КОРЕЛЯЦІЙНІ ЗАЛЕЖНОСТІ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ СПЛАВІВ ПРИ ВИЗНАЧЕННІ ЗНОСОСТІЙКОСТІ В УМОВАХ АБРАЗИВНОЇ РУЙНАЦІЇ
С.М. Попов Д.М. Яланжи
Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя
В работе представлен анализ методов определения корреляционных зависимостей физико-механических свойств и структурно-фазового состояния к износостойкости сталей и сплавов в условиях абразивного изнашивания. Рассмотрены проблемные аспекты не позволяющие получать однозначную оценку способности материала противостоять абразивному разрушению. Предложен комплексный метод исследования трибосистем на основе многокритериального параметрического описания.
У роботі подано аналіз методів визначення кореляційних залежностей фізико-механічних властивостей та структурно-фазового стана до зносостійкості сталей і сплавів в умовах абразивного зношування. Розглянуто проблемні аспекти, які не дозволяють отримувати однозначну оцінку здібностей матеріалу опиратися абразивній руйнації. Надано комплексний метод дослідження трибосистем на підставі багатокритеріального параметричного опису.
The analysis of the methods to be used for determining the correlation dependences of physicomechanical properties and structural-phase state to steels and alloys wear resistance is given in the paper. The problem aspects which do not allow to get an equivalent estimation of the material ability to resist to abrasive destruction are considered. A new research method of tribosystems on the basis of multi-criteria parametrically represented description is offered.
Зношування металів і сплавів складає сукупність складних явищ що відбуваються, як у матеріалі, який зношується, так і в абразивному середовищі, що ініцює цей процес. Ці процеси відтворюють значні зміни структури та фізико-механічних характеристик металу робочої поверхні деталі.Складність механізму абразивної руйнації є причиною відсутності чітких критеріїв та методів, за якими можна достовірно оцінювати здатність матеріалів до опору зношуванню, посилаючись на його фізико-механічні властивості, хімічний склад та структурний стан. Характер структурних змін робочої поверхні терття і абразивних часток істотно залежить від зовнішніх умов, що включають температуру, робочий тиск, швидкість відносного переміщення ступінь корозійної активності навколишнього середовища, та інші.До дійсного часу не вироблено загальних методів, за допомогою яких можна було б одержати надійну оцінку властивостей металів при зношуванні і прогнозувати зносостійкість конкретних матеріалів насамперед до заданих умов експлуатації.
Загальна інформація про залежність між зносостійкістю металів і механічними властивостями, отримана за допомогою лабораторних та виробничих методів дослідження зношування, досить докладно представлена у роботах вітчизняних [1-5] і закордонних науковців.
Дослідження сталей і сплавів у широкому діапазоні хімічного складу та структури підтвердило існування встановленої М.М. Хрущевим [1] і іншими дослідниками прямо пропорційної залежності зносостійкості від твердості чистих металів та відпалених сталей. Однак, для легованих та термічно оброблених сталей із нестабільною вихідною структурою здатної до перетворень у процесі зношування прямо пропорційна залежність «твердість - зносостійкість» не дотримується. Факт порівняно високої зносостійкості щодо аустенітної сталі Г13, з невисокою початковою твердістю в умовах значних ударних і статичних навантажень відомий давно.
Для складнолегованих нестабільних сплавів відсутня однозначна кількісна кореляційна залежність зносостійкості і від інших механічних властивостей. Наприклад, межі міцності, модуля пружності, межі текучості [4] ударної в'язкості [3,5]. Виявилось, что ступінь кореляції між цими властивостями і зносостійкістю є ще меншим, ніж між твердістю і зносостійкістью. Процеси, що відбуваються в таких сплавах при взаємодії з абразивними тілами складні і не відтворюються при звичайних механічних випробуваннях, тому встановити однозначний зв'язок зносостійкості з окремими механічними характеристиками не вдається. Спроби будь-яким чином узагальнити наявні в літературі відомості про кореляційну залежність зносостійкості сталей із міцністними чі пластичними властивостями згрупованими певним чином, не забезпечують одержання надійних прогнозів про здатність стопів до опору зношуванню. У роботі [4] висувається ідея щодо оцінки зносостійкості по кількості добутку тимчасового опору розриву Sк на відносне подовження INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/1.gif" \* MERGEFORMATINET . Передбачалося, що такий критерій може характеризувати спільний вплив міцністних та пластичних властивостей на зносостійкість сталей.
Однак у стопах з нестабільною аустенітною структурою, у якій при взаємодії з абразивними тілами відбуваються структурні INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/2.gif" \* MERGEFORMATINET перетворення, чітко виражена залежність зносостійкості від початкових механічних властивостей не виявляється. Такі матеріали можуть мати високу зносостійкість при відносно невеликій вихідній твердості. Слід зазначити, що чисті метали та відпалені сталі, для яких вірна пропорційна залежність зносостійкості від механічних характеристик, мають низьку зносостійкість і, для зміцнення деталей машин у більшості випадків не використовуються. Таким чином, для цієї групи сталей механічний метод дослідження не забезпечує одержання вичерпної інформації про кореляційну залежність фізико-механічних параметрів на процес руйнування таких сплавів в умовах абразивного спрацьовання. Це з`ясовно оскільки ушкодження матеріалів при абразивному зношуванні локалізовані в мікроскопічних об`ємах, у місцях їх контакту з абразивними тілами. Тому підхід, заснований на трактуванні залежності зносостійкості від початкових механічних властивостей, недостатній для пояснення фізичної природи абразивного зношування.
Металофізичний підхід дослідження, який включає металографічний, рентгеноструктурний, електронно-мікроскопічний та карбідний аналізи осаду матеріалу робочого шару до і після зношування, виходить з існування залежності між здатністю матеріалів до опору руйнуванню при зношуванні і процесами, що відбуваються на поверхні тертя під тиском абразивних тіл у процесі експлуатації. Першим етапом руйнації робочого шару є утворення зародкової тріщини від скупчення дислокацій, що переміщуються у металі під впливом дії абразиву. А у процесі руху і взаємодії дислокацій при зношуванні на окремих ділянках поверхневого шару формуються умови, сприятливі для утворення і розвитку тріщин. Тому всіляки засоби, за допомогою яких ускладнюється переміщення дислокацій, сприяють підвищенню зносостійкості металу при роботі у абразивному середовищі. Тому створення умов, що ускладнюють виникнення і зростання тріщин у металі в процесі його взаємодії з абразивом, є головною задачею, що повинна вирішуватися під час розробки зносостійких сплавів та виборі технологічних методів підвищення стійкості металів.
Накопичені наукові дані, а також результати власних досліджень, проведених у лабораторних і виробничих умовах, дозволяють виявити загальні залежністі зносостійкості від структурно-фазового стану сплавів. Так в умовах абразивного зношування ферит є найбільш слабким серед інших структурних компонентів. При цьому практично не виявляється різниці в зносостійкості феритних сплаів від технології одержання такої структури, наприклад – шляхом виливки чи наступного відпалу після гартування. Легування ферита частково збільшує його зносостійкість, тому що низька опірність руйнуванню ферита пов'язана з особливостями його кристалічної будови яка обусловлює легке утворення зародкових тріщин при злитті лінійних дислокацій у порожнинні під впливом тиску абразивних тіл. Зносостійкість перлітних сплавів вище ніж чисто феритных. Термічна обробка, що зводить до подрібнювання перліту й одержанню перехідних структур (сорбіт, троостит, бейніт), сприяє підвищенню опіру руйнуванню під впливом абразивів. Однак руйнування сталей з перлітною структурою при абразивному зношуванні головним чином визначається физико-механічними властивостями феритної фази, тому і рівень їх зносостійкості відносно невисокий.
Мартенситні сталі в порівнянні зі сплавами, що мають у структурі ферит чи стабільний аустеніт, мають кращу зносостійкість, однак, висока крихкість матеріалу, обмежує коло їх застосування оскільки підвіщується верогідність зколів металу при експлуатації деталей.
Карбідна фаза, її тип, форма, розміри і характер розподілу в структурі металу мають велике значення у визначенні рівня здатності стопу до опору руйнуванню при абразивному зношуванні.
При рентгеноструктурному дослідженні поверхні тертя стандартних матеріалів з нестабільним залишковим аустенітом показано, що у сталі 20Х глибина шару, у якому відбуваються структурні зміни, досягає 50 мікрометрів, у сталі Х12Ф, загартованої з 1175 0С – від 16 до 50 мікрометрів. При цьому рівень зносостійкості значною мірою визначається характером перетворень і об`ємом металу, у якому вони здійснюються.
Дослідження характеру змін у робочому шарі металу в процесі абразивного зношування з застосуванням металофизичного методу дозволяє одержати якісну залежність зносостійкості сплавів від цих змін але не дозволяє установити зв'язок складу, структури та фазової будови зі зносостійкістю при абразивному зношуванні, що не дає можливість оцінювати внесок в здатність опиратися спрацьованню кожного з механізмів, що відбуваються у робочому шарі деталі під впливом абразивних тіл. Визначення частки, внесеної цими процесами у загальну зносостійкість сплавів, може бути зроблена за величиною енергії, яка витрачена на їх здійснення.
Енергетичний метод дослідження абразивного зношування заснований на аналізі енергії, що передається металу абразивним тілом у процесі їх взаємодії. Аналіз балансу розподілу показує що частина цієї енергії витрачається на пружну і пластичну деформацію, здійснення процесів зміцнення і відділення мікрооб`ємів металу від робочої поверхні. При цьому максимальне значення енергії, яку може поглинути сплав не може бути більше, ніж її витрачається на руйнування абразивного тіла. Руйнування поверхні тертя настає тоді, коли метал буде насичений енергією граничної величини, достатньої для подолання сил межатомного зв'язку при відділенні мікрооб`ємів металу та утворення нових поверхонь. З двох взаємодіючих тіл –абразивної частки та протипоставленим їй мікрооб`єму металу буде руйнуваться першим те, у якому раніш буде досягнутий рівень насичення енергією, достатньої для руйнації. Максимальна кількість енергії, що може передати металу абразивне тіло Еа, не може бути більше величини енергії, необхідної для руйнування самого абразиву. У випадку, якщо метал здатний поглинути повністю всю енергію абразива без руйнування де Ем>Еа, та зношування за даний цикл відбуватися не буде. У загальненому випадку підвищення енергоємкості сплавів буде приводити до збільшення їх здібності опиратися зношуванню. Однак на сьогодні, можна оцінити тільки якісний внесок структурно-чуттєвих енергетичних факторів у загальну енергоємність процесу зношування, а для кількісного визначення зв'язка між зносостійкістю матеріалів і енергією, витраченую на руйнацію матеріала потребуе проведення додаткових наукових експеріментів.
Таким чином, при вирішенні задачі дослідження спрацьовання металу у процесі абразивного зношування науковцями ставилася мета розробки зносостійкого матеріалу для цілком конкретних виробів, що експлуатуються у визначеному середовищі при заданих умовах (тиск, температура, швидкості відносного переміщення деталі та абразивних тіл). Тому результати цих досліджень навіть при самому вдалому підсумку, що забезпечує підвищення терміну служби обраної деталі, характерізують тільки особливості конкретних умов абразивної руйнації. Узагальнення цих результатів і поширення їх на всі інші умови спрацювання сплавів на нашу думку є некоректно. А це у свою чергу щораз потребує проведення спрямованих досліджень виявлення кореляції за повною програмою для нових умов зношування.
Виходячі з цього, окремі наукові розробки не можуть служити підставою для рішення проблеми зносостійкості у вигляді узагальненої системи, оскільки виконувалися з різними методичними підходами. Тому виявити загальні закономірності, що описують поведінку сталей і стопів у залежності від конкретних умов абразивного руйнування матеріалів, які мають різні фізико-механічними властивості, структурно-фазовий стан, хімічний склад, є дуже складною, трудомісткою, але вкрай актуальною проблемою зношування. Рішення поставленої задачі можливо на основі структурного системного багатокритеріального аналізу зносостійкості матеріалів, що узагальнює наявну інформацію про зносостійкість деталей у конкретних умовах за допомогою математичної логіки, заснованої на чітких алгоритмах. Одним з основних методів розробки таких алгоритмів систем для умов зношування є синергетичний підхід, що дозволяє враховувати наукові розробки з трибоматеріалознавства, яке грунтується на данних з області матеріалознавства, триботехники, властивостей середовищ, що зношують, і умов зношування (рис. 1). На відміну від відомих методів, що зводяться до тієї чи іншої спрощеної схеми, богатокритериальний підхід дає можливість кількісно врахувати необхідні параметри фізичної моделі сплаву, при якій буде зведений до мінімуму діапазон допущень. Розглянуті в комплексі основні трибоматеріалознавчіх параметри зношування дозволять при різних початкових умовах одержати сукупність окремих рішень багатофакторної системи в різних умовах абразивного руйнування.
Богатокритериальний метод вивчення зношування сталей та стопів відбувається на підставі системного факторного аналізу (рис.2), побудованого на принципі початкової факторної диференціації і кінцевої критериальной параметричної інтеграції.
INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/3.gif" \* MERGEFORMATINET
Рисунок 1 - Загальна структурна схема богатокритериального підходу при розробці зносостійких сплавів
На першому етапі аналізу кожної із систем, що включають металознавчі, триботехнічні, технологічні, експлуатаційні, економічні параметри, проводится їх диференціація і вибір основних критеріїв у максимальній мірі визначаючих процес руйнування металу у даному конкретному випадку експлуатації деталей [7].
Після чого обрані критеріальні параметри з різних систем поступово інтегруються на основі богатокритеріальних методів планування та обробки експерименту зі складанням математичних моделей. Наявність даних про вплив структури і параметрів зміцнюючей фази на здатність сплаву до опору зношуванню дозволять прогнозувати межі зміни фізико-механічних властивостей і хімічного складу матеріалу. Отримані уровні варіювання параметрів сплаву є базою для математичного планування та обробки експерименту, що дозволяє представити процес у виді функцій, що описують взаємний вплив на зносостійкість
INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/4.gif" \* MERGEFORMATINET Рисунок 2 – Структурна схема багатокритеріального системного факторного аналізу трибосистеми
з урахуванням особливостей конкретного виду абразивної руйнації. При цьому кількість рівнянь, з метою складання повної системи і рішення її щодо аналізованого параметра (?-відносної зносостійкістю), визначається кількістью факторів, що змінюються, (F), відомих апріорно чи обчислених апостериорно (на основі власних спрямованих досліджень).
У такому випадку математичне очікування можна представити у вигляді полінома n-го ступеня:
INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/5.gif" \* MERGEFORMATINET
який задається системою взаємозалежних рівнянь виду:
INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/6.gif" \* MERGEFORMATINET
чи у векторній формі: INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/7.gif" \* MERGEFORMATINET , де коефіцієнти аj є відношенням визначників Вандер-Монда ( INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/8.gif" \* MERGEFORMATINET W):
INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/9.gif" \* MERGEFORMATINET , де INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/10.gif" \* MERGEFORMATINET
Побудовані математичні моделі обробляються відомими методами багатомірної оптимізації, що дозволяє одержати оптимальні значення параметрів необхідних для розробки й експлуатації зносостійкого сплаву.
Концепція визначення материалознавчіх параметрів оптимального сплаву для роботи в умовах абразивного зношування містить у собі результати відомих досліджень, що дозволяють зробити висновки щодо здібностей матеріалів опиратися абразивному зношуванню у конкретних умовах експлуатації деталей. Дуже важливим при цьому є точність отриманих експериментальних даних, наявність повної адекватності лабораторних та реальних умов абразивного руйнування [1-7]. Як показала практика, використання такого підходу дозволило домогтися позитивних результатів при підвищенні зносостійкості деталей огнетривкого виробництва (пластини пресування, гільзи, штирі та ін.) [3], робочих органів змішувального устаткування (лопатки, броні, ковші елеваторів і ін.) [7,8].
Висновки
Аналіз досліджень підтвердив, що максимальну кореляційну залежність від зносостійкості матеріалів має твердість. Однак дійсна вона у межах визначаемих структурно-фазовим станом сплавів. Доведено що ступінь кореляції між міцностними ( INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/11.gif" \* MERGEFORMATINET ст; INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/11.gif" \* MERGEFORMATINET т; Ѕк; INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/11.gif" \* MERGEFORMATINET пу) та пластичними ( INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/12.gif" \* MERGEFORMATINET ) властивостями згрунтованими у різних комбінаціях не забеспечують надійних прогнозів щодо здібностей сталей та сплавів опиратися абразивної руйнації. Це пов`язано з тим, що стандартні випробування фізико – механічних характерістик матеріалів не враховують властивості абразивних часток, таких як твердість (Н), міцність ( INCLUDEPICTURE "http://www.otzv.h1.ru/ukr/tribos/articles/22/11.gif" \* MERGEFORMATINET ст), енергія руйнування (Ар) та інші. Крім цього на процес руйнування поверхні тертя абразиом впливають зовнішні умови взаємодії зокрема, багаторазові пружні деформації приводять до виникнення втомлених явищ, пластична деформація викликає зміну вихідних властивостей сплавів, утворення нового структурно-фазового стану матеріалу.
Тому властивості деформованої поверхні залежать від температури, величини тиску, розмірів, форми абразиву і швидкості їх переміщення щодо деталі й ін. Виходячі з цього розуміння з`ясовно що коректне вивчення ціх процесів можливо тільки у богатокритеріальній системі: зносостійкий матеріал – зношуючи середовище – умови зношування сталей і сплавів.
Вирішення цієї задачі грунтується на узагальнену інформацію про зносостійкість матеріалів у конкретних умовах за допомогою математичного та багатокритеріального опису, заснованого на чітких алгорітмах.Розвиток богатокритеріального підходу до вивчення спрацьовання сталей і стопів має важливе методологічне значення, оскільки дозволяє досліджувати взаємозв'язок усіх компонентів у єдиній системі, та дає можливість уточнити уявлення про здатність матеріалів протистояти абразивному руйнуванню і поглибити знання про закономірності зносостійкості в залежності від хімічного складу, структурно-фазового стану, фізико-механічних властивостей.
Список литературы
1. Хрущёв М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. - М.:Наука, 1970 –С. 252.2. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин: - М.: Машиностроение, 1976. – 276с.3. Попов В.С., Брыков Н.Н. Металловедческие аспекты износостойкости сталей и сплавов - 3: ВПК., Запорожье 1996. – 180 с.4. Сорокин Г.М., Бобров С.Н. Основы выбора сталей по результатам испытаний на изнашивание // Металловедение и термическая обработка металлов.-1998. - №2. – С.28-30.5. Лившиц Л.С., Гринберг Н.А., Куркуммелли Э.Г. Основы легирования наплавленного металла.-М.: Машиностроение,1989.-188с.6. Будинaки К.Дж. Трибология. Исследования и приложения. Опыт США и СНГ. - М.: Машиностроениe, 1993.- 412 c.7. Попов В.С., Брыков Н.Н., Попов С.Н. Востановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин.-Запорожье.: Изд-во ОАО “Мотор Сич”, 2000. -394с.8. Popov S.N. Wear resistance of metal deposited on working parts of road-building machiness during their operation// The Paton Welding Journal.-2000.-№8–C.14-18.