temperatura in temperaturni gradient med fretting preizkusom c in cr jekla temperature and temperature gradient during the fretting test on c and cr steel prof franc vodopivec institut za kovinske materiale in tehnologije ljubljana lepi pot j vizintin fakulteta za strojnistvo ljubljana pri fretting preizkusu je material izpostavljen obrabi pri majhni amplitudi in veliki frekvenci zaradi specificnih pogojev preizkusa nastajajo mikroskopsko majhne tocke torne preobremenitve v katerih mocno zraste temperatura toplota se mocno siri po torni povrsini in nastajajo veliki temperaturni gradienti pri primernih pogojih preizkusa nastane tako imenovana bela faza za katero smo na osnovi mikrostrukture ugotovili da je izlocilno utrjeni avstenit sodec po mikrostrukturi lokalna temperatura presega stopinj c temperaturni gradient ob povrsini trenja pa presega stopinj c mm predlozen je geometricni model dogajanja ob tej povrsini kljucne besede jeklo fretting obraba amplituda bela faza temperatura at the fretting test the material is submitted to wear by small amplitude and high frequency the temperature is strongly increased in small islands which grow at greater amplitude by coalescence the generated heat is rapidly dissipated on the worn surface and a great temperature gradient is formed toward the bulk of the specimen by appropriate test conditions a white phase is formed which was identified as precipitation hardened austenite the microstructure also indicates that in the white phase the temperature is above degrees c while the temperature gradient toward the bulk of the specimen is above degrees c mm a geometrical model of the process on the worn surface as well as the explanation of the effect of amplitude on the wear coefficient are proposed key words steel fretting wear amplitude white phase temperature uvod toplotna energija ki jo proces trenja vnasa v kovino lahko bistveno spremeni mehanizem in kolicino obrabe vedenje kovin je namrec razlicno ce temperatura ne dosega ali pa dosega mejo ki povzroca spremembe v zacetni mikrostrukturi in lastnostih materiala ze vecje spremembe nastopijo pri obrabi in v vrednosti koeficienta trenja ze temperatura zraste nad mejo ko hitro mehcanje preprecuje deformacijsko utrditev fretting je proces obrabe pri majhni amplitudi visokih frekvencah in reciprocnem gibanju srecujemo ga pri visokofrekvencnih hidravlicnih napravah v kroglicnih lezajih in drugih strojnih elementih in sklopih pri zadostnem segrevanju zaradi trenja je tudi iznicen koristen vpliv maziva ker se karbonizira ali celo oksidira zato je evolucija koeficienta trenja odvisna od zacetnih pogojev hertzov tlak hrapavost povrsine mazivo pa tudi od spremembe mikrostrukture in lastnosti materiala med procesom obrabe v tem delu zelimo predstaviti spremembe ki nastanejo med fretting preizkusom jekla z c in cr poudarek bo na geometricnem modelu nastanka bele faze ter na temperaturi in temperaturnem gradientu ki sta znacilna za njen obstoj med preizkusom kaljivih jekel delo je nadaljevanje predstavitve eksperimentalnih dognanj in razprave o njih v virih v teh delih so opisane geometrija in velikost poskodb na obrabljenem mestu predlozna in podprta je razlaga narave in mehanizma nastanka bele faze in predstavljene so literaturne navedbe o segrevanju materiala med fretting preizkusom eksperimentalno delo pri fretting preizkusu se kroglica giblje izmenicno na ravni povrsini oboje je bilo pri nasem delu iz jekla za kroglicne lezaje z c in cr ki je bilo poboljsano na enako trdoto hrc preizkusni pogoji so bili naslednji sila na kroglico n frekvenca hz zacetna preizkusna temperatura stopinj c stevilo ciklov zrak in amplituda od do mikrometrov sila ki se je preko kroglice prenasala na preizkusanec je bila izracunana za elasticno podajanje na ravnem vzorcu smo plast za plastjo debeline nekaj mikrometrov odbrusili in mikrostrukturo pregledali v opticnem in rastrskem elektronskem mikroskopu evolucija mikrostrukture pri vecanju amplitude povrsinska gostota toplote ki jo ustvarja trenje je odvisna od hertzovega tlaka sile na enoto povrsine in frekvence ki sta bila pri preizkusih konstantna in od amplitude nihanja ki je bila vecja od preizkusa do preizkusa rast amplitude so spremljale spremembe mikrostrukture enake narave rastla sta le povrsina in prostornina prizadetega jekla pri najmanjsi amplitudi mikrometrov smo nasli na kontaktni povrsini le majhen otocek bele faze v sredini polja obrabe slika za to fazo je bilo dokazano da je zaostali avstenit disperzijsko utrjen s karbidnimi precipitati z velikostjo pod mikrometrov slika mikrostruktura te faze se mocno razlikuje od zacetne mikrostrukture jekla ki je iz nizko popuscenega martenzita z izrazitim habitusom in iz sekundarnih karbidnih izlockov z velikostjo nad mikrometra slika razlikuje se tudi od mikrostrukture v polju obrabe ki je odvisna od lokalne temperature ter je v blizini otoka bele faze iz ferita sekundarnih karbidnih izlockov in precipitatov nastalih pri visokotemperaturnem popuscanju martenzita slika v nobenem primeru nismo nasli okoli otokov bele faze mikrostrukture ki bi dokazovala da je bilo jeklo v dvofaznem alfa beta podrocju temperature je pa bila taka mikrostruktura najdena na istem jeklu ki je bilo preizkusano v mnogo bolj ostrih pogojih mikrostruktura pove da je bilo jeklo v blizini polja bele faze segreto na temperaturo blizu tocke ac ki je za to jeklo stopinj c pri vecji amplitudi mikrometrov najdemo v polju obrabe stevilne otocke bele faze slika ponekod je ohranjen habitus martenzita se tik ob beli fazi slika kar kaze da tu temperatura jekla ni presegla stopinj c pri najvecji amplitudi mikrometrov je nastalo le eno veliko polje bele faze slika ki ima enako mikrostrukturo kot pri majhni amplitudi slika in se ostro loci od matriksa ki podobno kot na sliki ohranja martenzitni habitus trdota bele faze je do hv kar je za priblizno hv nad zacetno trdoto jekla podobne karbidne izlocke kot so na sliki smo nasli v zaostalem avstenitu v mikrometrov velikem zrnu iz jekla z c in cr ki je bilo izdelano z vodno atomizacijo teoreticno hitrost strjevanja takega zrna je x do x stopinj c s kar kaze da je hitrost ohlajanja bele faze po koncanem preizkusu zelo velika na vseh preizkusancih je velikost otockov bele faze v ravnini kontakta mnogo vecja od njihove globine slika to seveda kaze da proces trenja in obrabe omogocata predvsem rast bele faze v kontaktni ravnini zelo pomembna za razlago procesa nastanka bele faze je njena ostra meja proti mikrostrukturi jekla pod njo mikrostruktura bele faze je lahko nastala le ce se je jeklo v njej segrelo nad temperaturo stopinj c ki je potrebna da se v avstenitu raztopijo zrna sekundarnih karbidov ker je bilo jeklo pod poljem bele faze najvec pri ac temperaturi je mogoce sklepati da je bil temperaturni skok na notranji meji bele faze vsaj stopinj c tak skok lahko nastane le ce je na meji med belo fazo in mikrostrukturo pod njim nek ponor toplote ki nastaja na kontaktni povrsini generacija toplote med obrabo fretting in model obrabe dejstvo da najdemo belo fazo ki je znak za najbolj vroca mesta na kontaktni povrsini v obliki otockov z razlicno velikostjo od nekaj do vec kvadratnih mikrometrov pove da se toplota ustvarja v zacetku preizkusa na zelo majhnih sticnih mestih ta mesta so lahko vrsicki na hrapavi povrsini ali obrabni delci ki so se med obrabo s povrsine odtrgali in so ostali na kontaktni povrsini vecji otok bele faze nastane z lateralno rastjo in koalescenco manjsih lateralno rast bele faze na kontaktni povrini sestavljata dva procesa nadaljevanje obrabe ki veca kontaktno povrsino ter gnetenje in sploscanje jekla ki je v beli fazi zelo plasticno na trsi in bolj hladni podlagi lateralna rast bele faze je zato mnogo hitrejsa od globinske poizkusimo sedaj na osnovi empiricnih ugotovitev in sprejemljivih predpostavk oblikovati model dogajanja na kontaktni povrsini ki bi nam razlozil nastanek in rast polj bele faze sticna ploskev obeh kontaktnih teles je hrapava in jo karakterizirajo vrsicki z razlicno visino slika realna sticna povrsina je torej manjsa od idealne hertzov tlak je bil izracunan za elasticno podajanje vendar je logicno sklepati da se na sticnih vrsickih jeklo tudi plasticno deformira in stlaci v zacetku procesa srecamo nizkotemperaturne mehanizme obrabe plasticna deformacija sticne povrsine pa ustvarja toploto zaradi katere raste temperatura na sticnih mestih najprej preko meje deformacijske utrditve in nato do meje potrebne za nastanek bele faze pri drugih konstantnih pogojih je kolicina toplote ki nastaja na sticni povrsini sorazmerna z dolzino poti trenja torej pri enaki frekvenci z velikostjo amplitude hertzov tlak amplituda in frekvenca so pri preizkusu konstantni in ce ne bi rastla temperatura bi bila prostornina plasticne deformacije konstantna kolicina bele faze raste sorazmerno s kvadratom linearne velikosti polj bele faze p f r rast v globino pa je obratno sorazmerna s kvadratom linearne velikosti bele faze tudi visja temperatura bele faze tega razmerja med hitrostjo ploscinske in globinske rasti otokov bele faze ne spremeni kar si razlagamo kot veliko razmerje med velikostjo na torni povrsini in globino otockov bele faze hitrost lateralne rasti otockov bele faze se med preizkusom zmanjsuje zato ker jo spremlja pojav novih sticnih tock kot je shematicno prikazano na sliki bela faza je zaradi visoke temperature zelo gnetljiva zadnji rezultati nakazujejo celo na moznost da je v testastem stanju na preizkusancu iz iste vrste jekla ki je bil izpostavljen preizkusu fretting v pogojih mocnejsega trenja in je temu ustrezno nastalo dovolj bele faze s podobno mikrostrukturo kot na sliki smo belo fazo nasli tudi v obliki kapljic ki so bile narinjene na rob cevastega valjastega preizkusanca slika trenje na otockih bele faze je majhno zaradi njene velike gnetljivosti med preizkusom se zato veliko trenje ohranja predvsem zaradi nastanka novih kontaktnih mest za razumevanje procesa nastanka in obstoja bele faze je potrebna sprejemljiva razlaga kako in zakaj se ta faza ohranja v tanki plasti in kaj je vzrok za skokovito zmanjsanje temperature na njeni meji z jeklom ki je ostalo pod ac temperaturo pri razlagi temperaturnega skoka izhajamo iz predpostavke da je jeklo v beli fazi v testastem stanju ali je vsaj zelo lahko gnetljivo in se zato zaradi delujocega herzovega tlaka plosci na trsi podlagi v tanko plast za pretvorbo iz mikrostrukture iz disperzije razlicno velikih karbidnih precipitatov v alfa fazi v homogen avstenit in alfa gama premeno je potrebna energija termodinamicni izracun ki uposteva tvorbeno in topilno toploto karbida povecanje entropije in entalpijo alfa gama premene pokaze namrec da je skupni proces endotermen za nastanek bele faze se torej porablja toplota vir te toplote je seveda trenje na kontaktni ploskvi mozna povrsinska rast izkljucuje pomemben vpliv lateralnega ogrevanja upostevajoc vse zapisano je utemeljena predpostavka da je vzrok temperaturnega skoka na notranji meji bele faze trojen ponor toplote mehanicno ploscenje in majhen odvod toplote z mejne povrsine dejstvo da je velikost plasti bele faze v ravnini kontakta mnogo vecja kot globina kaze na to da je ustvarjanje toplote v polju trenja relativno majhno neprimerljivo manjse od energije ki se jeklu dovaja npr pri kaljenju povrsine na osnovi sprememb mikrostrukture predpostavljamo da je porazdelitev temperature v podrocju toplotnega vpliva trenja taka kot jo shematicno prikazuje slika sirina pasu s popusceno mikrostrukturo je tem ozja cim vecja je amplituda frettinga ker se v tem primeru sorazmerno manj energije porabi za nastanek bele faze in ker je zaradi manjsega trenja manjse nastajanje toplote model omogoca enostavno razlago zakaj pri povecanju amplitude raste povrsina bele faze ocitno je da so pri povecanju amplitude pogoji za pogostejsi kontakt med kontaktnimi mesti kjer bela faza nastaja kot shematino prikazuje slika rast povrsine bele faze pri povecani amplitudi je torej dokaz da imata zelo pomembno vlogo v procesu na kontaktni povrsini tudi koalescenca in ploscenje te faze v tanko plast opisani model omogoca enostavno razlago zakaj je pri konstantnih pogojih preizkusanja polje poskodbe najbolj globoko abradirana najvecja kolicina materiala pri amplitudi mikrometrov in zakaj se koeficient obrabe zmanjsuje pri povecanju amplitude nad to mejo slika obraba v zacetku raste z amplitudo ko pa se zaradi nastajanja toplote mocneje spreminjajo lastnosti jekla se zacne zmanjsevati koeficient trenja razmere pa se bistveno spremenijo ko nastane dovolj bele faze na tej ki je lahko gnetljiva verjetno pa tudi testasta je trenje najmanjse pri poveanju amplitude bela faza nastane hitreje in v vecji kolicini rezultat pa je zmanjsanje povprecne vrednosti koeficienta trenja ta je namrec relativizirana vsota dveh razlicnih koeficientov trenja manjsega na poljih bele faze in vecjega na kontaktni povrsini kjer te faze ni sklepi v delu so na kratko povzeti rezultati mikrostrukturnih preiskav po fretting preizkusih jekla z c in cr ti preizkusi kazejo da na kontaktnih mestih nastajajo otocki bele faze ki je na temperaturo okoli stopinj c segret homogen avstenit in da je na njeni meji do popuscene mikrostrukture jekla temperaturni skok stopinj c ali celo vecji na osnovi narave bele faze morfologije njenega nastanka in kolicine te faze ki raste ce se pri konstantnem hertzovem tlaku in frekvenci povecuje amplituda je bil predlozen geometricni model dogajanj na kontaktni povrsini ob prisotnosti bele faze bela faza je zelo gnetljiva in je na njej trenje manjse kot na hladnejsih delih kontaktne povrsine zato se povprecni koeficient trenja zmanjsuje ko raste na kontaktni povrsini delez bele faze z vecanjem amplitude pri konstantni frekvenci in herzovem tlaku pred nastankom bele faze ima povecanje amplitude frettinga nasproten ucinek koeficient trenja in velikost poskodbe na kontaktnem mestu rasteta z rastjo amplitude lateralna rast bele faze ki pri zadostnih amplitudah privede do koalescence posamicnih otockov je deloma posledica rasti kontaktne povrsine zaradi nadaljevanja procesa obrabe deloma pa sploscenja zaradi njene velike gnetljivosti rast polj bele faze v globino je omejena zaradi hitrejse lateralne rasti manjsega nastajanja toplote zaradi trenja in porabe toplote za pretvorbo mikrostrukture iz alfa faze in karbidnih precipitatov v homogeni avstenit oba pojava predvsem pa ponor toplote na notranji meji sta vzrok za temperaturni skok na tej meji viri j vizintin f vodopivec kovine zlitine tehnologije f vodopivec j vizintin b sustarsic effect of fretting amplitude on the microstructure of a c and cr steel sprejeto v objavo v materials science and technology j vizintin m kalin b podgornik f vodopivec sprejeto v objavo v 'tribotest' g berger la dilatometrie difiren tielle appliquie a l'itude des aciers zal dunod paris