Mechanism of a white layer formation as a result of tribological contacts

• Autorzy: Krawczyk J.

Warianty tytułu

PL

Mechanizm tworzenia się białej warstwy w wyniku kontaktu tribologicznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

On the bases of the reference data as well as the presented author's own investigations the concept of the main assumptions of the so-called white layer formation is proposed in the paper. It is the surface layer difficult for etching and of a very high hardness. The presented investigation results concern seventeen examples of materials on the ferrous matrix on which an occurrence of the white layer was found either after exploitation or after tribological tests. It is indicated that conditions specially favourable for the white layer formation occurs when the tool is in contact with the material heated to high temperatures (e.g. during hot-forging of steel elements). Examples of the white layer formation on: railway rails, mill rolls, equipment (guide) mill rollers and die elements were given. The review of various morphologies of this layer was also presented. On the basis of the theory of tempering of the previously fonned white layer the formation of band systems within the white layer zone was explained. The example of the white layer microstructure together with the concept of its phase composition was presented. The hardness measurement results of the white layer are given. In dependence on the material and tribological contact conditions they are equal from app. 800 to app. 1400 HV. The obtained results indicate that the possible (the most probable) mechanism of the white layer formation is as follows: very fast heating to a high temperature (corresponding with the austenite range), accompanied with a strong deformation (defecting) of the crystal structure, followed by an immediate cooling, usually to the ambient temperature.

PL

W pracy na podstawie danych literaturowych i zaprezentowanych badań własnych zaproponowano koncepcję głównych założeń mechanizmu tworzenia się tzw. białej warstwy. Jest to trudnotrawiąca się warstwa wierzchnia o bardzo dużej twardości. Prezentowane wyniki badań odnoszą się do siedemnastu przykładów materiałów na osnowie żelaza, na których po eksploatacji lub testach tribologicznych stwierdzono występowanie białej warstwy. Wskazano, że szczególnie korzystne warunki do powstawania białej warstwy występują, gdy narzędzie ma kontakt z nagrzanym do wysokiej temperatury materiałem (np. podczas kucia na gorąco elementów stalowych). Zaprezentowano przykłady tworzenia się białej warstwy na: szynach kolejowych, walcach hutniczych, rolkach osprzętowych i elementach matryc. Przedstawiono przegląd różnych morfologii białej warstwy. Na podstawie teorii odpuszczania wcześniej utworzonej białej warstwy, wyjaśniono tworzenie się układów pasmowych w obrębie białej warstwy. Zaprezentowano przykład mikrostruktury białej warstwy, przestawiając koncepcję jej składu fazowego. Podano wyniki pomiarów twardości białej warstwy. Wynosiły one w zależności od materiału i warunków kontaktu tribologicznego od ok. 800 do ok. 1400 HV. Wyniki badań nad białą warstwą powstałą na skutek oddziaływania tribologicznego wskazują, że możliwym (najbardziej prawdopodobnym) mechanizmem tworzenia się białej warstwy jest bardzo szybkie nagrzanie do wysokiej (odpowiadających zakresowi istnienia austenitu) temperatury, któremu towarzyszy bardzo silne odkształcenie (zdefektowanie) struktury krystalicznej, a następnie natychmiastowe oziębienie, zwykle do temperatury pokojowej.

Słowa kluczowe

EN

white layer; tribology; forging; microstructure; phase composition; hardness

PL

biała warstwa; tribologia; kucie; mikrostruktura; skład fazowy; twardość

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 4
• Strony: 310--313
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Krawczyk J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Krakow

Bibliografia

• [1] Barbacki A., Jóźwiak K., Dynak K.: White layer - the attempt on the definition, formation conditions, properties. Inż. Mat. 153 (2006) 862÷867 (in Polish).
• [2] Zener C., Hollomon J. H.: Effect of strain rate upon plastic flow of steel. J. Appl. Phys. 15 (1944) 22÷32.
• [3] Glenn R. C., Leslie W. C.: The nature of “white streaks” in impacted armor steel plate. Met. Trans. 2 (1971) 2945÷2947.
• [4] Field M., Kahles J. F., Koster W. P.: Surface finish and surface integrity. Metals Handbook (Machining) 16, ASM International, Metals Park Ohio (1989) 19÷36.
• [5] Shaw M. C., Vyas A.: Heat affected zones in grinding steel. CIRP Annals 43 (1994) 279÷282.
• [6] Abrao A. M., Aspinwall D. K.: The surface integrity of turned and ground hardened bearing steel. Wear 196 (1996) 279÷284.
• [7] Chou Y. K., Evans C. J.: Process effects on white layer formation in hard turning. Trans. N. Amer. Manu. Res. Inst. of SME 26 (1998) 117÷122.
• [8] Snoyes R., Maris M., Peters J.: Thermally induced damage in grinding. CIRP Annals 27 (1978) 571÷581.
• [9] Tonshoff H. K., Wobker H. G., Brandt D.: Tool wear and surface integrity in hard turning. Prod. Eng. 3 (1) (1996) 19÷24.
• [10] Wang Y., Lei T., Liu J.: Tribo-metallographic behaviour of high carbon steels in dry sliding. III. Dynamic microstructural changes and wear. Wear 231 (1999) 20÷37.
• [11] Akcan S., Shah S., Moylan S. P., Chhabra P. N., Chandrasekar S., Yang H. T. Y.: Formation of white layers in steels by machining and their characteristics. Met. Mat. Trans. A 33 (2002) 1245÷1254.
• [12] Barry J., Byrne G.: TEM study on the surface white layer in two tumed hardened steels. Mater. Sci. Eng. A 325 (2002) 356÷3 64.
• [13] Lojkowski W., Djahanbakhsh M., Bürkle G., Gierlotka S., Zielinski W., Fecht H.-J.: Nanostructure formation on the surface of railway tracks. Mater. Sci. Eng. A 303 (2001) 197÷208.
• [14] Ósterle W., Rooch H., Pyzalla A., Wang L.: Investigation of white etching layers on rails by optical microscopy, electron microscopy, X-ray and synchrotron X-ray diffraction. Mater. Sci. Eng. A 303 (2001) 150÷157.
• [15] Zhang H. W., Ohsaki S., Mitao S., Ohnuma M., Hono K.: Microstructural investigation of white etching layer on pearlite steel rail. Mater. Sci. Eng. A 421 (2006) 191÷199.
• [16] Barbacki A., Kawalec M., Hamrol A.: Turning and grinding as a source of microstructural changes in the surface layer of hardened steel. J. Mat. Proc. Tech. 133 (2003) 21÷25.
• [17] Barbacki A., Kozubowski J.A., Kawalec M.: Micro- and nanostructural observations of the surface layer of hardened bearing steel. Inż. Mat. 19, 4 (1998) 978÷981.
• [18] Baumann G., Fecht H., Liebelt S.: Formation of white-etching layers on rail treads. Wear 191 (1996) 133÷140.
• [19] Baumann G., Knothe K., Fecht H.: Surface modification, corrugation and nanostructure formation of high speed railway tracks. Nanostruct. Mater. 9 (1997) 751÷754.
• [20] Ramesh A., Melkote S. N., Allard L. F., Riester L., Watkins T. R.: Analysis of white layers formed in hard turning of AISI 52100 steel. Mater. Sci. Eng. A 390 (2005) 88÷97.
• [21] Swahn H., Becker P. C., Yingsbo O.: Martensite decay during rolling contact fatigue in ball bearings. Met. Trans. A 7 (1976) 1099÷1110.
• [22] Pacyna J., Krawczyk J.: Conditions of formation and properties of the white layer. Hutnik-Wiadomości Hutnicze 72 (2005) 545÷553 (in Polish).
• [23] Pawłowski B.: Critical temperatures of steel, Dissertations-Monographs 244, AGH UST Press, Kraków (2012) (in Polish).
• [24] Krawczyk J., Skrzypek K., Dercz G., Żaba K., Kawecki A.: X-ray analysis of the structure of top layer of cast iron after tribological wear.
• [25] Prace XXXVIII Szkoly Inż. Mat., Krynica (2010) 227÷230 (in Polish). Krawczyk J., Skrzypek K., Dercz G., Żaba K.: X-ray analysis of the structure of top layer of iron-based alloy after tribological wear. Z. Stud. Tow. Nauk. 20 (2010) 137÷142 (in Polish).
• [26] Lojkowski W., Millman Y., Chugunova S. I., Goncharova I. V., Djahanbakhsh M., Bürkle G., Fecht H.-J.: The mechanical properties of the nanocrystalline layer on the surface of railway tracks. Mater. Sci. Eng. A 303 (2001) 209÷215.