Аналітична та експериментальна оцінка впливу складу структури і рельєфу поверхонь тертя на функціональні особливості зносостійких Cr-чавунів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Луцький державний технічний університет

05.02.01 - Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Аналітична та експериментальна оцінка впливу складу структури і рельєфу поверхонь тертя на функціональні особливості зносостійких Cr-чавунів

Шостак Анна Володимирівна

Луцьк - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті,

Міністерство освіти України, м. Луцьк

Науковий керівник: доктор технічних наук,профессор Бобро Юрій Георгійович, Луцький державний технічний університет, завідувач кафедри матеріалознавства і обробки металу тиском

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділом зносостійких покриттів Широков Володимир Володимирович, фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів кандидат технічних наук, доцент
Рильніков Борис Сергійович, державний університет “Львівська політехніка”
доцент кафедри фізики металів.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича, м. Київ

Захист відбудеться “ _3_“липня1999 року о _1000_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 в Луцькому державному технічному університеті за адресою: 263018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75, навчальний корпус В, аудиторія 338.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету за адресою : м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

Автореферат розісланий “2“липня1999 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Дідух В.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження процесів, що мають місце при формуванні експлуатаційного рельєфу на робочій поверхні сплавів, під час зношування в різних умовах займають одне з ведучих місць в проблемі тертя і зношування. Природа процесів зношування є однією з найбільш складних проблем в області трибоматеріалознавства, оскільки для її вирішення потрібно мати чіткі уявлення про фізичні, хімічні і геометричні властивості експлуатаційного рельєфу. При цьому особливої уваги заслуговують геометричні властивості, оскільки їх вивчення повинно сприяти розширенню існуючим уявленням про механізм формування експлуатаційного рельєфу, який виникає під час тертя і зношування, а також формування рівноважної шорсткості поверхні. В цьому аспекті виникає необхідність крім традиційних методів застосовувати принципово нові методи сучасної обчислювальної техніки. Головним напрямком в таких дослідженнях є можливість кореляції встановлених законів механізму руйнування робочої поверхні з природою структурних складових трибосплавів.

Нові можливості кількісної фрактографії з'явилися із застосуванням растрової електронної мікроскопії (РЕМ), яка дозволяє проводити тривимірне вивчення мікрооб'єктів та одержання якісно нових фрактографічних даних.

Виконання досліджень за допомогою нового (РЕМ-стереофрактографічного) методу та одержання якісно нових фрактографічних даних через кількісний аналіз у тривимірному просторі становить методологічну актуальність роботи.

В експериментальній частині цієї роботи дослідження обмежилися однією із груп хромистих чавунів, які прийняті за модельні сплави, оскільки ця група білих чавунів карбідного класу широко відома в світовій технічній літературі як класичні зносостійкі ливарні сплави.

В теоретичних дослідженнях зроблена спроба використати ряд наслідків, що випливають з результатів растрово-електронномікроскопічних, стереофрактографічних та традиційних металографічних досліджень , з метою намітити шляхи підходу до вирішення деяких інженерних задач у сфері синтезу стійких проти спрацьовування Cr-чавунів та їх застосування для виготовлення лопаток дробометальних апаратів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота є одним із закінчених фрагментів досліджень, які виконувалися Луцьким державним технічним університетом по проекту фундаментальних досліджень Міністерства України у справах науки і технологій на створення науково-технічної продукції по договору 4.4/445 “Розробка наукових принципів виготовлення литих зносостійких сплавів на базі Fe-Cr-C систем, здатних до самоорганізації структури поверхневих шарів тертя” спільно з фізико-технологічним інститутом металів і сплавів НАН України (1996-1998рр.), а також окремим розділом у відповідності з темою №2-89 науково-дослідного інституту “Молот” (м.Москва) “Розробка методики вивчення характеру руйнування на основі кількісної інформації і створення програмного забезпечення” (1991-1992 р.р.).

Мета роботи - розробка методів РЕМ-стереофрактографії для аналізу топографії та структурно-фазового складу робочих поверхонь дробометальних лопаток і оптимізація хімічного складу зносостійких Cr-чавунів для їх виготовлення.

Основні задачі дослідження роботи наступні:

1. Розробка концепції аналізу РЕМ-стереофрактографічних даних стану мікрорельєфу поверхонь тертя Cr-чавунів.

2. Розробка і застосування математичних моделей, алгоритмів аналітичної і цифрової обробки електронно-мікроскопічних зображень.

3. Експериментально-теоретичне обгрунтування методів цифрової стереофрактографії

4. Якісна та кількісна оцінка зміни топографії робочих поверхонь лопаток під дією експлуатаційних факторів.

5. Визначення впливу хімічного та структурно-фазового складу чавуну на тривкість в процесі експлуатації.

6. Розробка складу зносостійкого чавуну на основі математичного методу активного планування експерименту.

Основним об'єктом дослідження є експлуатаційний рельєф робочої поверхні лопаток дробометальних апаратів , виготовлених із дослідних сплавів , який можна інтерпретувати як відображення послідовності подій механізму руйнування. Накопичення експериментальних результатів, що мають кількісну основу, про втомне руйнування матеріалів в різних умовах навантаження, безперечно, необхідно як для розвитку теорії втомності, так і для вирішення конкретних практичних задач.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше проведені РЕМ-стереофрактографічні дослідження поверхонь зношуваності і злому дробометальних лопаток різного виробництва і експериментально вивчений механізм їх руйнування;

- сформовані нові методи і алгоритми побудови на ЕОМ цифрових моделей поверхні руйнування і дається оригінальний розв'язок ряду спеціальних питань їх побудови, що при подальшому науково-практичному розвитку відкриває якісно новий напрямок тривимірної електронної мікроскопії; зносостійкий чавун тертя лопатка

- розроблені наукові основи теорії і методу цифрової стереофрактографічної обробки РЕМ-зображень в “on-line” режимі, а також нетрадиційні в фрактографії алгоритми побудови і аналізу цифрових моделей мікрорельєфу;

- теоретично і практично обгрунтовані принципи фрактальності в механіці руйнування, а також запропоновано оригінальний метод аналізу тріщиноутворення як задачі розпізнавання образів;

- вперше розроблена методика кількісної стереолого-стереометричної оцінки анізотропних структур;

- визначено оптимальні технологічні параметри і склад виготовлення лопаток із високохромистого чавуну, які забезпечують належний ресурс роботи дробометальних апаратів.

Методологія і методика досліджень.

Робота виконана з застосуванням трибоматеріалознавства чавунів, механіки і фізики твердого тіла, що деформується, із застосуванням растрової електронної мікроскопії, фотограмметрії, теорії випадкових процесів, цифрової обробки зображень і математико-статистичних методів дослідження.

Основні положення, що виносяться на захист:

1. Стереофрактографічні методи розв'язку теоретичних та прикладних задач проблеми руйнування, зокрема принципи фрактальності та експертної оцінки тріщиностійкості стосовно поверхні зношування високохромистих чавунів.

2. Принципово новий метод комп'ютерного фрактографічного аналізу мікроструктури твердих тіл за їх РЕМ-зображеннями.

3. Експериментально - теоретичне обгрунтування застосуванння в трибоматеріалознавстві методів аналітичної та цифрової стереофрактографії в режимах “ off-line“ i “ on-line“.

4. Результати експериментальних досліджень стереофрактографії поверхонь зношування та злому дробометальних лопаток із Cr-чавунів, аналіз яких дає можливість надати пропозиції щодо подальшого вдосконалення структури і зносостійкості цієї категорії сплавів, призначених для виготовлення виливок типу лопаток дробометальних апаратів , що експлуатуються в аналогічних умовах зносу.

Практичне значення одержаних результатів .

В результаті проведеної роботи розроблені методи РЕМ-стереофрактографії можна застосовувати для розв'язку багатьох задач фрактографії. Методи характеризуються достатньо високою точністю, достовірністю та доступністю для широкого кола спеціалістів в одержанні кількісної інформації про досліджувані об'єкти. Створені цифрові фотограмметричні моделі мікрооб'єктів, включаючи методики, алгоритмічне та програмне забезпечення, може успішно застосовуватися у наукових і технологічних дослідженнях. Цифрова фотограмметрична обробка РЕМ-зображень дозволяє суттєво збільшити можливості проведення мікроскопічних досліджень, особливо в режимі “in situ”. Поєднання методів РЕМ-фотограммстрії та стереології є перспективним, що підтверджується даними дисертаційної роботи.

На заводі “Рожищефермаш” вдосконалена ливарна технологія та термічна обробка при корекції хімічного складу, що сприяло збільшенню ресурсу роботи лопаток дробометальних апаратів на 25-30%.

Теоретико-методологічні результати дисертаційної роботи знайшли своє застосування в Луцькому державному технічному університету при читанні курсу “Трибоматеріалознавство і комп'ютерна металографія”.

Особистий внесок здобувача. В дисертацією включено лише ті наукові результати, які отримані дисертантом особисто. В опублікованих разом з співавторами наукових працях здобувачем виконувались: постановка завдань, проведення експериментів і аналіз отриманих результатів. Внесок дисертанта в одержанні експериментальних даних, які опубліковані у співавторстві , становить 70-80%.

Апробація роботи. Основні результати, представлені в дисертації, доповідалися та обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Луцького державного технічного університету (1993 - 1998 рр.), науково-технічній конференції “Якість та надійність вузлів тертя”, м. Хмельницький (1992р.), обласній науково-практичній конференції “Наукові і технічні розробки - у виробництво” (Луцьк, 1997 р.), науково-технічній конференції Української державної академії водного господарства (Рівне, 1996 р.), міжнародному семінарі з проблем моделювання і оптимізації композитів (МОК38, Одеса, 1999 р.), на об'єднаному семінарі кафедр фізики твердого тіла та матеріалознавства (Луцьк, 1998 р.). Дисертаційна робота є частиною комплексного завдання, що виконує Луцький державний технічний університет за програмою фундаментальних досліджень Міністерства науки та технологій України.

Публікації. За темою дисертації автором та за його участю в наукових журналах та збірниках опубліковано 8 робіт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 133 сторінках, і складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури із 163 позицій. Робота має 48 рисунків, 18 таблиць, додаток.

За час тривалої роботи над дисертацією автор постійно спілкувалася з багатьма представниками науки і виробництва, що плідно вплинуло на хід досліджень, додавало всім теоретичним дослідженням практичної значущості.

Автор глибоко вдячна своєму вчителю професору доктору технічних наук Ю.Г.Бобро за постійну творчу підтримку; професору Московського держуніверситету В.М.Соколову за практичну допомогу по РЕМ-зніманню зразків та корисні поради на різних етапах виконання роботи.

У створенні програмного забезпечення роботи приймали участь аспіранти В.У.Волошин та Д.М.Юрковець. Цінні зауваження та пропозиції в процесі дослідження надавали професори О.Л.Дорожинський, В.М.Мельник, Г.А.Хайліс, В.Д. Рудь. Всім їм автор висловлює щиру подяку.

Автор висловлює глибоку вдячність своїм колегам-співавторам спільних публікацій, які приймали участь в проведенні дослідів та обговоренні одержаних результатів.

Особливу вдячність автор висловлює ректору Луцького державного технічного університету професору В.В.Божидарнику за консультативну допомогу та створення сприятливих умов для завершення дисертаційної роботи.

Основний зміст дисертації

У вступі обгрунтована актуальність теми, її наукова новизна, охарактеризовано сучасний стан проблеми, сформульована мета досліджень та основні положення, які виносяться на захист, приведені дані про практичну значимість роботи, кількість публікацій та структуру дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений аналітичному оглядові літератури з проблем зношування і тертя. Детально розглянуті загальні аспекти металевих поверхонь при сухому терті. Відмічається значний вклад в розробці теоретичних засад наукових шкіл Крагельського Л.С., Палатника Л.С., Канарчука В.Е., Степаненка В.А. та ін. Розглянуті проблеми якісної та кількісної оцінки технологічного та експлуатаційного рельєфу робочої поверхні дробометальних апаратів. Зроблено висновок на перспективність розробки методів растрово-електронномікроскопічної (РЕМ) стереофрактографії. Дається всебічний аналіз сучасних тенденцій створення зносостійких сплавів на основі системи Fe-Cr-C і сформульовані задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі викладені дані про об'єкт та методи досліджень. Сформульовані основні принципи до вибору хімічного складу Cr-чавунів. Дана стисла характеристика застосованих в дисертації методів оцінки структурного складу, зносостійкості та механічних властивостей. Розглянуті головні задачі РЕМ-стереофрактографії як нового наукового напрямку. Дано теоретичне обгрунтування розробленої автором нової методики оцінки фрактографічних поверхонь побудовою цифрових моделей мікрорельєфу (ЦММР) за способом триангулятора.

В третьому розділі дисертації розроблені стереолого-стереометричні основи РЕМ-стереофрактографії. Розглянуті можливі в растровій електронній мікроскопії варіанти фотограмметричних моделей. Отримана в узагальненому вигляді фотограмметрична модель, що відповідає концепції паралельного відображення в РЕМ:

,(1)

де x, y - координати точок на знімку; X,Y,Z - координати точок на об'єкті; X0 ,Y0 ,Z0 - координати початкової точки в системі координат об'єкту; ai, bi (i=1,2,3) - направляючі косинуси, які залежать від кутів , , ; k - масштабний множник вздовж осі Y (припускається, що множник для осі Х =1).

Стереофрактографічна обробка РЕМ-зображень може бути аналітичною (на основі стереокомпараторних вимірювань) і комп'ютерною (напівавтоматичною або автоматичною). Перший шлях всебічно опрацьований і достатньо повно висвітлений в літературі. На відміну, комп'ютерна обробка знаходиться в початковій фазі і багато питань цього методу потребує вирішення. Для інтерактивної фотограмметричної обробки РЕМ-зображень розроблено метод і відповідний алгоритм вимірювання координат точок цифрових зображень за принципом стереокомпаратора із умови використання стандартного дисплея ПК замість окремого графічного дисплея або надзвичайно дорогої цифрової фотограмметричної системи. Теорія методу наступна: для дискретного зображення розміром n m пікселів можна записати :

(2)

де fij - значення щільності пікселів або їх функції.

Вирази (2) є універсальними стосовно вибору довільних точок, але вони дуже чутливі до шуму. Тому для підвищення точності визначення координат xц, yц пропонується спочатку виконувати обробку зображень, використовуючи методи просторової згортки зображення із оператором Марра:

,(3)

де - оператор Марра.

Значення G будуть максимальними на границях, а зміна знаку функції G від піксела до піксела вкаже на положення границі, яка лежить у місці перетину графіка функції з нульовою площиною, тобто при G=0. Тоді значення координат x,y, що належать границі можна знайти шляхом інтерполювання між суміжними пікселами з різними знаками. Як показали експериментальні дослідження, такий підхід дає хороші результати. Точність в кращих випадках становить 0,1 піксела.

Приклад стереореконструкції поверхні злому дробометальної лопатки дається на рис. 1. Стереовимірювання виконані в інтерактивному режимі, стереознімання на РЕМ “Хітачі С-800” (МДУ ім. М.В.Ломоносова) при кутах конвергенції 0, 5, збільшення 1000 крат.

Багато дослідників притримуються концепції фотограмметричного системного калібрування РЕМ як складної системи в цілому. Ця концепція нами застосовувалася для дослідження РЕМ “Hitachi S-800” (МДУ). Встановлено: 1) при ретельному дотриманні умов стереознімання сучасні РЕМ дозволяють відтворювати знімальні параметри як статистично стійкі; 2) залишкові помилки визначення просторових координат при рівні значущості 0,05 розподілені за нормальним законом; 3) середньоквадратичні помилки стереокомпараторного вимірювання координат і паралаксів РЕМ-зображень становлять х=50 мкм; y =70 мкм; р = 90 мкм відповідно; 4) варіації збільшення в діапазоні 120012000 крат в середньому 0,4%, що свідчить про досить високу стабільність роботи сучасних РЕМ.

Сучасний розвиток матеріалознавства вимагає оперативного і якісного контролю структури , зокрема стереологічних визначень форми, розмірів і розподілу карбідних включень. Стандартні методи контролю таких включень здійснюються, як правило, візуально шляхом порівняння зі шкалами еталонних зображень. Застосування засобів комп'ютерного стереологічного аналізу зображень дозволяє суттєво спростити рішення цих проблем і значно розширити можливості контролю структури.

Для розв'язання цієї задачі в роботі отримані в явному вигляді формули параметрів еліптичного розподілу {a, b, }, розроблений відповідний алгоритм стереолого-планіметричної обробки РЕМ-зображень.

Даний алгоритм використаний в пакеті прикладних програм “STIMAN”, розробленому в МДУ під керівництвом проф. Соколова В.М.

Згідно ППП “STIMAN” спочатку проводиться за бінарним цифровим зображенням ідентифікування структурних елементів, потім для кожного структурного елементу розраховуються орієнтаційні характеристики і проводиться їх статистична обробка. Розраховуються і будуються гістограми розподілу структурних елементів за діаметром, площею, периметром, фактором форми і “розою орієнтації”. В табл.1 приведені узагальнені результати стереолого-планіметричного аналізу трьох зразків (№№ 4, 16, 20) Cr-чавунів.

Крім стереолого-планіметричного аналізу в дисертації розроблено новий стереолого-стереометричний метод, який дозволяє здійснювати просторовий аналіз ЦММР за орієнтаційними характеристиками.

Для цього в структурному кубі вибирається п векторів-напрямків. Після цього для кожного з векторів-напрямків знаходяться і сумуються площі проекцій трикутних фасеток, які ділять за алгоритмом триангулятора досліджувану поверхню на площини, перпендикулярні фіксованим векторам. Одержані після сумування площі проекцій діляться на загальну площу всіх трикутних фасеток, нормуються відносно напрямку осі OZ і обчислюється щільність перетинів в і-му напрямку (і=1,…,п) за очевидною формулою:

(4)

де Sij- площа проекції і-ої фасетки на j-ому напрямку , Si - площа і-ої фасетки, Ко - нормуючий множник.

Потім будується на сітці Вульфа (рис.2) стереографічне зображення щільностей перетинів, а напрямки вказуються індексами Міллера, які за звичай використовуються в кристалографії.

В дисертації отримано методами теорії геометричної ймовірності узагальнений математико-статистичний критерій просторової анізотропії:

(5)

де rS(l) = 1/2PL(l); PL(l) - планарний статистичний розподіл.

В четвертому розділі розглянута теорія і практика застосування методів РЕМ-стереофрактографії у вивченні і оцінці геометрії поверхонь руйнування.

За допомогою РЕМ-стереофрактографії в режимі “in situ” можна надійно фіксувати рух мікротріщини. Проте визначення дійсної швидкості поширення тріщини для малих тріщин сильно ускладнене впливом розмірів зерен, міжзеренною взаємодією, невизначеністю меж тріщин, характером руйнування, видом розкриття тріщин та ін. Для подолання цього утруднення потрібно знати морфологію і властивості зони витягування. З цією метою пропонується застосовувати стереографічні спостереження околів зони витягування тріщини, вимірюючи профілі або стереоспряжені поверхні злому зразків поблизу зони витягування і фіксуючи кінематику просування мікротріщини. (рис. 3, 4).

Метод стереофрактографії можна застосувати в режимі “in situ” не тільки для вивчення поширення втомної тріщини, але й для отримання відомостей про стадії, що передують виникненню та розвитку мікротріщини. Теорія і практика такого методу розроблена автором і детально висвітлена в дисертації. Модельним експериментом підтверджена його висока точність (2mA)

Сірі та білі чавуни, як складові об'єкти багатьох трибосистем, згідно із загальним визнанням, віднесені до складних відкритих металічних систем. Таким системам властива природна здатність до самоорганізації дисипативних структур при зовнішніх впливах, в тому числі - при спрацьовуванні.

Для практики аналізу дисипативних структур важлива задача оцінки ентропії або відносного ступеня впорядкованості на основі експериментальних даних, особливо, коли відсутня інформація про структуру досліджуваної системи. Відповідно до цієї задачі в дисертації запропоновано метод розрахунку ентропії, в основу якого покладено морфоспектральний аналіз поверхні руйнування, який поєднує використання методів РЕМ-стереоскопічної зйомки мікрооб'єктів, аналітичну фотограмметричну обробку РЕМ-зображень та спектральний аналіз ЦММР. Для розрахунку ентропійної характеристики мікроструктури пропонується аналізувати розподіл відміток мікрорельєфу ЦММР: (6)

яка отримана автором із припущення, що сукупність висот (z) ЦММР має розподіл Лапласа ,

де

Як показали виконані дослідження, концепція ентропії в фрактографічному застосуванні має такі особливості: мінімальне значення ентропії відповідає досить згладженим поверхням, максимальне - випадку рівноймовірного стану системи і дорівнює lnN. Для ЦММР -це однакова ймовірність знаходження відмітки будь-якої точки ЦММР у попередньо вибраному інтервалі перепаду висот. Близька до граничної величина ентропії властива зразкам з низькою і сильно змінюваною міцністю зв'язків, що зумовлює рівноймовірне порушення структурних елементів будь-якого рівня організації. Така концепція співпадає із експериментально отриманою (Баланкин А., 1991) залежністю статистичної ентропії металів (Ni, Cu) від ступеня їх деформації.

В деяких роботах (Степаненко В.А., 1995, Kolednik О., 1985) були запропоновані методи ідентифікування мікротріщин, їх якісна та кількісна характеристика із застосуванням РЕМ-фрактографічних досліджень.

Нами в розвиток цих методів розглянута можливість комп'ютерного ідентифікування мікротріщин за даними цифрової обробки РЕМ-зображень.

Вихідною інформацією для розробленого нами алгоритму є матриця яскравостей, яка одержується в результаті оцифрування зображення ділянки досліджуваного зразка за 256 градаціями сірого кольору. Розмірність матриці розбиття може змінюватися в широких межах (від 256х256 до 1024х1024 елементів). Процес виділення лінії (осі) мікротріщини ініціалізується ручною розстановкою на мікрознімку маркерів (вузлових або “зернових” точок). Із зображення поступово “вирізають” фрагменти так, щоб черговий маркер був у лівому верхньому куті , а наступний - в правому нижньому. Ділянка мікротріщини кожного наступного фрагмента є продовженням виділеного раніше. При такому підході доцільно використовувати динамічне програмування, математично узагальнена N-ступенева формула якого має вигляд (7):

(7)

де хк - стан системи на етапі к;- функція стану або оптимальна
“вартість” від xk до хN ; uk - вибраний варіант “k “- етапу; - вартість від хк і uк ; opti - min або max.

У випадку, коли РЕМ-зображення містить велику кількість мікротріщин незначної протяжності, роздільне трасування може буди дуже утруднене. Щоб оптимізувати цей процес, пропонується відмовитися від проведення кожної можливої мікротріщини окремо, а звести цю операцію до модифікованої операції заповнення із “затравкою”. Ця процедура добре відома із розділів машинної графіки, пов'язаних із візуалізацією різних об'єктів на растрових пристроях.

В рамках математичної моделі , запропонованої (Мандельброт В.В. 1984), поверхня руйнування, окрім загальної топологічної (Dt=2) характеризується додатково фрактальною розмірністю (2Df 3), яка опосередкованим чином враховує розподіл і ріст дефектних структур в твердих тілах (кластер мікротріщин і початкових дефектів, мережу мікротріщин тощо), масштабний ефект, енергетичні характеристики процесу руйнування. Фрактальність має конкретний матеріалознавчий аспект, наприклад, при синтезі гетерогенних структур. В дисертації дається теоретичне обгрунтування усім переліченим аспектам фрактальної геометрії. Розглянуто також питання використання фракталів в уточненні відомого у механіці руйнування критерію Ірвінга

, де - питома ефективна поверхнева енергія, а D - фрактальна розмірність.

Аналіз літературних джерел і наші власні дослідження показали, що до цього часу в механіці руйнування не має математично строгих і ефективних способів фрактальної оцінки конкретних мікрооб'єктів, тому потрібні методичні доповнення. З цією метою в дисертації розроблено методи оцінки фрактальних розмірностей шорстких поверхонь: на основі цифрових моделей мікрорельєфу і профільних січень.

Для аналізу фрактальних властивостей мікрорельєфу найбільш придатним є апроксимування ЦММР за допомогою Фур'є-перетворень у вигляді суперпозиції синусоїдально профільованих поверхонь, оскільки перетворення Фур'є переводить просторову функцію Z(х) в частотну функцію X(f) через інтегральне співвідношення

.(8)

Практично при обчисленнях Фур'є - перетворень використовується алгоритм швидкого перетворення Фур'є і метод покриття поверхні руйнування сіткою квадратів або множиною профільних січень. В обох випадках фрактальна розмірність визначається графоаналітично як нахил прямої найкращого наближення у двічі логарифмічному масштабі (lnS-lnr). Програмне забезпечення такого підходу розроблене м.н.с. Волошиним В.У.

П'ятий розділ присвячений аналізу проведених комплексних досліджень структури і зносостійкості великої серії лопаток, виготовлених за традиційною заводською технологією з метою встановлення основних причин, що зумовлюють формування на робочій поверхні мікрорельєфу різного характеру (рис. 5). Багаточисельними РЕМ-фрактографічними дослідженнями встановлено що експлуатаційний рельєф на робочій поверхні лопаток формується в процесі зношування в умовах ударного навантаження, тертя коченням і проковзування потоку чавунного дробу. Циклічність процесу впливу дробу веде до втомлювального зношування матеріалу лопаток внаслідок ефекту перезміцнення і втрати пластичності. При цьому, частина механічного навантаження трансформується в тепло, яке викликає появу опіків на локальних ділянках поверхні і утворення термічних мікротріщин. В поверхневому робочому шарі лопаток в процесі експлуатації мають місце перетворення в структурі, які пов'язані з фазовими переходами та виділенням вторинних карбідів Cr23C6 . Зміни в робочому шарі визначаються головним чином природою, формою, розмірами і розподілом карбідів, а також фазовим складом металічної матриці.

Розробка оптимального складу хромистого чавуну проводилась на основі регресійного аналізу за планом 23. При виборі критеріїв експлуатаційної серії лопаток, необхідних для оптимізації хімічного складу були використані наступні характеристики: межа міцності на згин зг, ударна в'язкість КС, твердість HRC, стійкість до спрацьовування і та ударно-абразивне зношування ІУА. Ці фактори описують механічні властивості зносостійкого чавуну та відповідають вибраним критеріям працездатності лопаток дробометальних апаратів.

Вплив основних легуючих елементів (С, Сr, Мn) вивчали з використанням ортогонального плану другого порядку. Згідно з аналізом літературних даних вміст елементів змінювали в наступних межах складу, % мас: 1,8-3,2 С, 13-23 Сr, 1,8-2,0 Mn, 0,5-1,0 Ti, 0,5-0,8 Si, до 0,02 S, до 0,1 P, 0,6-0,8 Ni, 0,4-0,6 Mo, 0,8-1,5 V, 0,8-1,0 Cu.

Математична обробка результатів експерименту дозволила одержати наступні залежності властивостей зносостійкого чавуну від хімічного складу (у досліджуваних межах) і з врахуванням 5%-го рівня надійності:

зг=673,1-18,3С-53,3Cr+26,4Mn-111,2CCr-13,8СMn-28,8CrMn-3,0C2,МПа; (9)

KC=0,1-0,2C+0,01Cr+0,01Mn-0,02CMn+0,2C2, Дж/см2; (10)

HRC=551+49,3C+38Cr-39,5Mn-30,9Mn2;(11)

і =70,5+19,6C-4,5Cr+11,4C2 - стійкість до спрацьовування, (год)(12)

IУА = 5,85-2,2С-0,1Cr+1,1Mn-0,4С2+0,01 Cr2, г/(м2г)(13)

Зміна характеру легування чавунів не показала помітних змін металічної матриці сплавів, але суттєво змінилася кількість карбідної фази. Це пояснює зниження ударної в'язкості та підвищення твердості із збільшенням вмісту С і Cr, як основних карбідоутворюючих елементів. Вплив Mn на невеликій кількості зразків встановити важко. Власних карбідів марганець не утворює (у досліджуваних сплавах), а лише легує карбіди хрому та металічну основу, розчиняючись в залізі, Mn розширює -область та збільшує кількість вуглецю в аустеніті і тим самим стабілізує аустеніт в області перлітного перетворення, підвищує прокалювання чавуну і знижує загальну кількість карбідів.

Одержані залежності дозволили провести комплексну оптимізацію хімічного складу зносостійкого чавуну з використанням графо-аналітичного методу. Визначено базовий склад чавуну, % мас: 2.0-2.4С, 18-22Сr, 2.0Мn.

Виконані нами дослідження показали, що узагальненою прогнозною математичною моделлю для процесу зношуваності лопаток може бути суперпозиція субмоделей , зокрема експлуатаційних факторів; структури та хімскладу матеріалу лопаток, що в загальному вигляді можна записати таким формальним рівнянням:

(14)

де КН - загальний коефіцієнт нормування; - функції субмоделей.

Враховуючи експлуатаційні фактори (кут нахилу лопаток ( , рад.), твердість дробу (HRC) та номер дробу (NД)), інтенсивність зношування (ІЗ), зносостійкість (ЗС), відповідна прогнозна модель має вигляд:

(15)

Крім моделювання, рівняння (15) дозволяє записати умови початкової фази руйнування в критеріальній формі. Очевидно, що початок поверхневого руйнування лопаток в часі буде відповідати закінченню першого акумуляційного періоду ак , граничній міцності і вичерпанню пластичних властивостей в циклічно деформуючих мікрооб'єктах.

За результатами власних розробок оптимізовано склад хромистого чавуну, % мас: 2.0-2.4С, 18.0-22.0Cr, 1.8-2.0Mn, 0.6-0.8Ti, 0.6-0.8Si, 0.02S, 0.01P, 0.6-0.8Ni, 0.4-0.6Mo, 0.8-1.5V, 0.8-1.0Cu та підібрана оптимальна температура нормалізації. Отримана структура дослідного чавуну наближалась до принципу синкретичної побудови згідно з законами симетрії як по об'ємному відношенню карбідної фази і металічної матриці, так і по співвідношенню та -фаз у ній. Дослідні лопатки відрізнялися більш високою зносостійкістю порівняно зі всіма досліджуваними лопатками в цій роботі.

Висновки

Основні теоретичні і практичні результати, одержані в дисертаційній роботі, зводяться до наступного.

Теоретично обгрунтована концепція нового напрямку тривимірної РЕМ-стереофрактографії, що базується на побудові цифрових моделей поверхонь руйнування, теорії випадкових процесів і розпізнавання образів. Розроблено ряд методів і алгоритмів побудови цифрових моделей, що становлять основу автоматизованих комплексів стереофрактографічної обробки РЕМ-зображень. Розроблено високоефективний інтерактивний комп'ютерний метод, який суттєво спрощує рутинний процес фотограмметричної обробки, не потребує високої кваліфікації оператора і орієнтований на застосування серійних ПК. Обгрунтовані області і границі застосування РЕМ-стереофрактографії.

Проведені комплексні дослідження, на основі яких створені принципово нові методи аналітичної і експериментальної оцінки впливу структури і рельєфу поверхні тертя на функціональні особливості зносостійких Cr-чавунів. Розроблена методика стереолого-планіметричної оцінки розподілу розмірів, форми і орієнтації структурних елементів Cr-чавунів. При цьому отримуються на основі обробки 5-10 збільшень інтегральні характеристики. Такий підхід принципово відрізняється від загальноприйнятих, що базуються на застосуванні аналізаторів зображень типу Квантімет-720. На основі теорії геометричної ймовірності отримано узагальнений стереолого-стереометричний критерій просторової анізотропії

Вперше проведені з допомогою растрововї електронної мікроскопії значні за обсягом стереофрактографічні дослідження поверхонь зношування дробометальних лопаток вітчизняного і зарубіжного виробництва, які дозволили встановити механізм і природу їх руйнування. Встановлено, що поверхневе навантаження в процесі експлуатації деталей дробометальних апаратів призводить до розвитку в поверхневому шарі постійної деформації та фазових перетворень, причому кінетика і механізм виявлених фазових перетворень в робочому шарі обумовлені властивостями аустеніту, що залежить від термообробки.

Запропоновані нові нетрадиційні методи стереофрактографічної обробки РЕМ-зображень в режимі “in situ”. Розроблено декілька варіантів комп'ютерного аналізу тріщиностійкості.

Розроблено спосіб ентропійної оцінки чавунів як дисипативних трибосистем, які при лабораторних впровадженнях суттєво розширюють спектр фрактографічних досліджень.

Науково обгрунтовані принципи фрактальності в контексті проблем механіки руйнування, а саме: оцінки масштабного ефекту, скейлінгового енергетичного процесу руйнування; матеріалознавчий аспект фрактальної геометрії гетерогенних матеріалів (композитів); корельованості механічних характеристик конструкційних матеріалів з фрактальною розмірністю. Запропоновано декілька алгоритмів розрахунку фрактальності за даними РЕМ-стереофрактографії

В результаті проведених експериментальних робіт визначено опти-мальний склад зносостійкого чавуну для лопаток дробометальних апаратів, % мас: 2.0 - 2.4 С, 18.0 - 22.0 Cr, 1.8 - 2.0 Mn, 0.6-0.8 Ti, 0.6-0.8 Si, 0.02 S, 0.01 P, 0.6-0.8 Ni, 0.4-0.6 Mo, 0.8-1.5 V, 0.8-1.0Cu; та розроблено ступінчатий режим термічної обробки: нагрівання до температури 650-680С, нормалізація при температурі 1100С, витримка 45-60 хв., охолодження повітряне.

Запропонована узагальнена прогнозна математична модель для процесу зношування лопаток дробометальних апаратів як суперпозиція домінуючих впливів: структури, хімічного складу та експлуатаційних факторів.

Список публікацій

1. Бобро Ю.Г., Мельник В.М., Шостак А.В., Волошин В.У. Принципsы фрактальности в механике разрушения металлов // Металлы. -М.: Наука. -1997. -№2. -С.119-122.

2. Шостак А.В. Математичне моделювання шорстких поверхонь за допомогою дискретного перетворення Фур'є (ДПФ) //Наукові нотатки: Міжвузівський збірн. наук. ст., напрямок “Інженерна механіка”. -Вип. 4. -Луцьк, -1998. -С.194-201.

3. Бобро Ю.Г., Шостак А.В., Мельник В.Н. Стереолого-стереометрична оцінка анізотропних структур //Наукові нотатки: Міжвузівський збірн. наук. ст., напрямок “Інженерна механіка”. -Вип. 4. -Луцьк, -1998. -С.10-19.

4. Шостак А.В., Бобро Ю.Г. Новый метод компьютерного фрактографического анализа микроструктуры твердых тел по их РЭМ-изображениям //Материалы 38-го международного семинара по моделированию и оптимизации композитов. -Одесса, -1999. - с.36.

5. Шостак А.В. Деякі аспекти кореляційно-екстремального методу пошуку образів елементів цифрового зображення 3-D-поверхонь //Науковий вісник ВДУ, напрямок “Геогр.науки”. -Луцьк. -1997. -№5. -С.27-29.

6. Шостак А.В. До питань оцінки міцності металів з урахуванням ентропії 3-D цифрової моделі поверхні руйнування // Зб. наук. праць. ЛДТУ. -Луцьк. -1998. -С.261-263.

7. Бобро Ю.Г., Шостак А.В. РЕМ-стереофрактографія поверхонь зносу та злому дробометальних лопаток // Наукові нотатки: Міжвузівський збірн. наук. ст., напрямок “Інженерна механіка”. -Вип. 5. -Луцьк, -1999. -С.4-16.

8. Шостак А.В. Моделювання мікрорельєфу фрактографічних поверхонь методами тріангулятора, скінченних елементів // Наукові нотатки: Міжвузівський збірн. наук. ст., напрямок “Інженерна механіка”. -Вип. 5. -Луцьк, -1999. -С.285-291.

Анотації

Шостак А.В. Аналітична та експериментальна оцінка впливу складу структури і рельєфу поверхонь тертя на функціональні особливості зносостійких Cr-чавунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Луцький державний технічний університет, Луцьк, 1999.

В дисертації представлені наукові основи теорії і практики тривимірної растрово-електронномікроскопічної стереофрактографії. Вони грунтуються на комп'ютерній фотограмметричній обробці стереозображень, побудові та стереолого-стереометричній оцінках цифрових моделей фрактографічних поверхонь. Теоретично і практично обгрунтовані принципи фрактальності в механіці руйнування.. Експериментальними дослідженнями і математичним моделюванням визначено оптимальний хімсклад виготовлених лопаток дробометальних апаратів.

Ключові слова: растрова електронна мікроскопія, фотограмметрія, стереологія, стереометрія, фрактографія, зношування, злом, фрактали.

Shostak A.V. Analytical and experimental evaluation the influence composition structure and relief of surfaces friction on the functional pecuticular commutative Cr-cast iron. On the rights of manuscript.

Thesis for a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.02.01 - material, Lutsk State technical university, Lutsk, 1999.

In this thesis suggests the scientific bases the theory and practice 3-D scanning electron microscopy stereofractography. They based on the computer photogrammetry treatment stereopicture, construction and stereological - stereometry evaluations figures models fractography surface. Practically and theoretically based principles fractal in the mechanics destruction. Experimentals investigations and mathematics models defined optimal chemical structure manufacture spades fraction-throw apparatus.

Key words: scanning electron microscopy, photogrammetry, stereological, stereometry, fractography, wear out scrap, fractal.

Шостак А.В. Аналитическая и экспериментальная оценка влияния состава структуры и рельефа поверхностей трения на функциональные особенности износостойких Сr-чугунов. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности о5.02.01 - материаловедение. Луцкий государственный технический университет, Луцк, 1999.

В диссертации представлены научные основы теории и практики трехмерной растрово-электронномикроскопической стереофрактографии. Они основаны на компьютерной фотограмметрической обработке стереоизображений, построении и оценках цифровых моделей микрорельефа исследуемых поверхностей. В работе разработан алгоритм построения цифровой модели микрорельефа по методу триангулятора, предполагающего деление поверхности на треугольные области (фасетки) и полиномиальное аппроксимирование отдельных фасеток. Для оперативного выполнения стереоизмерений разработан вариант интерактивного компьютерного измерения цифровых изображений.

В диссертации разработаны методы стереолого-планиметрической и стереолого-стереометрической оценок шероховатых поверхностей. Принципиальное отличие предлагаемых методов от общепринятых - это возможность одновременно анализировать 5-10 изображений. Методами теории геометрической вероятности получен обобщенный критерий пространственной анизотропии.

Рассматривая чугуны как диссипативные трибосистемы, разработан способ определения энтропии. Энтропийный подход при лабораторном внедрении позволит существенно расширить спектр фрактографических исследований.

Теоретически и алгоритмически обоснованы методы компьютерного анализа трещиностойкости в режиме “in situ”. Алгоритмы основаны на принципах динамического программирования и методов машинной графики. Впервые математически корректно обосновано применение принципов фрактальности к исследованию поверхностей разрушения. Учитывая отсутствие в механике разрушения эффективных методов определения фрактальной размерности, в диссертации разработаны достоверные и несложные алгоритмы расчета фрактальной размерности по данным цифровых моделей микрорельефа. Проведены с помощью растровой электронной микроскопии значительные комплексные исследования процесса изнашивания лопаток дробеметных аппаратов. Установлен механизм их износа. Определение оптимального состава износостойкого Cr-чугуна выполнено на основе регрессионного анализа в соответствии с ортогональным планом второго порядка.

В диссертации по результатам экспериментальных исследований износа лопаток отечественного и зарубежного производства и данных математического моделирования определен оптимальный химсостав износостойкого чугуна, рекомендуемого для изготовления лопаток дробеметных аппаратов.

Впервые получена обобщенная математическая модель износа лопаток, учитывающая основные эксплуатационные факторы, химсостав и износостойкость.

Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, фотограмметрия, стереология, стереометрия, фрактография, износ, излом, фракталы.

Размещено на Allbest.ru

...