автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Метод определения износостойкости сталей без проведения испытаний на абразивное изнашивание

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ и ГАЗА ИМЕНИ И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи

ОН.90 0 0 6 8 2 1 -

ЗЯБЛИЦКАЯ Елена Анатольевна

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ БЕЗ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г.М.СОРОКИН

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 5

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ ПО АБРАЗИВУ

1.1. Метод оценки износостойкости сталей по характеристикам

их механических свойств................................................. 7

1.2. Метод оценки износостойкости сталей по характеристикам

их физических свойств...................... ............................... 16

1.3. Метод оценки износостойкости сталей по структурным составляющим ............................................................... 20

1.4. Энергетический метод оценки износостойкости сталей............ 32

1.5. Анализ аналитических методов оценки износостойкости сталей

и их достоверность.......................................................... 35

1.6. Метод оценки износостойкости сталей по деформационным характеристикам............................................................ 39

1.7. Цели и задачи исследования.............................................. 44

ГЛАВА 2. ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

2.1. Обоснование выбора лабораторной установки для испытаний

на абразивное изнашивание................................................ 46

2.2. Выбор параметров проведения испытаний на изнашивание

при трении скольжения по абразиву.................................... 49

2.2.1. Выбор способа оценки износа............................................. 49

2.2.2. Обоснование формы и размера образца для испытаний

на абразивное изнашивание................................................ 50

2.2.3. Выбор удельной нагрузки.................................................. 51

2.2.4. Влияние скорости скольжения на износ................................. 55

2.2.5. Выбор сталей для исследования........................................... 57

2.2.6. Методические опыты......................................................... 59

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТВЕРДОСТИ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ИХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

3.1. Исходные предпосылки......................................................63

3.2. Испытания на статическое одноосное растяжение.....................69

3.3. Виды разрушения сталей в условиях статического одноосного растяжения......................................................................72

3.4. Методика определения характеристики эффективной твердости... 76

3.5. Взаимосвязь эффективной твердости со структурным состоянием сталей различных классов................................................... 84

3.6. Влияние механических свойств сталей на динамику изменения эффективной твердости...................... ................................ 88

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ЭФФЕКТИВНОЙ

ТВЕРДОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ ПО АБРАЗИВУ

4.1. Влияние температуры отпуска сталей различных структурных классов на изменение их эффективной твердости и износостойкости............................................................... 104

4.2. Изменение износостойкости сталей при скольжении по абразиву

в зависимости от их эффективной твердости............................ 110

4.3. Расчетно-аналитический метод определения эффективной твердости........................................................................ 114

4.4. Определение износостойкости сталей при абразивном изнашивании.....................................................................122

4.5. Аналитическая формула для определения абразивной износостойкости сталей....................................................... 124

ГЛАВА 5. РУКОВОДЯЩИЙ МАТЕРИАЛ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ БЕЗ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

5.1. Исходные предпосылки.........................................................133

5.2. Сущность предлагаемого метода..............................................136

5.3. Аналитический способ определения показателя эффективной твердости...........................................................................138

5.4. Определение износостойкости сталей при абразивном изнашивании по критерию эффективной твердости........................................142

5.5. Взаимосвязь механических свойств сталей и их износостойкости.....143

5.6. Определение износостойкости сталей аналитическим методом

с использованием критерия эффективной твердости и проверка его применимости.....................................................................149

ВЫВОДЫ..................................................................................160

ЛИТЕРАТУРА............................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стала убедительно прослеживаться тенденция преждевременного отказа машин различного назначения. Это касается газонефтяной, горнорудной, угольной, дорожной, сельскохозяйственной, деревообрабатывающей и других отраслей машиностроения. Связано это с тем, что существенно возросли нагрузки на рабочие поверхности исполнительных узлов машин и пар трения, а ассортимент сталей для изготовления машин остался практически без кардинального обновления.

Основной путь продления ресурса работы машин связан с выбором более износостойких сталей и упрочняющих технологий. Ресурс работы машины можно повысить, не меняя ее конструкцию, заменив стали для ее изготовления новыми с более высокими механическими свойствами. Однако, сложность выбора износостойких сталей сопряжена с отсутствием надежных инженерных критериев, позволяющих ранжировать стали по их износостойкости без проведения испытаний на изнашивание. Сложность выбора критериев для расчета машин на износ обусловлена тем, что износостойкость стали зависит от многих факторов, не являясь постоянной величиной как любая характеристика механических свойств сталей.

Разработка показателей износостойкости сталей, доступных в инженерной практике, позволит исключить продолжительные и трудоемкие испытания на изнашивание, выбирать износостойкие стали и назначать оптимальные режимы их термической обработки, обеспечивающие более высокую износостойкость.

Эта идея, впервые разработанная в Российском Государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина, уже получила достаточное подтверждение. Имеется в виду критерий из числа гостированных

характеристик механических свойств и их сочетаний. Но этот путь, безусловно, тоже имеет свои ограничения и не удовлетворяет всем видам изнашивания. Вероятно, наиболее эффективным является путь определения критерия аналитическим путем, тоже базируясь на характеристиках механических свойств.

Этой задаче и посвящена наша работа.

В работе предстояло разработать аналитические методы оценки износостойкости сталей различных структурных классов без проведения испытаний на изнашивание. Учитывался основной принцип, развиваемый в работах последних лет, о том что в основе механического изнашивания сталей лежит прочностная основа. Следовательно, процесс формирования частиц износа предполагает преодоление этой прочности, то есть разрушение структуры металла, которое неизбежно сопровождается его упрочнением. Эффект упрочнения вносит существенную поправку в показатели износостойкости сталей при равных характеристиках их механических свойств, что объясняется различной способностью сталей к упрочнению. Это и является особенностью представленной работы.

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ ПО АБРАЗИВУ.

1.1 Метод оценки износостойкости сталей по характеристикам их механических свойств.

Информация о природе изнашивания металлических материалов накапливается более полувека, но ее обобщение не получило еще общенаучной и прикладной законченности. Одна из основных причин этому - исключительная сложность и многофакторность проблемы, включающей аспекты механики твердого тела, физики, химии, гидравлики, теплотехники, металловедения, прочности, усталости металлов и др. Численные величины, характеризующие износостойкость металлических материалов, всегда зависимы от соотношения механических свойств взаимодействующих поверхностей на контакте металла и абразива, а также от нагрузки, температурного воздействия и других факторов.

Следует отметить, что изменение свойств абразива может повлечь за собой значительные изменения износостойкости; а увеличение удельной нагрузки на поверхность трения может кратно изменять ее численное значение [10].

В работах М.М. Хрущева и М.А. Бабичева считалось, что твердость является основным критерием абразивного изнашивания [106]. Работы последующих лет уточнили эту гипотезу [81, 89, 94, 101]. В методическом плане, немаловажную роль здесь сыграла простота определения твердости, кроме того, механическое изнашивание закаленных сталей с одинаковой основой удовлетворительно коррелирует с ее твердостью, полученной при разных температурах отпуска.

Однако, исследования последних лет убедительно показывают, что природа абразивного изнашивания намного сложнее [111]. Остался открытым вопрос: почему стали одинаковой твердости и в равных условиях испытания при абразивном изнашивании имеют различную износостойкость (рис. 1.1) [107, 90].

Долгое время кроме твердости не изучали влияние других механических характеристик стали. С этой целью были проведены систематические исследования взаимосвязи износостойкости закаленных сталей со всеми стандартными механическими характеристиками - пределом прочности, пределом текучести, твердостью, относительным сужением, относительным удлинением, ударной вязкостью, сопротивления среза, пределом выносливости. Методическая особенность этих исследований состоит в том, что впервые были выбраны стали различных структурных классов.

Полученные экспериментальные зависимости имели различный характер (рис. 1.2), методически было необходимо разделить их на две группы: группу прочности и группу пластичности и ударной вязкости. В условиях трения скольжения по абразиву при повышении твердости, предела прочности и текучести износостойкость увеличивается; при увеличении относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости износостойкость снижается. Причем прослеживается пороговый переход от зоны хрупких структур к зоне вязких; в переходной зоне одному значению характеристики соответствует несколько значений износостойкости, что можно объяснить различием структур, полученных при разных температурах отпуска.

Интересны зависимости износостойкости стали от ее сопротивления срезу и предела выносливости (рис. 1.3). Максимальная износостойкость стали соответствует области хрупкого разрушения, структуре низкоотпущенного мартенсита.

И,г"1

15

13

^ ^ Ч

1(¥К ч У

Д\ч

11

О

10

20

30

40

1000

1250

1500

1750 ЪагМПа

Рис.1.2. Зависимости износостойкости сталей от их предела текучести и относительного суженияГ-Ш.

20

12

8__

500 600 700 6.1 ,МГ1а

Рис. 1.3. Зависимости износостойкости сталей от их сопротивления срезу и предела выносливости при разрушении[-/3]:

1) вязком

2) хрупком

Таким образом, проведенный анализ позволил заключить, что ни одна из характеристик механических свойств не может служить критерием оценки износостойкости. Сложное нагружение при изнашивании - прямое внедрение в металл под действием нормальной силы и последующее перемещение по ней при трении скольжения - предопределяет комплексную взаимосвязь механических свойств, обеспечивающих сопротивление металла отделению частиц с поверхности изнашивания.

Однако, можно сделать вывод, что независимо от тенденции изменения и взаимосвязи показателей прочности и пластичности для сталей всех классов определяющими износостойкость являются характеристики прочности (рис. 1.4) [106]. Пластичность и ударная вязкость влияют на износостойкость в той мере, в какой они повышают пределы прочности и выносливости.

Состав стали имеет определяющее значение, так как он предопределяет свойства и структурную устойчивость закаленной стали после нагрева и, в конечном итоге, ее износостойкость.

Примером, иллюстрирующим вывод о предопределяющей роли показателей прочности в природе абразивного изнашивания, может служить зависимость износостойкости от твердости при соответствующем уровне предела прочности (рис. 1.5). Предел прочности заметно сказывается на износостойкости стали только при высокой твердости.

Относительное удлинение влияет на износостойкость при равном уровне твердости незначительно. Относительное сужение оказывает большое влияние на износостойкость, но при более высоких значениях твердости (рис. 1.6).

Влияние ударной вязкости при равном уровне твердости на износостойкость сталей более существенно: чем выше твердость, тем больше влияние ударной вязкости.

а

/

ийС,6ь.баг

\

и 1

f и. KCUS

2

/с

2 /

DТП,

"¿от, С

tarn..'С

-от,

"С

itnn. 'С

Рис.1.4. Кривые изменения характеристик прочности (а,б,в,г,д) и износостойкости (е,ж,з,и,к) сталей разных классов от температуры отпуска 11061.

а,е - сталь 45 перлитного класса

б,ж- сталь 95X18 мартенситного класса

в,з - сталь Н18К9М5Т мартенситностареющего класса

г,и - сталь 110Г13Л аустенитного класса

д,к- сталь Р18 карбидного класса

И, Г-1

2.5 2.0 1.5 1

0,5

20 40 60 НРС

Рис.1.5. Зависимости износостойкости сталей от их

твёрдости при разных пределах прочности,МЛаС^З: 1-400; 2-800; 3-1200; 4-1600;5~2000МПа

И, г-1

1,0

0,8

0,В 0,4

0 20 40 60

Рис. 1.6. Зависимость износостойкости сталей от их относительного сужения при разных уровнях твёрдости, НЯСГ^З]:

1 - 60 ; 2 - 50 ; 3 - 40

Представляет интерес зависимость износостойкости сталей от отношения их предела текучести к сопротивлению отрыву. В интервале

0,2 < о од / Б к <1 прослеживается практически линейная зависимость,

но при о од / 8 к = 1 одному значению этого показателя соответствует несколько значений износостойкости, что, видимо, связано с проявлением

хрупкости. Вероятно, максимальная износостойкость при с од / 8 к = 1 определяется максимальной твердостью.

1.2. Метод оценки износостойкости сталей по характеристикам их физических свойств

Для оценки износостойкости сталей различными авторами в разное время предлагались критерии из числа физических свойств.

При сравнении относительной износостойкости технически чистых металлов с их модулем упругости М.М. Хрущев и М.А. Бабичев обнаружили приближенную зависимость между относительной износостойкостью и модулем нормальной упругости, представленную уравнением:

8 = 0,49 ■ 104- Б''* [1.1]

где в - относительная износостойкость (отношение металла к эталону в виде свинцово-оловянного сплава Б.М.); Е - модуль нормальной упругости, МПа.

В результате испытаний на абразивную износостойкость была выявлена связь с модулем упругости у термообработанных конструкционных сталей (рис. 1.7). Износостойкость и твердость термически обработанных сталей снижаются с повышением температуры отпуска, а величина модуля упругости изменяется мало, так как эта характеристика структурно не чувствительна [106]. Соответствие между величинами относительной износостойкости и модулем нормальной упругости, отмеченное для

Н. МПд

9800

Е-ю"?МПА

1920

6400

1280

3200

Рис 1.7. Зависимость модуля упругости (Е) и твёрдости (Н) от температуры отпуска после нормальной закалки сталей 45 и У8А [11] .

технически чистых отожженных металлов и ряда других материалов и выражаемое соотношением [1.1], для термически обработанных углеродистых сталей не соблюдается.

Обоснованным является предположение о том, что относительная износостойкость является функцией коэффициента жесткости или прочности связи частиц в решетке, поэтому вполне закономерна найденная связь относительной износостойкости чистых металлов и отожженных сталей с их исходной твердостью и модулем упругости [77].

В работах [106, 77] показана зависимость износостойкости металлов от прочности связей в кристаллической решетке. Нарушение устойчивости связей в кристаллической решетке сопровождается затратой энергии, которая определяет энергию межатомной связи, приравненной к теплоте сублимации моноатомных кристаллов [104].

Известны работы [23], в которых предпринята попытка оценить влияние энергии связи, температуры плавления, коэффициента теплопроводности, дебаевской температуры, коэффициента линейного расширения, атомного радиуса и атомной массы на износостойкость металлов. Исследования показали, что зависимость относительной износостойкости технически чистых металлов (по данным М.М. Хрущева и М.А. Бабичева) от энергии связи (по данным Уэрта и Томпсона) [106, 104] показывает четкое разделение металлов по группам, отличающимся типом кристаллической решетки.

С повышением температуры плавления имеется тенденция к росту износостойкости технически чистых металлов. Наибольшую износостойкость имеют металлы с объемноцентрированной кубической решеткой и высокой температурой плавления. Металлы Т1, Ъх, Бе, испытывающие при нагревании полиморфные превращения, занимают промежуточное положение между группами металлов по типам кристаллических решеток.

Решающим фактором разрушения структуры при трении является соотношение между температурой на контакте и температурой плавления металлов. Таким образом, одн