автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Научно-методические основы синтеза трибосистем применительно к изнашиванию сталей абразивом



есоюзный ордена трудового красного' знамени научно-исслэдовл-iльский институт шезнодороеного транспорта

На правах рукописи

САФОНОВ БОРИС ПЕТРОВИЧ

НАУЧНСИуЕТОДИЧЕСКИЕ оснош синтеза трибосистш при,5енитеоъно к изнашиванию стане:! абразивом

Специальность: 05.02.04 - "Трение износ в малинах"

Автореферат хиссертации на соискание ученой степени доктора технически наук

Москва - 1991г.

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской Резолюции и ордена Трудового Красного Знамени академии нейти и газа имени академика И.М.Губкина

Научный консультант: доктор технических наук,профессор Сорокин I Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Лютцау В.Г.;

- доктор технических наук, профессор Мпхин Н.М.;

- доктор технических наук, профессор Астадшезич Б.Ы. Ведущее предприятие:

Подг.юскозк'^й филиал Государственного ордена Трудового Красного Знамени тракторного института (НАШ). ^

Защита диссертации состоится 7" 1992г.

зчу час. на заседании Специализированного Совета (шифр Д 114.01 04) по присуждению ученых степеней доктора технических наук при Всесоюзном ордена Трудозого Красного Знамени каучно-исследовател скои институте калезнодоронного транспорта (ЕНКИЕГ) 129851 Ыоскз, 3-я I,Мытищинская ул., д.10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " \ " Т992г.

Ученый секретарь Епециализи- .

рованного Совета ^¿¿¿¿¿ч&З— пенькова Г.И.

.'v, 1 Актуальность таюблеш. Одной зз наиболее вгшгшс проблем, тонких перед 1дашзкозедоапе!ла является формирование научной базы для создаш'л экономичных к датговечнше каггак, мзхшшзмов и инструмента в различных отраслях промыяиенности.-Ва:яшй вкяад в создание этой научной базы вносит трибологдя,•развивающаяся б последние десятилетия стремительными темпами, Трибология все увереннее вторгается в раздолн машиноведения, непосредственно свя-занпне с проектированием технических устройств.

В^эсте с тем в настоящее врег/я наметился существенный разрыв в уровне научно-методического обеспечения постановки расчетов деталей малин на прочность, изсткость н устойчивость^ одной стороны^ :i постановки учета влияния трибологитсских факторов на долговечность проектируемого оборудования с другой. Налицо явное отставание в часта исследования трибологических аспектов проектирования оборудования.

■ Слоаность тркболсгического обеспечения вопросов синтеза механических систем состоит в том, что трибологичеокке свойства конструкционного материала является производными как комплекса аИЗЕКс-^лехалкчйcpjk сзъйств материала, так и процессов трения и шналтвания на нотакте эле таит об трпбосиогеьы (ТС). Другими слоили, полностью весь спектор трибмехяичееккх свойстз конструкци-йшого ьитерпала ыогэт бить получен экспериментально лишь примз-ктельно к конкретной ТС.

Однако для определенных классов трибесистем монно априорно ;еклть наиболее существенные для проектанта триботвхкические ктеристикк ыегалла, каковигя! являются характеристики износостой-сти стати. к таким трибосистеиам относятся ТС, имещие в своей руктуре абразивное частицы.

Больпо£ вклад, в изучена трибологячеекчх проблем^связанных с гаениеи штериалоЕедческнх и ¡¿ашиноьедческих аспектов синтеза

трпбосопряаоших для различных услозлп контактного пзаимодействи? внесли исследования В.А.Кйслекэ, И.В.Крагэлъского, М.М.Хруцова, Б.К.Костецкого, А.С.Крснккова, М.М.Тененбаума, Ю.Н.Дроздова, Н.Л.Буш, Н.П.Щапова, А.В.Чичккадзе, А.П.Семенова, Г ЛД.Матвеевского, Т.В.Ларина, БЛД.Ааташкйзича, В.Н.Кащезва, В.Н.Виноградова, "Г.М. Сорокина, Н.ИЛ&ш-ша, Е.С.Попова, Н.Л.Годиго, Н.Б.Дешаша, и.Алексеева, И.Й.Карасика, И.Р.Киейеа,- С.В.Козырева, Н.С.Пен-■сгна, Л Л1 Погода ева, К.Е.Врккова, И.ВЛервяноза, Э.Д.Ераука, Л.С Лившица, К.К.Кыикика, К.-Х.Цум Тара, ХЛихоес, Г.$ля£яера, В.Хот лбегена, К.-Х.Хабига, В.Зуттке, Г.Краузо, А.Тросса, Н.-Х.даутцен Серга п другие отечественных е. зарубежных учэных-трпбодогов..

Тем ке ;ленее - несмотря на (Зольное количество эксперимзкталь-чнх данных по изнашиванию сталэй абразивом, научно-;лзт одические основн синтеза ТО с участием абразива разработаны.недостаточно. Требуют дополнительного изучения-и обобщения вопросы крдтеркаль-по!! оценки износостойкости сталей но механическим свойствам г<е-аалла, а такие вопросы оценки ресурса элементов ТС прк изнашкза-нш: стилей абразивом.'

Изльа раостн явилась разработка научных соков выбора материала прк-леештельно к условиям изнашивания сталей абразивом по д:е;;аничоскш свойствам металла, а. такгэ - оцашеи ресурса элементов ТО для изнашивания сталей абразивом при синтезе трибосиетег.

Для реализации поставленных целей ставились и решались сле-ду.оцне основные задачи:

- разработать методический подход к оценке влияния механических

сзонств г.-еталла на зго сопротивление разрушению абразивом при изнашивания; исследовать чричинно-следственнуто связь триботех-

шгоеокюс характеристик'от&чей и механических свойств металла;

- разработать доступный в жяенерной практике способ оцени: энергетического показателя механических свойств стали ; исследовать взаимосвязь механических свойств сталей;

исследовать деформационные процессы в'поверхностном слое элемента ТС на контакте металл - абразгез; обосновать критер:з износостойкости сталей для условий абразивного изнашивания; последовать закономерности нзнатшвакия.сталей абразивом под углом зрения влияния структуры ТО на гркботехкяческне характеристики «еталла; разработать методику' критериальной оценки тр::бологичеокюс свойств сталей по механическим свойства'.; металла;

исследовать возможность сценкг рзсурса элементов ТС на этапе синтеза трпбоспстемы;' разработать алгоритм оценю! ресурса три-босонрлт.-знля применительно . к изнашташтю сталей абразивом.

расширены и углублены представления о физической природе износостойкости сталей при изнашивании абразивом; сформул1тзоваза модель разрушения сталей абразивом при изнашивании, базирующаяся на энергетических представлений: о разрушении металлов при механическом нагрузэнпи; '

расширена информативность метода испытания металлов на растяжение; разработана методика. определения ряда механических характеристик, перспективных для.использования Црл решении вопросов синтеза трибсогстем;

■получены результата комплексного исследования-деформациошшх процессов^ развивающихся ъ ластэдах износа л поверхностных слоях элементов ТС при. триб ологиче с ком вагрузЕнни абразивом; данные результаты являются экспериментальным■лодтверляением прочностной концепция износостойкости сталей при изнашивании абразивом; :

разработан аппарат нормированных трибохарактеристпк сталей.использование которых, позволяет -оценивать сопротивление сталей изнапз-ванию на отдельных этапах формирования контакта металл -

абразив;

- применительно к изнашиванию сталей аб?аз:эом разработана научная концепция критериальной оценки трнбохарактористик сталей по механическим свойствам металла.

Практическая ценность. В результате выполненных исследований: ,

- получены методики для определения новых механических характеристик сталей ( Кцпрб* ), а также триботехничес-кие характеристики ( ^,, Фа ) сталей по стандартным механическим свойствам металла;

- обосновано направление в триболегкчеоком материаловедении, позволяющее варьированием критериев И'/ , , ф^ в нузясм направлении,изменять триботехнические свойства сталей (износостойкость, коэффициент трения),а таккэ решать вопроси повышения долговечности деталей шшш, механизмов и инструмента, подверконнкх знакоперешкному нагрунению;

- проведено решение задачи оценки ресурса элемента ТС по механически свойствам металла применительно к изнашиванию сталей абразивом;

- экслериментальше исследования положены в основу ГОСТ 23.218-84 "Обеспечение износостойкости изделий. Метод определения энергоемкости при. пластической деформации материалов".

На запдату выносятся:

- результаты комплексного исследования механизма разрушения сталей при изнашивании абразивом, а также феноменологическая мод дель разрушения сталей на контакте с абразивом, обобщающая результата выполненных экспериментальных исследовании;

- методические подходы к оценке сопротивления статей изнашивании абразивом посредством аппарата нормированных трибохарастернстик

- методпа и результаты исследования взаимосвязи механических характеристик сталей;

научная концепция критериальной оценки триботезническнх характеристик о талой со механическим свойствам металла: критерий износостойкости стали долбан оценивать сопротивление металла трк-бологическому нагруяенгаэ на всех вдоктирщгрозгнных для определенного вида изнашивания: этапах взаимодействия.элементов анализируемой ТС;

но.могра'£.н для оценки триботехнлческзх характеристик стаяэй по механичэсюз! свойствам металла; ■ •

методика оцешк ресурса элементов хрибоекстем при изнашивании, сталей абразивом с полощи) инвариантов Фэ и ¿д. .

При выполнении диссертации использованы экспериментальные шаге, полученные, автором в период научной стажировки на кафэд-)/'Изнашивание материалов" Решоко-Вастфатьский высший технп-)скпй иколы (г.Аахен, <1РГ) в 13Б5-88гг. ■

Аттообацкя т?аботн._п публиквшт. Основшэ результаты, нссладо-шпй представлялись па знзтгтшвзгговзгсзх, зсзссэзшх я мэздуна.->лнзх нэучшн копборэнц'л::. Результата диссертации положены в :;-:озу Гссударствонюго стандарта СССР ГОСТ 23.218-34. По гемэ [ссертацин. опубликовано &6 работ.

Стоуктут ту дгсоэртстрг^» Диссертация состоит из вводе-л, во снял глаз, внзодоз, списка пспользоваштс'З литературы, со-рш^згА. 438' бгйлгогрсфшгзсжзх госошишз. Ргбота изложена на 5 страницах г'азпкодпсного тэкота, содзрлггз 133 рисункоз и 39 блиц.

Со-ерг.пгэ дпсс'зртгццп.

Первая глатд тяботн поо2.гг,~па аззлгзу созре.'знного состояния следозшшй абразивного лзкспсезизя гаториалов л его госта з про-эмэ синтеза трнбосг.стом. Показано, что сштэз ТС представляет -бой когякэкснуд проблему трибологии, успегпме репзние готорой змоено на основе 'привлечения достижений как гзтериалозедения,

так к машиноведения.

Трибосистемы, имеющие в овоей структуре абразивные частиц характерны .для оборудования, взаимодействующего с абразивоооде; еэщиш средами в силу технической функции ТС. Это имеет ,место для широкого перечня деталей оборудования з горнодооыващей, нефтяной, газовой, металлургической промышленности,, а такне да почвообрабатывающих и строительно-дорожных машин. Проведенный : диссертации аначиз доказал, что ири всем разнообразии технического исполнения трибосистем, содержащих абразивные частицы, кинематические пары с участием абразива в таких ТС могут быть св. дены к трем классам в зависимости.от реализующегося на контакт. ыеталл-абразиБ вида изнашивания. Так при эрозионном, контактно-абразивном изнашивании в абразивной массе на контакте абразго ной частицы и металлической поверхности реализуются кинематичо! кие пари I класса; для изнашивания закрепленным абразивом при околъяеник. характерно формирование кинематических пар III класса, а при изнашивании ударом по абразиву - 17 класса.

Показано, что проблема синтеза ТС состоит из двух взаимосвязанных проблем. Это - выбор материала элемента ТС по соотвег отвунщш критериям и оценка ресурса элемента ТС на стадии црое] тированья технического устройства,

В диссертации .проведен обстоятельный отбор вариантов крит* риев износостойкости при трыбологическом нагружении конструкционных материалов. Особое внимание уделено критериям, основании на использовании механических характеристик металла. Исследования привода разрушения материалов при трибологиче-скомкагрукеш абраззгесмбтсм числе, проведенные В.Д.КузнецоЕым, И.В.Крагельсю Б.И.Хоссгзцкш, И.Р.Клейсом, В.С.Поповым, Л.Н.Погодаавам, Н.С.Пе киным, Г.Фляшером и др., показали, что весьма, перспективным является направления трибсмстериаловедения, в котором оценка

знгактной прочности стали дается с учетом энергегичоскдх аспекта процессов, протекающих при трибодогичэском взаимодействии темэнтов ТС.

11о тлеющимся данным - учет энергоемкости сталей и сплавов ж разработка проблемы синтеза ТС является перспективном в науч-эм и практическом отношении, поскольку позволяет получить новую формацию о механизме рааяичных видов изнашивания и предложить энцешщю повышения износостойкости деталей машин, механизмов и зструмента, работающих в условиях абразивного изнашивания.

В исследованиях'А.С.Проникова, Ю.К.Дроздова, И.З.Храгельс-ого, А.В.Чичннадзе, И.Б.Червякова, Э.Д.Брауна, У.А.Икрачеьа, .Н.Львова, Х.Тума и др. разработаны 'основные подхода к вопросам з;енкЕ долговечности элементов ТС, реализующих различные виды из-ашизания. Показано, что трибологическая задача в проблеме дслго-зчностп деталей машин, механизмов л инструмента монет быть све-зна к оценке скорости изнашивания материала элемэктов ТС по зли-ощкл на закономерности контактного разрупения металла факторам.

Предметом экспериментальных исследований и научных обобщений зссертации является реализующиеся на контакте металл-абразив ки-эматическле пары Ш з 1У классов которых сшет место изнашиза-зе сталей абразивом в условиях скольлания и удара.

Во второй глава таботч изложена■ методика исследования три-отехнических .свойств материала элементов ТС с участием абразива.

Показано, что для рсшенич задачи критериальной оценки три-этехнических характеристик сталей по механическим свойства:л ме-алла.необходимо усовершенствовать методику исследования сталей а изнашивание и представление результатов. С этой целью предло-зно некоторым образом нор:лировать условия изналшвалия сталей бразизом. Идея нормирования условии изнашивания старей вызвана

необходимостью'получения достоверной информации о закономерное тях йорлшроьанш контакта мэгалл-абразив. /'•■-,

Анализ развития взаимодействия элементов ТС с участием абразива позволит выделить два этапа формирования контакта (рис. 11а первом ьтапе имеет место ели внедрение абразивной частицы на некоторую глубину ¡1" (для Ж1 Ш класса), зли замыкание кинематической пары (для КП 1У класса). Второй этап взаимодействия хара ктернзуется пластич.ескш оттеснением металла элемента ТС при от носительном перемещении'абразивной частицы.

Нормирование предлагается реализовать' посредстзон специальных нормированных (приведенных) трнботехнических характеристик (см.' .ст.р.,35 I), получаемых. пересчетом розультадое испытанья.

на изнашивание по соответствующим йотмуяам

. (1)

гдо сприведенный износ стали,' имеющей' твердость fi'/t.

В работе была такие-реализована идея, о нормировании условш дзнапашашш путем проведена? испытаний при удельном давлении, пропорциональном твердости, изнашиваемой стали' ( Р/ ~ И\г[ ), Показана такие возможность;нормирования услозий испытаний на изнашивание при ударе по абразиву. . . •„. '

, Для решения задач: диссертации бяла использована серия модельных ТС (табл.1),-в"которых стали .исследовались в условиях скольжения по абразивной'шкурке (ТС J6 1-4), по аишфовальному кру гу (ТС .';» 5) . удара по абразиву (ТС J,' 6) и при взаимодействии с единимым квдентором (ТС К 7).

В процессе испытания на изнашивание фиксировался износ образцов (ТС 1-> 1-6), определялась сала трения (ТС 15 1-4), а такке

проводился отбор частиц износа для дальнейших исследований

(ТС .4 1,7).

КП Ш КЛАССА

Рис.1.Схема формирования контакта металл - абразив при реализации ЬШ Ц и IX класса. На рисунке обозначены: , — площадь селения валиков по сторонам деформационной канавки площадью сэчения Ау ; коэффициент шпсрорэзгния; П- - число циклов нагрунения при изнашивании до отделения частицы износа.

3 качестве объекта иосдздовшш! били- выбрав стали, представители всех структурных классов: перлитного - 30,40,45,У8,Д5, д?; :>:артенснтногс - ?18 и аус=генптного - I2XI8HI0T. Крсг,:е сталей бллп зсохздогаш тош> армко кояезо, электролитическая иодь п алхгнпшевып сплав, Стали'перлигного, глартенситного и карбидного класса подвергали термической обработке.

Таблица I.

Условия испытания сталей на изнашивание

Сбсзне.чс—! Вид изнашивания льно^; ТС !

!

Условия накаливания

!

Ï Удельное даз-'.Сковость ! Время испн-!ление Р,Ша ;!сколь;дэнн.я^тання '¡энергия удара ¡удава _7 1 t-ммн ; ! ЕД» ! V м.с ~ ¡число уда-i ! !шв п

ТО jj 1 Скольгокие по абва-, зизнои шкутже зернистостью ВО МКЦ

ТС И 2 То se

'ОС 3 То де, 5С мкм

ТС 4 То га, 2QG шм

ТС ïr 5 Сколькзние по шлифовальному 1футу

'1С ,С> 6 Удар по обновлешю-му слою абразива

ТС J'î 7 Скольжение единичного индентора

В= I

р=р0-к гс=0,5 К= HVt/flVo К'/оШ Р= I Р= Г р= 1,27

f— 4,91

Глубина внедрения.' h.- О,1ош; •псдача S = С,,15мм

y =0,3

t - 2

V =0,15

y =0,3 2 v =0,3 TS 2

V =0,28 î-= 0,5

v =1

v =0,033

icjoo

Один проход

Тоауьс гугглге работа посвящена пз;хсг.э:пзз осесившх ?.гетодп1: ксс!д:едован:,_1 (огзико-даханптесккх свсйстз сталей. Характер уадач, рзгае!.:^: э дпссергащж, обусловил определение гтаяхзесгск ( 6т, НУ ,<5\ фс и др.), олзЕчесгак ( <31-, <Гу) характерно?::!: сталой, а таюсе характеристик штьрсгеоиэтрж ( 1<а Нтах) гт°~ верхностк элементов ТС.

МехакгчоокЕй характернстзд-з: сталей определяли на разрюэгь-:: образцах диаметре;.! 10 мм. Исшталяя проводили до стандартной ;ло-тодчгз (ГОСТ 1497-34) с запибьэ полней диаграмм растяжения образцов в ксорд::катах "усилие - деформация". Твердость поверхности образцов определяли кетодоы Викквреа (ГОСТ 2999-75 и ГОСТ 9450--76) при нагрузке 5СН (какротвердсстъ) и 0,25Н (».зшротвяр-депть). Крс:.:з названных показателе]! ;,йхан:1ческ:с: свойств анализировали. так£э ряд дополнительных характеристик, для определен:::; которых бит разработаны ссотзе-.г'сгвукщиэ методыт.

Особенностью разруаезш .материала элемента ТС, находящегося в условиях триболопхческого кагруяения, является локализация силового воздействия абразива в тонко:.; поверхностном слое элемента, а таккз сопоставимость результатов контактного разрушения (износ) о.параметрами глшгоогбокэтрив изнашиваемой поверхности.

Из характеристик микрогеомэ^ржи, оказнваэдих-определяющее влияния на свойстза контакта, з работе определились: Н.тду ~ наибольшая высота профиля и ~ среднее арифметическое отклонение профиля от средней линия (определяется по ГОСТ 2789-73). Исследование ..».Екрогеомэтрии поверхности нзнаппззанля образцов, отработанных в модельных ТС (см.таблЛ), проводилось на иройизюграфо -прсфетеиетрэ " ^ГМТ.ОИЬ'4, позвояззщзн в автоматическом рехше проводить, обработку щ>офслогра;лл аналз.з:груе:ло2 поверхности.

Для исследования физических' свойств поверхностных слоев элементов ТС использовался рентгеновский ;;этод. Об изменениях в ма-

тераале поверхностного слоя судили по остаточным напряжения?.;, формюухшдася на поверхности изнашивания образцов. Для определения продольных Ох и поперечных Úy остаточных напряжений использован ызтод S¿H. Рентгенографические исследования образцов прозодилдсь на ф - гониометре з лаборатория?: кафедры "Изнашэа-ние материалов" RWf-f/ . Было использовано кобальтовое излучение анода - Со Ко^ (40кВ, 35мА.) i Для сталей перлитного, мартенсит-ного и карбидного классов, а такне для уе. - армко использовали линию интерференции (k'rZ. (zií^ , для образцов аустенптной стали I2XI8H10T - ^ те {зп]:- ••

Для исследования тонких поверхностных слоев материала отработанных элементов ТС использовали металлографические шлифы. Про-водилосъ такие электролитическое полирование образцоз. Для образца диаметром Шли условия электролитического полирования были

о

следующими: напряжение 25В, плотность тока --3,3 А-см . Толщина снятого слоя контролировалась индикатором часового типа j точностью до 0,001 гдм.

Отработанные образцы /частицы износа, поверхность изнашивания, металлографические шлшы/, исследовали на РЭГЛ (растровый), ИЗ;.) (просвечивающий) электронны* микроскопах, исследовали также дифракцию электронов., НаЛШ проводилось исследование продуктов изнашивания сталей с использованием тешопольной методики.

В четвертой главе работы приводятся результаты исследования закономерностей изменений' и взаимосвязи механически свойств сталей.

В диссертации предпринята попытка расширить информативность :..?:■ ода механических испытаний металлов на растяжение с целью по-

дополнительных сведений о поведении металла образца при íолыгх пластических деформациях. Для этого был разработан метод исследования локальной Пластичности металла образцов, названный

ч'зтодом искусственных баз. Сущность метода искусственных баз зостоит в определении величины локальной деформации з пссгедус-.та:Т 204153 образца по яачэнепиэ линейных размероз квадратная от-точатков, наносимых на его поверхность до' деформации. Метод апробирован на щшщдричеоких разрнгннх образца:-: и на плоек:*:: образцах о надрезом, Д;;я реализации'метода искусственных баз соз-рш соответствующие методические средства.

До' результатам зсгагашх разрывных образцов кроме арадеди-

о , ^

жнол гатегралькок характеристики динениои деформации Ощ опро— телялл такиэ новые характеристики локальной деформации <5"ir.ax и ófaíÍH (рис,26).

- Наиболее заяной для дальнейшее гсслэдозаняй является ресурс -иэстпсности металла %л}с .. Установлено, что зависимость SttaxQty 'дсв.тотворительно описывается уравношгегл регрессии

• .SUy = 4}к ' (2)

■ Креме названных характеристик механических свойств в диссер-■ащш была разработана изгодпка определения знергоемкостп металла ри пластической деформация - прошедшая апробацкэ а получнз-гая статус государственного стандарта (ГОСТ 23.218-04). Величина tnj. определяется по результатам испытания металла образца на астяненнэ, при этом производится- залась' дааграька расаяЕзнкя

и отроится распределение' локальной деформации по длине бразца "Sf-£" (риз.2) '''..■'.,.

_ fina*

ли посие нескольких лрэобразований получай с учетом (2)

Еп^ % - 65 • ( <?, MlpK fо i 0,Q4-

(4)

Рис.2.Диаграмма растяаеши образца(¿^распределение локальней деформации по рабочей дыне разрывного образца (Б).

«л

(«а бол га

км ш ем ш

•«00

ем ы

! I I о

300 7<50 «V

0», мл«

-тп-

1Е

i

I Е.!. : ж»

<ко еа гл>

к»

, "йг

| ««

ш £м ' <01

€__ Р "5ч —

—а

У

У У

¿.и

5-Л7, ,

' 1

м 13 '

\

✓ * N

Л* г-4<

**

|

«о 9к т т ?<?, и.ь

га й-."

Рис.З. Зависимость энергоемкости при пластической деформации сталей ох механических свойств металла группы прочност! я пластичности.

Проведенный-исследования сталей показала (рис.3), что ■а характеристика механических свойств позволяет получить качес-:енно нов^то информации о закономерностях поведения металла при аотической деформации, чом это предстазляэтся возможным сделать > стандартным характеристикам механических сзойсть ( НУ, 6ß , fr , и др.). Зависимость от названных механических характерно" IK имеет неоднозначный характер в областях хрупкого и вязкого 1зруиения ооразцов, достигшая для сталей одного состава максшума i границе хрупко-вязкого перехода.

Показателем Епл не исчерпывается полученная в диссертации

<Г

.■»вая информация о свойствах металла, которые могут быть проконт-злированы при испытании разрывных образцов. Одним из таких зойств является склонность сталей к деформационному упрочнению -аклепу, которую в диссертации предложено характеризовать козиж--тентом упрочнения Kynptr-. Для этого разработана методика опреде-эния величины JCynp(г-, основанная на анализа уровня упругой энер-ш, запасенной образцом при испытании, которая мокет быть гатер-эетироваыа как площадь соответствующих участков диаграммы растя-эния (aOCL и Л HS/V на рис.^а). Получека следующая формула для 1ределения Хцпрф

Кдпр<г -

не йз,;0т- ~ предел прочности и текучести исследуемой стали соответственно.

Показано, что Купроявляется структурно-чувствительной харак-зриотиксй механических свойсте металла. При уровне прочности

= 550 - 650 Ша наиболее упрочняемой при пластической декорации является структура аустенита (сталь I2H8HI0T) по сравнено со структурой перлита (стали 30,40,45).

)(S)

" ; -.is - ;".

Легированные стали' (40X13 и £18),, а тают специальные виды обработки (сталь Д7 послевакуумного переплава) способствуют повышению склонности стали к 'наклепу-,. Использование пок&заяэля . кГ^пр— мохззт быть полезным, по напюму шеыш, при выборе рацяо-нальшо: реетшв тер:.ш.ес,кой обработки сталей для изготовления деталей,' подверженных как интенсивному игиаштаккз,- так и объемному нагрукению, для которых налицо опасность хрупкого' разрупевш (валы, оож, Елеь'.ентц передач, 'дородоразрушаэдий инструмент и др.'. Для наследованных сталей козотЪиционт упрочнения изменяется в

пределах Kyapj- = 0,2 .,.,5,0.

- > /

Б работах Г.Ы.Сорокина, С.К.Боброва и др. показано,- что для оценки износостойкости сталей' при изнашивании абразивом перспективны:.; является коигаюксшй показатель механических свойств(¡^-Ц^. Структура' этого показателя аналогична структуре показателя Впа. . (см. формулу 4). Комплекс-. Cg-tys.пожег рассматриваться упрощенным аналогом Ег^,; Между "вгйме показа.телрдщ мехакичвсюк 'свойств металла существует корреляционная связь •

-Чо.аъ . (6)

В работах И.В.Крагельского, Н.М.Михика, Б.С.Козлбалова, Г.Флякшера, Б.С.Ивановой и др. развивается устанос-гная концепция прочности металлических материалов как при контактном, так и при объемном нагрукения,- В этой связи была исследована взаимосвязь

предела выносливости металла, и энергоемкости при пластической де-формзшт. Получено следующее.уравнение регрессии (обработка проведена с использованием .экспершдантальшх дазшнх С.Л.Жукова) эз,14 о,зз-£4'.- (7)

Е диссертации делается попытка оценить механические свойства стали, реализуемые металлом при трибологическом нагружеаии абра-зчво:л. С итой шльй могут быть полезны косвенные способы опреде-

зния механических свойств металла, развиваемые в работах Н.П. 1рковца, Л.И.Погодаева и других авторов.

Из литературы известны-эмпирические формулы вида где Н - твердость, - коэффициент), з которых зависит от »•рода и структурного. состояния металла. Однако имеющиеся дап-¿з о взаимосвязи ограничиваются узким диапазоном твердости зталла. Проведенные исследования позволили получить уравнения эгреосии, связывающие ^ и ИУ , для широкого диапазона твердое— I металла НУ 2Ю>.. ./>N'800

(гь = 37,4 + 0,335-ну ' (7)

ну =195,3 + 2,83 • бь , (8)

"Еще одной Еаглой прочностной характеристикой мехашлеских зойств металла, не нашедаей достаточного применении з 'анализе азруыендя: механичеемгх: материалов, является истинное ооироткв-зние разрыву металла 5 к , 3 решении задач .диссертационной ра-этн эта характеристика свойств монет быть патезной, поскольку .Л.Одияг и П.Р.Вкррилен показали, что при обработке резанием яла сопротивления резанию связана с величиной Зк металла. Дня 1енки силы трения на контакте металл-абразив был использован эмплзке получено следующее уравнение регрессии

¡^фк - 10,7'Фк . (9)

В фор,улах(4^) характеристики прочности О5, , ¡¿Па, ЕпГ Щн • м~3, характеристики пластичности Фи

относительных едиЕицах.

Такигл образом, проведение исследования взаимосвязи механи-йскшс свойств сталей позволили получать новые характеристики зхаяичееккх свойств ( ¿^адг , К^ггр<г- ). а такжэ ряд уразне-ш регрессии, использование' которых дало возможность решать за-1чи, связанные с синтезом трибосистем, реализующих изнашивание

сталей абразивом.

Пятая глава работа посвящена исследованию механизма разру- . тения сталей при трнбологическом нагружения элемента ТС абразивом.В результате трибологического нагруления абразивными частицами поверхностные слои металла испытывают значительные пластические деформации.Однако многочисленные экспериментальные методы исследования'пластической деформации металлов, изложенные в работах Я.Б.Фридмана, Г.Д.Деля, А.Н.Кравченко, Е.Л.Кушарова, А.В.Пшегпка, Г.А.Смирнова-Алаева и др., не могут быть в чистом виде использованы для исследования деформационной способности металла на контакте с абразивом при трибологическом нагружении.

Для -этой цели предлагается.: использовать результаты исследования частиц износа..Преимущество Данного метода исследования . деформационной способности металла состоит в том, что макросгруппа является результатом одноьратногоо взаимодействия элементов ТС металл-абразивная частица.:

Механизм формирования микростружки металла при изнашивании абразивом в общих- чертах подобен закономерностям стрункообразо-вания. при резании металла лезвийным инструментом. Однако- при рассмотрении вопроса^ механики струзккообразования при изнашивании' сталей, абразивом шеег. ряд^особенностей, исследование которых нашло отражение в работах;Е.Н.Маслова, Т.НЛоладзе, Г.В.Бокуча,-ва, В.Лортца,.Г.Коссена,.Г.Вернера. и др..

Так применительно к изнашиванию металла абразивным зерном имеющим по данным В.Н.Кащеева, Е.Н.Маслова и др., сферическую вершины, не приходится-говорить о фиксированном значении переднего угла ^ (рис.4),, т.к. его величина зависит от глуби-внедрен:;? К. частщы и- радиуса ее вершины & , и определяется

— .откуда ^ ^ йГСЗьЦ^- к) (Ю)

не.4.Схематизация формирования струнки при скольжении абразивной частицы до поверхности металла.

Таблица 2

Результаты исследования шкроструяки /сталь 45, ТС & I, табл.1/

1аркнрсвка Твердость Д.,3 -Ю4, £ .£д-5

объекта поверхности мм с-1 ' металла

1210 IIV 574 ' 10,0 3,3

1310 НУ 540 3,3 10,0

1410 НУ 438 5,0 6,7

1510 НУ 348 .3,3 10,0

1610 НУ 277 6,7 5,0

1810 . НУ 169 6,7 5,0

Оценку величины деформации! сдвига <£ материала элемента стр; ккп при зюм лредтагается-оценивать но известной в теории резани: формуле

| • COS ' '

где § - усадка струнки, зависящая при прочих равных условиях от переднего угла ^ релущего зерна.

Лонгг-ано, что для условий изнашивания, реализованных в ТС J.V имеет место сдвиг элементов струкни порядка £. = 20 (при - -Si ^ - 8, ii. - СД). Следовательно на ыикроуровне пластичность г,к талла значительно превышает.аналогичную способность материала пр: определении стандартных механических характеристик.

В работе также проводилась оценка скорости деформации глотал-ла г.p:i взаимодействии с абразивной частицей зусловиях околыши; последней по металлической поверхности. .С этой целью использозань форлулн, предложенные Л.Н.Филимоновым для оценки скоростных параметров деформации металлов при шлифовании

с, .

ЬР'сГшр)'- ..(12)

• (13)

AS (S- js) ;

где (3 - угол сдвига; ^ = - усадка стружки, представляющая

аа

собой отношение толщины ис струйки к глубине врезания Сг-тастшзд аоразива (см.рис.4); V - скорость перемещения абразизной частицы по поверхности металла; - толщина зоны: сдвига элемента стружки. Результага^представленные в таблице 2, показывают, что шести ческагс деформация металла при формировании мцкростружи представляет собой высокоскоростной процесс. Наличие данамическогос харак

тера силового нагрузения металла абразивом с одной стороны.и высокой деформационной способности металла при изнашивании другой - позволяет сделать вывод, что трибологическсе пагруненпе абразивом правомерно рассматривать, по аналогии с механическими по-шташЕш, как испытание материала, реализующее одно из самых '"мягких" напряженных состояний.

Яоютло количественной сценки деформационной способности металла при трибологическом нагрунешш абразивом з диссертации прозздзчы исследования пластической деформации сталей методом;;, позволяющими качественно исследовать явление пластической деформации как частиц износа, так и поверхностных слоев элемэнтоз ТС.

-Исследование продуктов изнашивания сталей методом ПЭ.л значительном увеличении- (1100000) показало, что частицы износа представляют собой предельно деформированный металл о развитой дислокационной структурой,

Использование текнсполъной методики позволило установить, что размер областей когерентного рассеяния материала микрсстру-

о

яки составляет' вшгичину порядка 300 А , в то время гак размер блоков мозаики для металлов по данным А.П.Гуляева составляет величину порядка 103 ... 1С5Д . Следовательно, полученные данные позволяют заключить,что пластическая деформация металла частицы износа, им-зщая место цри изнашивании абразивом, прпзодит к сильному изменению структуры, т.е. имеет место амортизация объемов металла, отделившихся в зцце микроструйки. Подтверждением этого вывода является такие злектронограммы продуктов изнашивания сталей..

3 диссертации было проведено такйэ комплексное исследование поверхностных слоев металла злзмзнюз ТС, отработанных з модельных трибоолстзмах. Исследовались металлографические дипйы, а так?пе непосредственно поверхность изнашивания образцов.

Результаты исследования позволяют оценить распространение силового влияния абразива цри трибологическом нагружении металла, а также проследить эволюцию структурно-фазового состояния (СФС) сталей в условию: абразивного изнашивания.

Исследование шлифов 'с помощьв. РЭМ показало, что пластическая деформация стали при трибологическом нагружении абразивом е условиях скольжения, локализуется в тонком поверхностном слое металла 10 ... 30 мкм, т.е. деформационные процессы развиваются в слоях металла,, сопоставимых с линейным размером зерна структуры стали;'другими словами при изнашивании абразивом пластическая деформация металла развивается в сверхтонких приповерхностных слоях, т.е. на мшфоуровне строения металла. .'.

Анализ эволюции СФС о талей при . абразивном изнашивании проводили на основе рентгенографических исследований поверхности изнашивания образцов. Установлена, что на .поверхности изнашивания элементов ТС формируется сжил1ающи9'. ;;-остаточные, напряжения. Это обстоятельство.согласно данным В.Д.Кузнецова, Н.Н.Давиденво-ва, М.И.Кяушна, Е.Бршассмайера .и др. позволяет сделать вывод о том, что ведущим в реализованных в диссертации модельных ТС явля ется механический фактор воздействия на металл со стороны абрази внкх частиц при изнашивании.

Исследование остаточных напряжений и микротвердости при

послойном снятии металла с поверхности изнашивания показало (рис.5), что распределение остаточных напряжений и микротвердости по глубине деформированного при изнашивании сталей слоя имеет идентичный характер., .

В диссертации разработана методика сценки склонности сталей к наклепу при трибологическом. нагружении по результатам исследования остаточных напряжений. В качестве меры наклепа металла принято отношение модуля остаточного напряжения на поверхности

О-

О 0,01 о, 02 0,03 404 С,09 0,00 0,07 0,08 Раеетецик« ог яо^рхноеги , их ,

Олееголиис от ио£ерг*кти , мч

001 сяг ар5 (^4 АС5 ОМ С£3 [

(ЪМТ0|«К4 ОТ \fCUf0f9tHf , ** • I

1100

10»О

Б

401

г <00

г 7С0

еоя

500

<оо

\

V,

<^4 404 СДО ЦС5 О/Я 0,07 ЦОв: Йиетощи« от (го*ти э ми I

Рлс.5.Распределение остаточных напряжений (а,б) я шкротвердос-ти (в,г) по глубине деформированного слоя образцов (ТС Щ) а,в - отолокэнныэ стали; б,г - закаленные стали.

изиаатаания к твердости кедсфорыгрованЕОГО металла Было получено уравнении регрессии, связывающее характеристики 'наклепа к л НУ/ИУ

л НУ ГШ

-- -о 66 ^ ~ 87 • • и '

НУ ' ' НУ

Склонность сталей к наклепу при триболсгическом нагрувенип абрасивом поверхностного слоя элемента ТС количественно ыо.~е? быть оценена коэффициентом поверхностного упрочнения КчлрмЗ. Установлено, что величина Кчпрпаъ .является характеристикой, чув--ствигельной к структуре стали и условия:.! изнашивания. Получены уравнения регрессии для определения К^пр ло& для сталей различных структурных классов.'

Стали перлитного и фзрритного классов

Кчг?п>В =2,21 - 5,28-1с-3( НУ) + 5,24'ю-6^НУ)2 (15)

Стали мартеноитного, карбидного и аустенитного классов

!<1]г|рпсь=2,?7 - 5,05'10-3( ню -ь 4,1-1с_й( ну )2 . (16)

Проведенные в диссертации комплексные исследования проявлений 7;е{вормэциохшых процессов в поверхностных слоях злемгнтсз ТС при триОологичзском пагрузении абразивом позволяют сформулировать некоторые черты модели разрушения сталей абразивом при изнашивании.

Под действием нормальной и касательной нагрузки'в поверхностных слоях металла элементов ТС! имеет место, согласно классификации Я.Б.Фридмана, объемное разношенное деформированное состояние, наличие которого облегчает течение пластической деформации з объемах металла. ответственных за контактную прочность.

Втсро.1 отличительной чертой модели разрушения на контакте металл-абразив является динамический характер деформационного процесса; скорость деформации металла при образовании микрострут.:-

ки составляет всл^лпгу порядка' <£ = 10^... 10" с-^(ом.табл,2).

Таким образе:.-! интенсивный деформированный пропесо я поверхностном слое металла элемента ТС при изнашивании дождан стимулировать накопление металлом различного рода зскакеник кристалл-ческой решетки. Наличие искажений крпссаллическсл решетки металла поверхностного слоя элемента ТО в диссертации оценивалось ио остаточным напряжениям ( 0>; н (Зу ) на поверхности цзнаигграккя абра-зцоз.

Представленные на рис.6,7 результаты подтверждают пелиде-формашокный характер разрушения сталей абразивом при изнашивании и объясняют известнее не работам М.Ы. Трудов?., ".1. А. Бабичева, М.М. Теыенбаума .др. авторов различие ,з износостойкости сталей одинаковой твердости свойством микроструктуры металла, заключающимися в способности кристаллической решетки накапливать искажения при пластическом деформировании.

Установлено (рис.6), что твердость металла не монет рассматриваться з качестве критерия накопления иогяаенпй кристаллической решэяшй металла при изнашивании абразивом, поскольку дач сталей при разной твердости имеет место существенное различие величин остаточных напря-текий (¡у , , зефьсирозанных на поверхности образцов после испытания на изнашивание. '

Следовательно^износостойкость сталей' является характеристикой металла, конгроещрувмой микросвойстзами структуры стали. Такими г.шкрэсзойствами структуры стали, кентро.таруюгщмя износостойкость металла, могли бы слушать остаточ^-ые напряжения (рис.7), однако остаточные напряжения в сиг/ особенностей их формирования

(разнообразие причин возникновения з малый г.-асштаб распространения) не могут использоваться в качестве :д:.-.енерных критериев износостойкости сталей.

2«о гоо +м £оа ем 7 со гса см тбердость ну

Рис.6.Зависимость остаточных напряжении'от твердости сталей (ТС В I). ■.

8,0 &

4,0 2>0

.сиз) в-45 □-Р1в «-««акмг

; *

—1—1—1—1_ . _ 1 _. _1 _ 1___i_.J_._I_ 'т*** Я*о«о

¿оо зоо 400 5оо еоо 700 8<ю «V

Рис.7.Зависимость интенсивности изнашивания сталей (ТС № I) от твердости металла (в скобках указано значение /бу| в МПа, зафиксированное на поверхности образцов после испытания на изнашивание). - • '

В работах В.С.Ившовой,Б.И.Костецкого,В.В.Федорова,В.С.Попо-ва,ЛЛ.Погодаева, Н.С.Пенкина.И.Р.Клейса, Г.Фляйшера и др. 'исследователей развивается направление, основывающееся на энергетической концепции прочности твердых тел при механическом нагружении. Согласно этой концепции состояние разрушения трактуется так механическое состояние, при котором кристаллическая решетка металла накопила некоторое предельное количество подведенной внешней энергии механического воздействия. Предпринимались попытки определить энергетические характеристики прочности на основе термодинамических констант металла (В.С.Иванова), калориметрических исследований (Б.И.Костецкий), металлографических исследований (В.С.Попов,Л.И. Погодаев), трибологических испытаний (Н.С.Панкин, И.Р.Клейс, Г. Фляишер). .

Исследования механизма разрушения сталей 'при изнашивании абразивом, выполненные в диссертации, позволяем рассматривать разрушение сталей при абразивном изнашивании как полидефоргационное разрушение, металла элемента ТО. В этой связи энергетическая концепция прочности металла. представляется наиболее обоснованной, поэтому в диссертации была сделана попытка в качестве критерия износостойкости исполь'зовать новую характеристику механических . свойств ~ энергоемкость металла. ЭнеЬгоемкость предлагается использозать в качестве критерия способности кэтэлла накапливать в объемах, ответственных за контактную прочность',' искажения крпс-таллической решетки, обусловленные пластической''Дейорглаврзй материала поверхностного слоя элемента ТС.-':

В шестой глазе работа была -рйЬена комплексная задача исследования влияния механических свойств сталей и стрзлстуры ТС на трибологические. характеристики металла.

Разработка вопросов критериальной оценки износостойкости сталей, при изнашивании абразивом, а такяе вопросов синтеза ТС.с

участием абразива представляет собой acosija методологическую задачу поскольку, с одной сторону триСотзхяические характеристики стали определяются некоторыми глехагатсескЕМИ свойствами металла (их принято ЕМбЯ01зать критериями), а с другой - структурой три-босистемы б рамках которой исследуется тркболсгическии процесс.

Поскольку согласно исследованиям Х.Чихоса, Г.Краузе и др. структура ТС включает значительное количество составляющих элементов, результаты,представленные в этой главе работы,опираются помимо результатов автора также на исследования абразивного из-налхвання, выполненные М. tí. Хрущевым и М.А,Бабичевым, H.Í.I.Серпиком и М.й.Кантором, Э.Я.Ыархасинум г др., С.П.Козыревым, В.Гитауф-фером. Изменение структуры трибоснстеш б диссертации проводилось

в рамках ТС J? 1,3,4 варьированием зернистости абразива на поверхности контртела (см. табл.1).

Получено, Ч7Т0 в ТС различной структуры рост твердости металла приводит к повышению износостойкости стали. Количественно интенсивность роста износостойкости стали цри этом монет быть разной. Например, по данным Н.М.Серпика и М.М.Кантора, изотермическая закалка сталей приводит к большему росту износостойкости, чем это имеет место при нормальной затылке сталей.Однако тенденция положительного влияния твердости стали на износостойкость металла сохраняется во всех без исключения проанализированных в диссертации трибосистемах, реализующих изнашивание сталей абразивом.

Анализ механики формирования силы трения при взаимодействии в режима микрорезания абразивной частицы и металлической поверхности позволил получить выражение, связывающее основные механические свойства стали f)V, и коэффициент трения , для

пары металл-абразив

I =2Ц (0,946 + 2,754-ф^ - 8.407Ц1,? + 10,7221}^) , (17)

Формула (17у позволяет проанализировать . тенденцию изменения коэффициента трения для парк абразивная частица - металлическая поверхность при термообработке сталей. Так^для сталей отношение ^/^'/'-"^оОйт. следовательно тенденцию изменения -С- при термообработке сталей будет определять выражение, стоящее в скобках, т.е. пластичность металла. Этот прогноз подтверждается получек. ~ ными з диссертации экспериментальными данными. •

Проведенные в диссертации исследования позволили триботехни-ческие характеристики сталей разделить на две большие группы: чувствительные к структуре трибосистемы и структурно нечувствительные трибохарактеристикк. Л. первой : группе триботехнлческих показателей относятся параметры шероховатости поверхности изнашивания ( ), характеристики износостойкости )» а татае мнимая плотность энергии трения && , которая могх-т быть определена по формуле ■ "

V IV ■ •/. .

ей = » , (18)

ь

где рх - номинальное давление на контакте;

I

- коэффициент трения; - интенсивность изнаш>шапия.

В трибологии характеристика занимает.особое полс:з8Нпз, поскольку согласно исследованиям Г.Эляйшера, Д.Грагора. Х.Тума использование позволяет с помощью так называемого числа износа % исследовать взаимосвязь макросвойств ( Епу.) и микро-

у

свойств (<2(1) элемента ТО, спираясь на энергетическую кшцглгао разрушения материалов при изнашивании

е?--^- • С")

. Результаты представленные в таблице -3, могут быть интерпретированы как подтверждение полидеформационной природа разрушения сталей при изнашивании абразивом.

Таблица 3

Число износа Ч, цри изнашивании отожженных сталей в условиях скольжения по абразиву (ТС Л I)

Марка стали ! Энергетический показатель ! ^ ,£дЗ

¡Макроуровень Еп^. ¡Микроурозень -/О"3 !

МДК'М 3

45 520 92 5,6

12Х18Н10Т 850 290 . 0,3

40X13 ' 650 116 5,6

До 630 141 4,5

Р18 250 172 1,45

Структурно нечувствительной трибохарактеристикой является коэффициент трения на контакте металл-абразив. Иллюстрация такой дифференциации триботехнических характеристик сталей яьля-' ются результаты, прэдстазленные на диаграммах рис.8. Из диаграмм видно, что в рамках реализованных модельных ТС интенсивность изнашивания исследованных элементов ТС разнится в гч> 300 раз, а коэффициент трения при этом различается лишь в 1,72 раза.

Таким образом, ряды для структурно-чувствительных трибоха-рактеристик имеют выраженный характер. При этом положение того или иного материала внутри ряда определяется механическими свойствами стали. В совокупности со структурой ТС механические свойства металла определяют для данного материала уровень конкретно-'го триботехнического показателя. Полученная также идентичность влияния механических свойств металла, на триб©технические харак-терпстпкЕ сталей в модельных ТО разной структуры позволила при

'¿-У

PHc.a.te^a гриб от ехноте склх характернее. \ /а/, -L /б/ <=£ /в/ сталей. 4 ' т ' ' *

решении задач, поставленных в диссертации, опереться на результаты, полученные в рамках реализованных е диссертации модельных трибескстам. ■

Седьмая глава работы посвящена исследованию вопросов критериальной оценки триботехнич.ескик характеристик сталой по механическим свойствам металла.

С этсй целью проведен анализ причинно-следственной связи механических свойств и триботехничееких характеристик сталой, на основании которого установлено, что -триботехничесгсио характеристики (износостойкость, коэффициент тренш) контрслирузтся проч- -ностным и деформационным фактором трибслогического процесса. Указанные факторы при влиянии на названные триботе/няческие характеристики накладываются друг на друга. Показано, что износостойкость контролируется-в основном гсочносткнми свойствами изнашиваемого металла, а коэошициент трения контролируется комплексом прочностных и деформационных -свойств сталей.

Для количественной критериальной сценки сопротивления сталей изнашиванию целесообразно проанализировать поведение металла при трибологическом нагруженки на обоих этапах формирования контакта металл-абразив (см.рис.1): на этапе внедрения частицы абразива в изнашиваемую поверхность и на этапз тангенциального относительного перемещения элементов ТС. С этой целью было предложено нормировать условия изнашивания фиксированием глубины внедрения абразивной частицы • Ь, = Сси^Ь . Нормирование услозий изнашивания указанным способом возможно для ТО, в которых имеет место как скольжение, так и удар по абразиву.

Реализация предложенного методического условия нормирования в диссертации проведено в рамках ТС .'г 2, когда давление на контакте было пропорционально твердости изнашиваемою металла р~ Ц\/. Кроме экспериментального метода реализации условия ¡1= были предложены так называемые нормированные триботехкичеекпе

характеристики сталей (табл.4), с помогаю которых для целей диссертации возможна интерпретация результатов, полученных в рамках традиционных ТО абразивного изнашивания,' в которъх Р =ао^гЬ для всех исследуемых материалов.

Таблица 4

Нормированные (приведенные) трибохарактерксткки сталей

I

Формула 1 Размерность

Приведенный изяоо

Приведенная износостойкость

Приведенная интенсивность изнашивания

Приведенная относительная износостойкость

В таблице ' . ¡(/ь> ~ коэффициент внедрения стал:! определяется

• твердостью изнашиваемого металла;

!

и^И^; трибохарактзрпстшш, определенные при традиционных условиях изнашивания р= С£И?Г. Слезет отметить, .что представленные■в табл.4 нормированные трнбсхарактеристтаси: применимы для рошегап различных трибологичес-ких задач. Так. напркг/гер, характеристики И " л <£. . удобны, в силу наглядности получакитахся завясгмостэй, при разработке вопросов трибологического материаловедения, в то время как характеристик/ целесообразно использовать при исследовании вонрссоз сценки долговечности элементов тс оборудования. Поскольку в дпссертацп: решались оба названные круга задач,' относящихся к проблеме синтеза трибосистем, поэтому з дальнейшем были проанализированы

Наименование показателя

-дд

^г'Знгкы

различные нормированные характеристики.износостойкости сталей.

Помимо практической полезности нормированных тршохаракте-рнстпк в диссертации обосновано кх использование для анализа механизма разрушения сталей абразивом при изнашивании. С этой целью были привлечены результаты,полученные К.-Х.Цум 1аром и Д.ыевесом при исследовании абразивного изнагпзания пластичных , металлических материалов. В диссертации установлено, что норми-' реванше трпбохарактеристики представляют собой трибологический аналог коэффициента микрорезания (см.рис.1).

Использование нормированных триботехнич'еских характеристик дает, по нашему мнению, возможность по результатам-исследования пзнашиваия ■ сталей в определенней трибосистеме делать вывод о" ведущем в этой ТС механизме (мпкророзание или пластическое пере-дефоргшрование) разрушения металла абразивом.

Так постоянство представленных в табл.4 нормированных три-бохатактеристик, когда orüd о и ^гйс/(r"= ü -зависимостей

е-* сну)" , позволяет констатировать идентичность для анализируемой ТС механизма разрушения' металла абразивом в исследованном диапазоне твердости стали. Иные тенденции изменения за, висимостей свидетельствуют о смещении механизма разрушения стати абразивом при изнашивании к микрорезаниа . ( <Jrac! ^ad Q >0 \ m полидеформационному процессу

). IIa обширном экспериментальном материале (данные Б.Г.Лазарэнко, К.-Х.Цум Тара, М.Ы.Хрущова, Н.М. Серпика, С.II.Козырева, В.Штауффера) проиллюстрировано использование нормированиях триоотехнических характеристш: для анализа механизма разрушения сталей абразивом в ТС различной структуры.

Еще одной областью применения аппарата нормированных трибо-характеристик является т-фитериальная оценка износостойкости сталей по механическим характеристикам металла. В диссертации

получил развитие подход к критерию абразивной износостойкости ( ранее примененный в работа:: М.М.Хрущоза, Ы.А.Бабичева, Н.Н.Еры-г.ова, согласно которому структура критерия износостойкости стали включает как свойства, обусловленные природой изнашиваемого материала, так и свойства, приобретаемые сталью при термической обработке. Установлено, что для фиксированного уровня прочности стали нормированная (приведенная) износостойкость металла растет по мере увеличения пластичности материала. Это обстоятельство достаточно убедительно согласуется с исследованиями деформационных процессов металла поверхностного слоя элемента ТС при трибо-.логическом нзгрукеши абразивом,приведенными в 5 главе диссертации.

В диссертации было впервые проведено исследование влияния энергоемкости при пластической деформации сталей на пордщрован-нке трибохарактеристикз металла. При-исследовании зависимости И^(Еп^) ц 7/, (1?п$) было принято допущение, что во всем--диапазона свойств, обусловленных термической обработкой сталей на различные структуры, механизм разрушения сталей абразивом идентичен, т.е. согласно вышеизложенному 0-С\Ь*Л~ , МИЗ'Ь. В этой связи в качестве критерия нормированной износостойкости предложено использовать энергоемкость при 'пластичесхюй дефюрма-ЦШ1 сталей в отожженном состоянии.

Таким образом^критериям! износостойкости сталей .являются: энергоемкость отслсзеннсм состоянии и твердость №(

после термической обработки. В диссертации были получены полу-змпиркческие формулы для оценки грчбохарактеристик сталей , % по механические свойствам металла

И{ = ( 256 + 0,11 Е^)' ; (2С)

( 73.2 - О.Сг&З-Еп^-!!^'5"- 1СГ5 • (21) •

Дет графической интерпретаций. полученных зависимостей

Ис(£п$7 Н'/(} и щ) были построены номограммы (рис.9)

для оценки триботзхничзских характеристик, сталей по механически;.! свойствам металла. Номограммы, • обладая достаточной наглядностью, позволяют решать некоторые задачи "трибоматерпаловедекия, связанные со сравнительной оценкой И; и .для различного сочетания механических свойств сталей' , а огакае с анализом пу-

тей повышения износостойкости сталей -варьированием критериев износостойкости металла. - . . ' •

Разрабатываемый в диссертации подход к критериальной оценке тркботехншееккх характеристик оталей к ¿слсыгьзулцмй одайм из . гфитериэЕ-энергоемкоотъ металла црк' пластической. деформации, позволяет комплексно решать задачу повышения как контактной.гак и усталостной прочности деталей трибосояряг,зний,'.что особенно ва>;аю з связи с разработкой допросов сшгеза ТС^реэлвзуэщах изнашивание сталей абразивом,. поскольку'дая деталей оборудования, взаимодействующего, с.-абразивом, наличие абразивного, изнашивания обычно осложнено ЗЕакояеретлэншш нагрунением деталей трибосолря-

лсзния. ... , , : '

В восьмой главе -работы рассматриваются вопросы оценки рзеу-рса элементов ТС з условиях изнашивания сталей абразивом на стадии синтеза трибосопрякекин,, В работах Х.Чихоса, Г.Краузе, М.А. Левитина и др. развивается системный подход к трибологии, использование которого позволяет выявить козне внутренние связи трибо-логических процессов. В диссертации системный подход нашел свое применение при решении задачи оценки ресурса элементов ТС.

Вследствие достаточно хэстких требований к параметрам технических устройств ц рентабельности их производства с одной стороны и многообразия способов изготовления деталей ц используемых

конструкционных штсриалоз с другой, выбор материал элемента ТС представляет собой достаточно слокную оптплцзационную задачу- трибологии. В главе 7 диссертации бнл рассмотрен ьгатеризлозедчвскпп аспект проблемы выбора материала элемента ТС для услозкй изнаши-занш сталей абразивом.

Второй составной частью сштеза ТС является оценка ресурса элементов трибосистем. В диссертации показано, что при разработке воггросоз синтеза ТС необходимо б качестве исходны:; данных синтеза использовать трпботехничеокиз свойства конструкционных материалов, В аналитической форме работоспособность технического устройства,содержащего синтезируемо ТС,предлагается зырагдть в виде условия прочности-долговечностп

(22)

тде ОдсЬ;, ТасЬ-п - допустимое напряжение-материала и требуемый

' ресурс элемента ТС соответственно.' Условие прочности-долговечности (22) предлагается реализовать'в. дза этапа,, представляющие собой прочностной и трибслогичеокий синтез- (рис. 10),. Однако, для реализации второго (трибологичвскоро) этапа синтеза в диссертации была разработана соответствующая мзто.дика сценки ресурса элемента ТО применительно к изнашиванию сталей абразивом по!механическим свойствам металла.

Пря анализе использующихся в'настоящее время триботехзичес-ких характеристик з связи с решением задач диссертации обращает на себя внимание дза инварианта: фактор износа ф-, , ?Я1а~х и удельная интейоивность изнашивания С/., которые нашли применение при реиении сходных задач. '

В диссертации были проведены исследования инварианта Ф0 для статей. Исследования проводились в рачках модельной трибоск-стеш $ 2 (см.табл.!). Величина Ф] при этом определялась по

-

Рис.IG.Структурная схема синтеза ТС . ' .

I'- предварительны;'!, (прочностной синтез). П - окончательный (-грибологячэский-синтез).

Рис.И.Сэтуктурко-логическая cxèra сданки_росуроа тркбосоцряаэнгд по фактору износа Çj .

- -

формуле

я, Зь.

Учитывая, что наиболее распространенными конструкционными материалами з машиностроении являются стали перлитного класса, была прозедена статистическая обработка зависимости ф^ ( НУ ) для сталей перлитного класса г получено уравнение регрессии

ф^ = 7,07-1СГ? - 6,94-10~Э- НУШа"1 . (24)

Для оценки ресурса элемента ТС по фактору износа предложен* структурно-логическая схема (рис.II), согласно которой последова тельно определяется интенсивность изнашивания ,скорость изнашивания: ^ и ресурс Т" элемента ТС. При определении ^ делается общеупотребительное для данного класса трибосистем допущение о постоянстве скорости изнашивания металла элемента ТС абразивными частица:.®

З^Фз-ртке ; (25)

£ = "Зн • V •] (26)-

(27).

здесь номинальное давление на контакте, Ша;

Ке- поправочный коэффициент, учитывающий влияние на интенсивность изнашивания энергоемкости при пластичес кой деформации сталей (табличный); ^ - скорость относительного перемещения элементов трибосистемы, м»с-^-; К-аЫм - допустишй износ элемента трибосопря жения.

Изложенная методика (24-27) позволяе1" оценить триботехничес кие характеристики элементов ГС при наличии перечисленных выше исходных параметров. Тех по данным И.В.Юзакова, Г.Я.Ямпольскогс и др. для режущих органов строительных машин, например, харак-

терш' сведущие условия трети о,грунт: ро_= 0,6^...^2,1 МПа, ЛЬ = 0,3 ... 3,1 м-б--"-. Дт-я изнашивания элемента твердостью Н^500 согласно (24) будем иметь фактор износа Ф3 = 3,6»10~%Па--к интенсивность изнашивания соответственно согласно (25) Ъ = 2,16 • 10"^... 7,6 «ПТ®-Близкие значения интенсивности изнашивания плеат тагае детали, как реяущиЗ инструмент -^=1,1 -Ю-0,

онеры скэльяения буровых долот ... , Фрикционные

-с —к п

элементы колодочного торггоза - Лк. - 10' Ю-'.

Оценку скорости изнашивания элементов проектируемой ТС по формуле (26) для аналогичных по сйункцил технических устройств мошо проводить, используя накопленные в прикладной трибологии экспериментальные ¿данные по интенсивности изнашивания.элементов ТС, сведензыо в диссертации в соответствующую таблицу.

Исследование второго трибот:ех511чвското йлва'рЗата позволяет проводить оценку ресурса'элементов практически всрх ТС. В работав И.З.Крах-ельского, Е.Ф.Непоггйзцего,' А'.В.Чисткадзо, Э.Д.Брауна и др. обосновано использование гриботехштческого показателя для целей синтеза трибосопряг-юнлй, однако для ТС, реализующих изнашивание сталей- £бразлзсм,эксзчрп^нташшх исследований проведено недостаточно. 3 дпссертсауш удельная интенсивность изнашивания определялась из внргззгпя . .

: V ^ -...-,.;:' - . -

где 3/1. - интенсивноеть.изнашивания стеля твердостью.' НУ ,

определенная при кстгсаниз с ког-впадашм давлением р^. Для условий изнашивания сталей абразивом при скольжении установлено, что удельная интенсивность пзнгшгЕанка изменяется в пределах Чи - (о,5 .. .;2,5) «ТО""2, что удовлетворительно согласуется с данными других авторов. Зная триботехничес кий показатель

Ц , для изнашивания сталей абразивов лз Екрааения (25) легко определить, какук, интенсивность изнашивания буде^ иметь эл&леят-

ТС твердостью HV i если на контакте с абразивом имеет мес.?о номинальное давление P<i_. Дальнейший расчет ресурса проводится последовательно пс формулам (26,27). -

Использование предложенных в диссертации подходов к синтезу трибосистем, реализующихся при изнашивании сталей абразивом, позволяет обосновать пути решения актуальных задач трибологаческого синтеза технических устройств, к которым относятся следующиз:

- оценка ресурса упрочненных деталей трибосопрязения;

- задача о равностойкости элементов трибосистем;

- задача трибологическсй аттестации технического устройства.

3 диссертации проанализированы также никоторые организационные вопросы постановки трибологических исследований .по проблеме синтеза трибосистем механического оборудования.

Основные зыводы до'диссертации; ■

1.Изнашивание элеглзнтоз трибосистем абразивом, характерное для широкого перэчня ТС оборудования в различных отраслях промышленности,представляет собой говархноо?Е02 разрушение материала элемента ТС абразивными частицами в усдиизд; трибологического на-гружэния металла,которое является источшдом интенсивного деформационного процесса в поверхностном сло$ элемента трибосистэш.

2.При трибологическом Еагруженш метадда абразивом е поверх. ностннх слоях элементов ТС имеет место объемное разноименное деформированное состояние. Отделение частиц.наноса протекает в условиях динамического нагружения металла. Эти обстоятельства силового воздействия абразива на металл при трибологическом нагру-жении способствует накоплению поверхностными объемами элемента ТС внешней энергии. Разрушение поверхностного слоя элемента ТС при изнашивании абразивом, носит полидеформационкый характер.

3.Деформационный процэсс при контактном взаимодействии металла и абразива является источником модификации сгру1лурного

состояния сталей в поверхностном сдое элемента ТС, Эволюция структурно-фазового состояния прп этом протекает в условиях накопления металлом искажений, зфипталшгееской решетки и выра'кается в наклепе металла. Аустеннт, феррит, а такне мартенсит в сталях обладают повышенной склонностью к деформационному упрочнению при тркбологи-

г

ческом вагрукении по сравнению со структурами отпуска сталей.

4.Установлено, что триботехнические характеристики материала .элементов трибосистем, реализующихся при изнашивании сталей абразивом, могут быть как чувствительные к структуре ТС ($0.) Нпигк,(г

), так и структурно нечувствительные (). Ряды для структурночузствительных трибохарактеристик имеют выраженный характер. При этом значении трибохарактаристкки для некоторого конструкционного материала определяется механическими свойствами стали. В совокупности со'структурой ТС механические свойства металла определяют для данной маркл стали уровень , ..он-кретного трибстехнического показателя.

5.Анализ причинно-следственной связи механических свойств сталей и гос. износостойкости показал, что при'разработке критериев износостойкости сталой необходимо четко ийентигоццхфсвать отдельные этапы взаимодействия элементов трибосдотемы, ^итериально сопротивление металла силовому воздействия при триболсгическом нагртгазнии следует оценивать дал капцоге выделенного этапа взаимодействия металла и абразива.

6.Исследование вопросов критериальной оценки трдботехнотеоких

характеристик сталей по мехэхпческим свойствам металла вызвало

необходимость разрабстк.^ аппарата нормированных гргбохарактерис-

тик ( , И' , )»• использование которая делает воэмоладсл количественно оценить урозень соответствующей. ^рибохарактср.истики, а

также качественно оценить эволюцию мохил^зма разрушения металла

на контакте с абразивом грк изнагизачг-й!. . '

7.Разработан, метод исследования локальной пластичности металла и созданы методические средства для его реализации. Метод апробирован на цилиндрических: разрывных и плоских образцах с надрезом. Реализация метода позволила ввести в научно-тзхничвсмй . оборот новук: механическую характеристику - ресурс пластичности

8.Разработан метод определения энергетического показателя механических свойств металла энергоемкость при пластической деформации Показано, что закономерности изменения энергоемкости термообрайотанных сталей несут принципиально коьую. кифор-

. мациа о пластической деформации и разрушения металла при механическом нагрукэнии. Исследование взаимосвязи механических овсйстз сталей позволило получить дополнительные сведения о природе прочности металлических татариалоз,■использовагае которых дало возможность критериальной оценки триботэхыических.свойств материала поверхностного слоя элементов ТС. . . "

.9.Установлено, что для условий изнашивания. сталей абразивом критерием износостойкости является комплэкс прочностных п пластических свойств сталей ( НУ»(Га» Фк. ')• Предел прочности; и относительное сугзкиэ объединены соотвзтстыувдгал выражением 'в показателе - энергоемкость металла при пластической деформации.

~ Ё^с С Фк) , 'Структура критерия износостойкости И -НУ0'5; - с позиций механи-

ческих свойств металла сопротивление ста-

лей силовому воздействии абраадзаазс частиц при трибологзчоском кагружешзи. . ■

Ю.Разработак■ комплекс нагограим дан оценки триботехнических характеристик сталей по ызханичеыснм свойствам матаяла.Номограм-ш позволяют решать различные трибологкческаэ задача, гак определение трибохарактержтик

так и сценка эффективности различных способов упрочняющей сора-ботки сталей для повышения износостойкости металла при изнашивании абразивом.

II.Оценку ресурса элементов трибосистем применительно к изнашиванию сталей абразизогл следует проводить по триботехническим инвариантам: фактор износа <f>j f.üla"^ и ¿'дельная интенсивность изнашивания Lf¡_. Предложена структурно-логическая схзма синтеза 1С с использованием фактора износа. Проанализированы практические задач:! трнбологичоского анализа и синтеза, ращение которых возможно на основе результатов исследований, выполненных в диссор- ^ тации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I.Влияние механических характеристик статей на их сопротивление абразивному изнашиванию. "Трение и износ". IS84, т.5, Л1 5, е.794-805 (в соавторстве).

2.06 эволюции структурно-базового состояния сталей при воздействии абразива. "Трение и износ". 1991, т.12, й 3, C.3S6-402 (в соавторстве). '

3.Влияние твердости сталей на трпботех^отэские характеристики ■летатла при изнашивании абразивом. "Трение и износ". 1991, т. 12, !: 4, 0.653-655.

4.Влияние мохшшческих характеристик закаленных сталей на их абразивную износостойкость. "Зесткик машиностроения". 1983, ¡Ь 2, d.38—4.1 (з соавторстве).

5.Расчет износа и сила трения с позиций энергетических и терчо~' цшамичееких соотношений, "Проблемы трения и изнашивания". 1978, зып.14, с.18-23 (в соавторстве).

6.Определение ресурса пластичности металла методом изгусстген-

nix баз. "Заводская лаборатория", 1080, т.46, .'5 5, с.453-459 ( в юавторствз).

7.К методике определения ресурса пластичности стали. "Заводская лаборатория" IS80, т.46, 1Ъ II, с.1047-1043 (в соавторстве)

8.Методика отгределннля абразивной износостойкости стали. "Заводская лаборатория". IS8I, т.47, И о, с.81-82 (.в соавторстве),

9.Методика определения удельной энергии пластической деформации, сталей. "Заводская лаборатория:' 1932, т.43, Уг 10, с.68-70 (в соавторстве) .

10.К методике испытания конструкционных материалов яри ударе по абразиву, "Заводская лаборатория". 1988, т.54, J5 6, с.80-82 (в соавторстве). •

II .Методика и результаты исследования локальной пластический, деформации сталей. "Заводская лаборатория", I99C, т.53, И S, с.94-97 (в соавторстве).

12.Методика определения 'интенсивности изнашивания стали в. условиях удара по абразиву. "Заводск&ч лаборатория". 19Э1. т.57,

j'5 2, с.54-57 (в соавторстве). •

13.Методика исследования склонности сталей к деформационному" упрочпешк) по результатам испытания разрывных образцов. "Заводе-, кач лаборатория". IS9I, т.57, is 10, о.32-34.

14.Обеспечение износостойкости изделий. Метод определения энергоемкости при пластической деформации материалов. ГОШ? 23. 218-84. М.; Изд.стандартов (в соавторство). ' •

15.Определение энергоемкости высокопрочных хромоникелдвых мл- . рок стали при механическом нагругэкии.' "Применение новых.материалов и сплавов". 1978, К 14-78-19, сД0-П.

16 .Абразивная износостойкость сталей 45 и 4(ШЗ. "Применение новых матерпалоз и сплавов". 1980, № 14-80-12, с.11-13.

1?. The plastic. cie^er-mcdr/eii ¿nwgii^CLtton-o{ trtio system ¿-Pe w-oits o± ti\z a-6ro.scve ZocLclinf. Pres. 5-Ыl Сои<*г. Tri^si

>ле : 'ёгоЫ-Ь'п , p. 366-3??

coa-¿горст

18. W^ar ¿¡f abrasiveS : iv.ziJwcLQ'Pcciy and ^¿utts,

of . Tri'l&toff с'ц-fcernational,

№1, Ы. au, NI17 p. Q0aTGpnT&).

IS.Деформационная способность металла в условиях трибологпческого абразивного нагоужеяия. Б.кн.'Шовкшекке кадэгзсстл строительной техники на стадии эксплуатации". Красноярск, 19Э0, с.50-56.

20.Яаклеч статей в результате негомогенной пластической дефор-ьйцвя при абразивном нагружэаш:. • В кн. "Собшзэекз надежности строительной техники'на стадии эксплуатации". Красноярск, 1990,

о.57-63 (в соавторства).

21. Экспресс-метод сценки абразивной износостойкости. теруосбра-йотанной стали. В кн."Повышение износостойкости деталей машин", Баку. I98C, с.5-6 (в соавторстве).

22.Хритзрии износостойкости стали при скольжении по абраз;шу. 3 кн. 'Повышение износостойкости деталей машин". Баку, ISS0,

с.6-7 (в соавторстве).

, t

■ 23.Методика расчета абрэ.зшзной износостойкости конструхцкон-ни сталей. Тез. докл. Всесоюзной коггйзренцил, Краснодар, 1981, с.135-136 (в соавторстве). '

24.Помоттрамма для опенки сопротлвлзпия статей абразивному пз-нашзанзю. В кн. "Триботехника ~ машиностроению". i.i.:1933, с.173-174 (в соавторстве) -. '

25.Исследование износостойкости инструментальной оснастки дг-j переработки керамики. Тез. докл. Всесоюзной конференции. Запо-рольэ, 1383, с.163 (в соавторстве). .

26.Удельная энергия пластической деформации сгалоп как крите-pifi их износостойкости, при ударно-абразпзнсм игик^ивании. Ъ кк.

"Надежность и долговечность машин ц приборов". Куйбышев,19Б4, с 211-212 (в соавторстве).

27.Исследование пластичности материалов при абразивном иаг-ружении. В кн. "Проблемы повышения износостойкости гезонефтепромыслового оборудования". М.: 1989, с 28 (в соавторстве).

28.Феноменологическая модель разрушения стали на хоьтакте при изнашивании в условиях удара по абразиву. В кн." Проблема повышения износостойкости газоиефгепромыслового оборудования". М., 19В9. с 29 (в соавторстве) \

Подписано к печати 19.02.92.

Формат бумаги 60x90 1/16. 0б"еы 3,1 п.л

Заказ 64. Тирах экз ПО.

Типография ВШИЖГ, 3-я Мытищинская уа. д. 10.