Проведён анализ износостойкости композиционных TiN/AlN покрытий. Объектом исследования были многослойные 2D-нанокомпозиционные покрытия толщиной 0,8—4,0 мкм, нанесенные по вакуумной ионно-плазменной технологии на подложку из стали 40ХН2МА. Установлено, что в пределах каждого нитридного слоя покрытия содержит Ti:Al:N = 1:1:2 (ат. %). Структуру покрытий, морфологию дорожек трения, износ исследовали методом сканирующей электронной микроскопии. Твёрдость Н и модуль упругости Е покрытий определяли по стандартным методикам непрерывного индентирования, триботехнические характеристики (коэффициент трения m и объёмный износ J) — по схеме «шарик—диск» с круговой траекторией движения шарика-индентора. Анализ полученных данных позволил построить зависимость твёрдости покрытий от их элементного состава, а также показал, что механические характеристики и износостойкость покрытий, напыленных при более низкой температуре 300—350 °С, оказываются стабильно выше, чем напыленных при 400—450 °С. Установлено, что наибольшие значения износа J имеют покрытия с наименьшей толщиной. В связи с этим анализ влияния толщины покрытий d на их износостойкость проводили, привлекая расчётно-аналитическую модель, на основе которой построены диаграммы критических состояний покрытий TiN/AlN. Диаграммы позволили рассчитать критическое значение толщины покрытия d_min, при котором изменяется механизм износа. Получено, что при тонком покрытии (d < d_min), расположенном на более «мягкой» (пластичной) подложке, происходит ускоренный износ по абразивно-механическому механизму в силу прогиба и растрескивания покрытия. При относительно толстом покрытии (d ³ d_min) изнашивание происходит по механизму истирания, что для износостойких покрытий существенно продлевает срок службы.

Цель работы — определение наиболее рациональных условий и режимов синтеза Mo–S–Ti–C-покрытий на титановом сплаве ВТ5, обеспечивающих наилучшие триботехнические характеристики.

Покрытия наносили вакуумно-дуговым испарением катодов на модернизированной установке
ННВ-6.6-И1. Катоды изготавливали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Ассистирующее воздействии газоразрядной плазмы при нанесении покрытия обеспечивалось автономным плазменным источником с накалённым катодом. При этом варьировали потенциал смещения на подложке, время осаждения, состав рабочей газовой среды — аргон и/или смесь аргона с азотом в соотношении 1:1.

Установлено, что воздействие газоразрядной плазмы на покрытия обеспечивает 2—3-х кратное повышение их твёрдости. Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии выявлено наличие в катодах и в покрытиях элементов Mo, S и Ti, C, образующих сульфиды и твёрдые карбиды соответственно. Рентгеноструктурный анализ подтвердил синтез соединений по типу Mo₂S₃ и TiC и в катодах, и в покрытиях. Наиболее эффективный вариант покрытия, полученного с применением смеси аргона и азота содержит упрочняющую фазу TiN. Триботехнические испытания проводили при трении без смазочного материала. Установлено, что наиболее эффективный вариант покрытия с добавлением азота в плазме, по сравнению с исходным сплавом ВТ5, показал снижение коэффициента трения при нагрузке на контртело 1 Н — в 2 раза, при нагрузке 5 Н — в 3 раза; показатель износа в обоих случаях уменьшился на порядок и более. Таким образом, такой технологический способ обеспечивает формирование градиентно-слоистого покрытия и представляется перспективным для промышленного применения.

Изучено влияние скорости скольжения на эволюцию приповерхностной структуры и трибоокисление покрытия из быстрорежущей стали, армированном WC, при трении по стальному контртелу без смазочного материала.

Электронно-лучевые композиционные покрытия получали из смеси порошковой стали Р6М5 и WC. Трение покрытий исследовали в контакте с контртелом из стали ШХ15. Установлено, что структура покрытий представляет собой матрицу на основе γ+α' железа, армированную скелетообразными структурами из эвтектических карбидов. Наблюдали одновременное снижение коэффициента трения и скорости изнашивания покрытий при увеличении скорости скольжения от 0,8 м/с до 3,6 м/с. Это связано с трибохимическим образованием вольфраматов железа FeWO₄ и Fe₂WO₆ при скоростях скольжения 2,4 м/с и 3,6 м/с, что затем позволяет сформироваться поверхностному механически перемешанному слою, в состав которого, помимо вольфраматов железа, входят фрагменты карбидов и металлических частиц матрицы покрытия. Такая структура поверхности трения обеспечивает эффект твёрдой смазки, а также защищает нижележащие структуры покрытия от разрушения. Специфика такого механизма адаптации заключается в том, что он реализовывается при относительно низких скоростях скольжения, что соответствует максимальной расчётной температуре вспышки около 290 °С. Обнаруженный механизм трибологической адаптации должен способствовать успешному применению электроннолучевых композиционный покрытий WC/инструментальная сталь в различных отраслях промышленности.

Методом равноканального углового прессования и последующего отжига получили образцы меди М1 с различным структурным состоянием. Методами просвечивающей электронной микроскопии и металлографии исследовали структуру образцов до и после проведения испытаний на трение скольжения. В ходе испытаний на растяжение и наноиндентирования определили механические характеристики образцов. В процессе трения по схеме шарик—диск регистрировали коэффициент трения, вибрацию и акустическую эмиссию для выявления особенностей влияния структурного состояния материала на динамику трения. Метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии использовали для оценки износа.

Установлено, что увеличение числа проходов РКУП и отжиг несущественно, не более 8 %, влияют на коэффициент трения скольжения в паре сталь—медь. Показано, что увеличение числа проходов РКУП позволяет снизить износ меди М1 на 26—93 %. После отжига при температуре 200 °С дополнительно снижается износ, на 5—8 %, по сравнению с образцами без отжига. Отжиг при 300 °С приводит к увеличению износа на 37—65 %, по сравнению с образцами без отжига. Низкая пластичность и высокая твёрдость материала в сильнодеформированном состоянии приводят к формированию толстого приповерхностного слоя, состоящего из смеси окислившихся частиц износа, оксидов меди и фрагментов разрушенной поверхности трения. Отжиг при температурах 200 °С и 300 °С способствует менее выраженному разрушению поверхности образцов, а также окислению и смешиванию с частицами износа в более тонком приповерхностном слое. Полученные в работе результаты указывают на существенное влияние структурного состояния как на механические свойства, так и на особенности процесса трения скольжения и износа меди М1.

Механизмы деформации материалов, определяющие прочность бетона в строительных конструкциях, сложны. Параметры трения зависят от материала и конструкции, которые определяются физическими характеристиками бетонных композитов. Зона перехода между структурными элементами материала подвергается ограниченной деформации, вызывая изменение физических свойств в поверхностных слоях. Это явление выявляет неоднородность материала из-за действия внутренних и внешних факторов, которые в конечном итоге определяют его структурные характеристики.

 В исследовании используется усовершенствованный алгоритм метода множителей переменного направления для систематического получения характеристик и значений корреляции для различных образцов материалов. Благодаря внедрению факторов ограничений и протоколов количественной оценки неопределённости методология эффективно уменьшает количество предварительных предположений, учитывая при этом переменные функциональные связи. Анализ микромеханического моделирования совместно с экспериментальной проверкой, подтверждает техническую осуществимость и инновационное превосходство предлагаемого подхода. Сравнительные оценки в условиях циклического нагружения выявляют критические значения в трёх направлениях: потенциал сопротивления при циклическом нагружении, фрикционное поведение при различных реакциях скорости нагрузки и многопараметрические улучшения физических свойств. Разработанная методика демонстрирует превосходное улучшение характеристик бетона по сравнению с традиционными методами улучшения прочности. Она также эффективно ограничивает расширение повреждений от напряжений и усиливает устойчивость и безопасность фундаментной конструкции в условиях циклического нагружения.

Проведен анализ структурной модели композитов, разработанной для случая диспергирования наполнителей в расплаве полимеров. Показано, что применение выражения для определения нагруженности матрицы, характеризующего долю внешней приложенной нагрузки, приходящейся на матрицу, недостаточно для сравнительной оценки износостойкости разрабатываемых композитов при одинаковых концентрациях и средних размерах дисперсных наполнителей, но состоящих из различных материалов. Для уточнённой оценки износостойкости таких композитов предложен дополнительный критерий, учитывающий энергетическую характеристику взаимодействия матрицы и наполнителя на молекулярном уровне.  

Проведено компьютерное моделирование молекулярных структур полиэфирэфиркетона и двух его нанокомпозитов, содержащих фуллерен и наноразмерную медь, с определением модулей сдвига и энергий межмолекулярного взаимодействия в объёме исследуемых материалов и на границе раздела фаз матрица — наполнитель. Отмечено, что при введении нанонаполнителей повышаются значения модулей сдвига и объёмных энергий межмолекулярного взаимодействия. При этом наиболее существенное повышение, более чем в 2,5 раза, отмечено у величины энергии межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз матрица—наполнитель в композите, содержащем наномедь, по сравнению с композитом, содержащим фуллерен. Таким образом, этот параметр предложен в качестве дополнительного для оценки износостойкости нанокомпозитов на стадии их разработки.

Распространенным дефектом пружин является уменьшение их износостойкости вследствие изменения механических свойств проволоки по длине, в частности величины предела текучести, в том числе при трении в процессе эксплуатации пружины. По представленной математической модели напряженно-деформированного состояния пружины исследовано влияние изменения предела текучести проволоки на износостойкость пружины при контактном заневоливании. Построен график зависимости остаточной деформации пружины от предела текучести её материала для разных диаметров проволоки. Рассеивание значений предела текучести пружинной проволоки в мотке согласно ГОСТ 9389 «Проволока стальная углеродистая пружинная» может составлять до 200—250 МПа. Установлено, что при этом рассеивание деформации изготовленных пружин составит 11,76 % и превысит допустимые значения. Для пружин первой группы точности допустимые отклонения на рассеивание деформации ± 5 %, для пружин второй группы точности — ± 10 %. Получен график влияния изменения предела текучести проволоки по длине на рассеивание деформации пружины для нагрузки 140F₃ (F₃ — сила сжатия пружины до соприкосновения витков). Используя представленную методику и учитывая рассеивание деформации пружины в зависимости от изменения предела текучести проволоки по длине, в том числе вследствие трения при эксплуатации, можно значительно уменьшить процент брака при изготовлении и повысить износостойкость винтовых цилиндрических пружин сжатия.

Изучение содержания ферромагнитных частиц износа в отработанном моторном масле позволяет судить о степени износа трущихся деталей двигателя. В данной работе описывается новый метод определения фракционного состава системы ферромагнитных частиц износа в отработанном моторном масле, основанный на кинетике седиментации частиц в поле силы тяжести и аппаратурном времени поперечной релаксации ЯМР протонов углеводородов полидисперсной суспензии. В отличие от традиционного седиментационного анализа методом непрерывного взвешивания, в предлагаемом способе используется метод непрерывного измерения времени ЯМР релаксации Т₂^*. Предполагается, что взвешенные частицы увеличивают неоднородность магнитного поля магнита релаксометра и аппаратурное время спин-спиновой релаксации пропорционально массе осадка.

Получено аналитическое выражение распределения по размерам частиц и для наиболее вероятного эквивалентного радиуса для математической модели седиментационной кривой. Исследованы две физические модели частиц железа разных размеров, внесенных в свежие моторные масла. Показано, что при одной и той же концентрации железа в масле частицы мелких размеров делают магнитное поле более неоднородным, чем крупные частицы. Исследована кинетика изменения времён релаксации Т₂^* в процессе седиментации. Установлено, что при седиментации ферромагнитных частиц, времена спин-решёточной Т₁ и спин-спиновой Т₂ релаксации остаются неизменными. Для получения распределения ферромагнитных частиц все необходимые преобразования массива данных Т₂^*(t) выполнялись численно. Показано, что в отличие от одномодальных распределений для модельных образцов свежих масел с частицами железа, отработанное 420 часов масло M-10G2CS даёт распределение в широкой полосе радиусов от 3 мкм до 11 мкм. Распределения радиусов частиц в маслах Shell Rimula 15W40, отработанных 250 часов и 500 часов, как и следовало ожидать, подобны, но процентное содержание фракций в масле, отработанном 250 часов меньше, чем в масле, отработанном 500 часов. Характер этих распределений иной, чем у масла M-10G2CS (420 часов). Возможности предлагаемого метода для высокодисперсных систем ограничены очень медленным оседанием наноразмерных частиц в гравитационном поле.

Полученные в данной работе результаты могут быть полезны для дисперсионного анализа любых органических суспензий, содержащих микроразмерные ферромагнитные частицы.

В настоящее время качество абразивного инструмента оценивают, как правило, непосредственно в производственных условиях предприятия потребителя продукции, что сопряжено с методическими трудностями, затратами времени и зачастую недостаточной объективностью контроля, ввиду невозможности анализа большой выборки испытуемых кругов. Отсутствие современных методов и средств контроля технологии при производстве инструмента не гарантирует стабильности его качества, в том числе и по параметру износостойкости, который предопределяет стойкость и коэффициент шлифования круга.

Цель работы — изыскание возможности экспресс-контроля качества абразивного инструмента из электрокорундового материала по критерию относительной износостойкости.

Проведены испытания и получены результаты износостойкости и энергоэффективности шлифования различных образцов абразивных кругов методом истирания о контртело.

Показано, что использование модернизированного прибора «Шлиф-3» позволяет провести экспресс-контроль качества абразивного инструмента, включая определение относительной износостойкости. Установлена корреляционная связь указанного показателя с эксплуатационными и технологическими характеристиками инструмента.