李, 海江

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

滑り接触面のスカッフィング過程における表面と表 面層の変化の観察

李, 海江

https://doi.org/10.15017/1441234

出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：Fulltext available.

（様式 3)

氏 名 ： 李 海 江 、

論文題名 :  OBSERVATION OF SURFACE AND SUBSURFACE CHANGES DURING  SCUFFING IN SLIDING CONTACT 

（滑り接触面のスカッフィング過程における表面と表面層の変化の観察）

区 分 ：甲

論 文 内 容 の 要

S c u f f i n g  i s   a  c a t a s t r o p h i c  and o f t e n  u n p r e d i c t a b l e  f a i l u r e  o f  f r i c t i o n a l  s u r f a c e s  d u r i n g  s l i d i n g  o r  r o l l i n g   c o n t a c t .   I t   i s   o f t e n  c h a r a c t e r i z e d  by a b r u p t  i n c r e a s e s  i n  t e m p e r a t u r e ,  f r i c t i o n ,  wear r a t e ,  n o i s e  a n d  v i b r a t i o n ,   a n d  a l s o  by s u d d e n  c h a n g e s  i n  e l e c t r i c a l  r e s i s t a n c e  o f  t h e  c o n t a c t .   S c u f f i n g  i s   a  f u n d a m e n t a l  t r i b o l o g i c a l   i s s u e  which g o v e r n s  t h e  u l t i m a t e  p e r f o r m a n c e  o f  machine components s u c h  a s  g e a r  t e e t h ,  p i s t o n  r i n g s  and  c y l i n d e r  p a i r s ,   cams a n d  f o l l o w e r   s y s t e m s ,   s p l i n e s   a n d  s l e e v e   b e a r i n g s .   As a n  i m p o r t a n t  t r i b o l o g i c a l   phenomenon, s c u f f i n g  h a s  a t t r a c t e d  e x t e n s i v e  r e s e a r c h  i n t e r e s t s  d u r i n g  t h e  p a s t  s e v e r a l  d e c a d e s .  However,  t h e  u n d e r l y i n g  mechanism o f  s c u f f i n g  i s   s t i l l  i n s u f f i c i e n t l y  u n d e r s t o o d .  

T h i s  s t u d y  a i m s  t o  g a i n  a  d e e p e r  u n d e r s t a n d i n g  o f  s c u f f i n g  m e c h a n i s m .  To s t u d y  t h e  p r o c e s s  o f  s c u f f i n g   e x p e r i m e n t a l l y ,  a  c o n c e n t r a t e d  s l i d i n g  c o n t a c t  was made b e t w e e n  a  s t a t i o n a r y  s t e e l  b a l l  o f  SUJ2 s t e e l  a n d  a  r o t a t i o n a l   s a p p h i r e  d i s c  u n d e r  l u b r i c a t e d  o r  d r y  c o n d i t i o n s .   S c u f f i n g  of t h e   s t e e l   was made t o   o c c u r  a t   i n c r e a s e d  n o r m a l  l o a d  a n d  s l i d i n g  s p e e d .  I n ‑ s i t u  v i s u a l  o b s e r v a t i o n s  were c o n d u c t e d  t o  o b s e r v e  d i r e c t l y  t h e   s u r f a c e  c h a n g e s  a l o n g  t h e  s c u f f i n g  p r o c e s s .  A f t e r  t h e  s l i d i n g  t e s t s  w i t h  i n ‑ s i t u  o b s e r v a t i o n ,  t h e  worn s u r f a c e ,   wear p a r t i c l e s  a n d  s u b s u r f a c e  o f  t h e  c o n t a c t  were f u r t h e r  o b s e r v e d  u s i n g  v a r i o u s  a n a l y t i c a l  i n s t r u m e n t s .  

Major f i n d i n g s  o f  t h i s   s t u d y  a r e  a s  f o l l o w s :  I n  t h e  i n i t i a l   s t a g e  o f  s c u f f i n g ,  f i n e  wear p a r t i c l e s  t e n d  t o   a g g l o m e r a t e  a t  l o c a l  c o n t a c t  a r e a .  The a g g l o m e r a t i o n  c a u s e s  l o a d  c o n c e n t r a t i o n  a n d  t h e r m a l  s o f t e n i n g  o f  t h e   l o c a l  s t e e l ,  which s e r v e s  a s  t h e  i n i t i a l  t r i g g e r  f o r  s c u f f i n g .  The f i n a l  s t a g e  o f  s c u f f i n g  o c c u r s  a s  s e v e r e  p l a s t i c   f l o w  o f  t h e  s t e e l  s u r f a c e ,  which i s   i n i t i a t e d  a t  t h e  a r e a  o f  a g g l o m e r a t e d  p a r t i c l e s .  The s e v e r e  p l a s t i c  f l o w   o c c u r s  w i t h i n  a  t h i n  l a y e r  o f  a  few t e n s  o f  m i c r o m e t e r s  b e n e a t h  t h e  s c u f f e d  s u r f a c e .  As s c u f f i n g  f u r t h e r   c o n t i n u e s ,   t h e   s e v e r e  p l a s t i c   f l o w  l a y e r  t u r n e d  i n t o   a  l i g h t   l a y e r .   The c h a n g e s  i n   c r y s t a l   s t r u c t u r e   and  h a r d n e s s  a l o n g  t h e  s u b s u r f a c e  i n d i c a t e  t h a t  c o n c e n t r a t e d  h e a t i n g  o c c u r s  w i t h i n  t h e  s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  l a y e r   a n d  t h e  l i g h t  l a y e r .  A d i a b a t i c  s h e a r  i n s t a b i l i t y  i s   a n  i m p o r t a n t  mechanism f o r  t h e  s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  a t  t h e   f i n a l  s t a g e  o f  s c u f f i n g .  

The t h e s i s  i s  o r g a n i z e d  i n t o  s i x  c h a p t e r s :  

C h a p t e r  1  i s   t h e  i n t r o d u c t i o n  o f  t h i s  s t u d y ,  which i n c l u d e s  a n  i n t r o d u c t i o n  o f  t h e  s c u f f i n g  phenomenon, a  r e v i e w  o f  t h e  e x i s t i n g  m o d e l s  o f  s c u f f i n g ,  and t h e  o b j e c t i v e  and c o n t e n t s  of t h i s  s t u d y .  

C h a p t e r  2  d e s c r i b e s  o b s e r v a t i o n  a n d  a n a l y s i s  o f  s u r f a c e  c h a n g e s  i n  s c u f f i n g ,  i n c l u d i n g  i n ‑ s i t u  a n d  e x ‑ s i t u  

o b s e r v a t i o n .  The i n s t a n t a n e o u s  c h a n g e s  a t  t h e  c o n t a c t  i n t e r f a c e s  were r e v e a l e d  by i n ‑ s i t u  v i s u a l  o b s e r v a t i o n .  

I n ‑ s i t u  c o n t a c t  i m a g e s  were i n t e g r a t e d  w i t h  f r i c t i o n  m o n i t o r i n g  a n d  wear volume m o n i t o r i n g ,  t h u s  p r o v i d i n g  

a  r e a l ‑ t i m e  e v a l u a t i o n  o f  t h e  s c u f f i n g  p r o c e s s .  A

e rt h e  i n ‑ s i t u  o b s e r v a t i o n ,  t h e  worn s u r f a c e s  were  u r t h e r  

examined w i t h  a n  o p t i c a l  m i c r o s c o p e ,  SEM, EDX  a n d  a  s u r f a c e  p r o f i l o m e t e r .   I t   was f o u n d  t h a t  s e v e r e  p l a s t i c   f l o w ,  accompanied by r a p i d  i n c r e a s e  i n  f r i c t i o n  and d r a s t i c  e x p a n s i o n  of c o n t a c t  a r e a ,  o c c u r r e d  a t  t h e  f i n a l   s t a g e  o f  s c u f f i n g .  The s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  a r e a s  moved r a p i d l y  o v e r  t h e  c o n t a c t  a r e a  d u r i n g  s c u f f i n g .  At t h e   a r e a   o f  s e v e r e  p l a s t i c   f l o w ,   t h e   r a t e   o f  h e a t  g e n e r a t i o n  seemed t o   be f a r   l a r g e r  t h a n  t h e  r a t e   o f  h e a t   d i s s i p a t i o n .  

C h a p t e r  3  d e s c r i b e s  o b s e r v a t i o n  and a n a l y s i s  on t h e  r o l e  o f  wear p a r t i c l e s  i n  t h e  s c u f f i n g  phenomenon. 

I n ‑ s i t u  o b s e r v a t i o n  o f  f r i c t i o n a l  a r e a s  was c o n d u c t e d  t o   u n d e r s t a n d  t h e  b e h a v i o r  o f  wear p a r t i c l e s  i n  t h e   s c u f f i n g  p r o c e s s .  The s h a p e  a n d  c o m p o s i t i o n  o f  t h e  wear p a r t i c l e s  b o t h  p r i o r  t o  a n d  a f t e r  s c u f f i n g  i n i t i a t i o n   were o b t a i n e d .  The p r o f i l e ,  c o m p o s i t i o n ,  and m i c r o ‑ h a r d n e s s  of t h e  s t e e l  s u r f a c e  p r i o r  t o  s c u f f i n g  i n i t i a t i o n   were a l s o   o b t a i n e d  w i t h  s p e c i a l   i n t e r e s t s   on p r o p e r t i e s  o f  t h e  p a r t i c l e  a g g l o m e r a t e s  formed on t h e  s t e e l   s u r f a c e .   I t   was f o u n d  t h a t  s c u f f i n g  was i n i t i a t e d  a t   t h e  a r e a  o f  a g g l o m e r a t e d  wear p a r t i c l e s .   P r i o r  t o   t h e   s c u f f i n g   i n i t i a t i o n ,   t h r e e   t y p e s   o f  wear p a r t i c l e s   were  f o u n d .   The t y p e   o f  wear p a r t i c l e s   t h a t   was  c h a r a c t e r i s t i c   o f   s c u f f i n g   was  a l s o   f o u n d .   Wear p a r t i c l e s   i n f l u e n c e d   t h e   i n i t i a t i o n   o f   s c u f f i n g   v i a   a g g l o m e r a t i o n ,  s c r a t c h  a n d  l u b r i c a n t  s t a r v a t i o n .   The a g g l o m e r a t i o n  o f  f i n e  p a r t i c l e s ,   which c a u s e d  l o a d   c o n c e n t r a t i o n  a n d  t h e r m a l  s o f t e n i n g  o f  t h e  l o c a l  s t e e l ,  s e r v e d  a s  t h e  major e f f e c t  i n  t h e  s c u f f i n g  i n i t i a t i o n .  

C h a p t e r  4  d e s c r i b e s  m e t a l l o g r a p h i c  o b s e r v a t i o n  of t h e  s u b s u r f a c e  d e f o r m a t i o n  a n d  s t r u c t u r a l  c h a n g e s  o f   t h e   s t e e l   i n d u c e d  by s c u f f i n g .   S l i d i n g   t e s t s   were c o n d u c t e d  u n d e r  d i f f e r e n t   s l i d i n g   s p e e d s   and l o a d s ,   p r o d u c i n g  d i f f e r e n t  wear s t a t e s  o f  s c u f f i n g ,  m i l d  wear and s t e a d y  s t a t e  d r y  s l i d i n g .  C r y s t a l l o g r a p h i c  c h a n g e s   due t o  h e a t  a n d  d e f o r m a t i o n  i n  t h e  s u b s u r f a c e  were o b s e r v e d  f o r  t h e  t h r e e  wear s t a t e s .  The c h a n g e  i n  s h e a r   r e s i s t a n c e  o f  t h e  s u b s u r f a c e  was c h a r a c t e r i z e d  by v a r i a t i o n  i n  m i c r o ‑ h a r d n e s s  a l o n g  t h e  d e p t h  n o r m a l  t o  t h e   worn s u r f a c e s .  The c o m p o s i t i o n a l  c h a n g e s  i n d u c e d  by s c u f f i n g  were r e v e a l e d  by EDX a n d  XRD.  I t   was  f o u n d  t h a t  t h e  s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  d u r i n g  s c u f f i n g  o c c u r r e d  w i t h i n  a  t h i n  l a y e r  o f  a  few t e n s  of m i c r o m e t e r s   i n  t h e  s u b s u r f a c e .  The s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  l a y e r  t u r n e d  i n t o  a  l i g h t  l a y e r  a s  s c u f f i n g  

r t h e rc o n t i n u e d .  The  c r y s t a l  g r a i n s  o f  t h e  s e v e r e  p l a s t i c  f l o w  l a y e r  a n d  t h e  l i g h t  l a y e r  became g r e a t l y  r e f i n e d  o r  e v e n  f e a t u r e l e s s .   R e t a i n e d  a u s t e n i t e  c o u l d  be d e t e c t e d  w i t h i n  t h e  l i g h t  l a y e r  a f t e r  s c u f f i n g  t e s t s ,  which i n d i c a t e d  t h e  l e v e l  o f   t e m p e r a t u r e  r i s e  d u r i n g  s c u f f i n g .  Below t h e  l i g h t  l a y e r  was a  d a r k  z o n e ,  which d i d  n o t  e x p e r i e n c e  l a r g e   p l a s t i c  d e f o r m a t i o n  b u t  seemed t o   e x p e r i e n c e  t e m p e r i n g  p r o c e s s  d u r i n g  s c u f f i n g .  The s e v e r e  p l a s t i c  f l o w   l a y e r  and t h e  l i g h t  l a y e r  showed c o n c e n t r a t e d  h e a t i n g  d u r i n g  s c u f f i n g .  F o r m a t i o n  o f  s u c h  a  t h i n  l a y e r  o f   c o n c e n t r a t e d  s t r a i n  a n d  h e a t i n g  was a s c r i b e d  t o  a d i a b a t i c  s h e a r  i n s t a b i l i t y .  

C h a p t e r  5  s u g g e s t s  a  model o f  t h e  s c u f f i n g  p r o c e s s ,  which i n c o r p o r a t e s  m a j o r  f i n d i n g s  o f  t h i s  s t u d y .  Some  s u g g e s t i o n s  f o r  f u t u r e  work a r e  a l s o  p r e s e n t e d .  

C h a p t e r  6  c o n c l u d e s  t h i s  s t u d y .