискретная). При таком подходе возможно осуществлять моделирование диффузионных процессов. Один из наиболее распространенных методов моделирования – это метод молекулярной динамики (ММД). Реализация данного метода связана с наличием программного обеспечения, включающего и подпрограммы ввода кристаллических решеток, и разработки потенциалов парного взаимодействия (ППВ). Наибольшую точность дают расчеты ППВ «из первых принципов» (ab initio), в том числе и квантово-химические методы. Однако, вследствие больших временных затрат они базируются на ограниченном количестве атомов (n<1000) и не могут быть перенесены на большие атомные системы. В этой связи в последние годы широко используются полуэмпирические методы, в частности, формализм метода «погруженного атома» (EAM). Дальнейшая процедура получения наблюдаемых физических величин (в частности, коэффициента диффузии D) состоит в статистической обработке (усреднении) функции диффузии в зависимости от микропеременных – координат атомов r(τ) и скоростей υ(τ) атомов системы (кристаллита).

Молекулярно-динамические расчеты проводились с помощью стандартного пакета программ XMD, основные характеристики которого описаны в работе [3]. Данный пакет программ позволяет проводить расчеты с циклическими или свободными граничными условиями в приближении многочастичного потенциала EAM. Для выполнения исследований были построены новые ППВ – EAM с использованием основополагающих принципов, изложенных в работе [4].

Объектом исследования являлась теплостойкая сталь 25Х3М3НБЦА с низкотемпературным карбонитридным покрытием (процесс никотрирования). Данная сталь используется для изготовления узлов автоматики стрелково-пушечного вооружения, работающих в условиях трения скольжения с ресурсным смазыванием.

Износостойкие свойства данной стали определяются, прежде всего, фазовым составом покрытия – никотрированного слоя толщиной 10 … 15 мкм. Рентгеноструктурный анализ показал наличие в данном слое следующих фаз: α-Fe (~40 %), Fe₃C (~15 %), ε-Fe₃N (~20 %), γ-Fe₄N (~15 %), ε-Fe₃(CN) (~10 %). В результате испытаний на износ выявлено, что произошло кардинальное изменение фазового состава: полностью исчезли карбидные, нитридные и карбонитридная фазы и образовались фазы из ингредиентов окружающей среды (O, S) и подслойной зоны поверхности трения (Mo, Si, S).

Рассмотрим методику применения ММД на примере фазы FeSi. С помощью программы моделирования был сформирован кристаллит фазы FeSi из 1000 атомов (Fe – 500 атомов; Si – 500 атомов). При вводе в программу в результате воздействия на структуру в виде ТУ атомы вначале проходят фазу термического возбуждения, а затем происходит непосредственно диффузионный процесс. На рис. 1 представлены исходная структура фазы FeSi (рис. 1,а) и собственно диффузионные процессы (рис. 1,б) под действием ТУ.

Рисунок 1. Расположение атомов в кристалле решетки фазы Fe—Si

(Т=800 К, Р=8,9 ГПа, n=1000 атомов):

а – исходное состояние; б – диффузия Fe и Si

 

Первоначально атомы Si перемещаются более активно, чем атомы Fe (рис. 1,б). При этом происходит как выход атомов Si из кристаллита в окружающую среду, так и их скопление непосредственно у поверхности трения. В дальнейшем атомы Si полностью покидают кристаллическую решетку. Из представленной схемы очевидно, что механизм диффузии является кооперативным (эстафетным), когда одновременно диффундирует большое количество атомов (n>30) и возможны их столкновения. Следовательно, можно утверждать, что отсутствует доминирующее влияние вакансионного механизма. Результаты расчетов показали, что коэффициенты диффузии находятся в диапазоне D = 10^-5 … 10^-6 м²/c, что соответствует экспериментальным данным.

Список литературы:

1. Маленко П.И. Температурные поля и эксплуатационные свойства пар трения скольжения со смазочным материалом / П.И. Маленко, В.К. Зеленко, Д.М. Левин; под ред. Ю.Н. Дроздова. – М.: Машиностроение, 2011. – 239 с.
2. Дроздов Ю.Н. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при трении скольжения / Ю.Н. Дроздов, П.И. Маленко // Трение и износ. – 2014. – Т. 35. – № 1. – С. 87-98.
3. Rifkin J. XMD Molecular Dinamics Program [Electronic resource] // University of Connecticut, Center for Materials Simulation, Storrs, CT, 2002. 104 P. URL: https://xmd.SourceForge.net/ (accessed: 18.02.2011).
4. Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities / M.I. Baskes // Physical Review В. – 1992. – V. 46. – № 5. – P. 2727-2742.[schema type=»book» name=»ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ АНАЛИЗА ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЕМ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ С РЕСУРСНЫМ СМАЗЫВАНИЕМ» author=»Маленко Павел Игоревич, Релмасира Капреси Джолан, Леонов Андрей Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-17″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]