1. Теоретическое исследование возможности оценки относительной износостойкости материалов при абразивном изнашивании коэффициентом деформационного упрочнения.

2. Экспериментальная проверка предлагаемого критерия оценки относительной износостойкости материалов при абразивном изнашивании.

3. Разработка методики для оценки относительной износостойкости при абразивном изнашивании.

В соответствии с намеченной целью в работе поставлены следующие задачи:

6. Разработать и освоить методику экспериментальных исследований.

7. Провести экспериментальные исследования по выявлению закономерностей изнашивания материалов с изменением коэффициента деформационного упрочнения.

8. Провести анализ взаимной связи между закономерностями изнашивания и коэффициентом деформационного упрочнения.

9. Сделать обобщающие выводы по результатам исследования и дать теоретические объяснения наблюдаемых явлений и закономерностей.

10. Рассмотреть вопрос о перспективах использования результатов исследования для расчета относительной износостойкости деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЛИЯНИЯ ЕЁ НА ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вопрос расчетно-аналитической оценки изнашивания материалов при внешнем трении является одним из трудных в современной науке и инженерной практике. Поиски ответов на вопросы, относящиеся к указанной области, неразрывно связаны с глубоким и всесторонним изучением физико-химической природы и механизмов явлений, протекающих в реальных материалах в процессе их деформирования и разрушения. Очевидно, решение задач, связанных с разработкой расчетно-аналитических методов оценки изнашивания материалов при внешнем трении, должно основываться на современных, достоверных и хорошо подтвержденных экспериментально теориях прочности и разрушения твердого тела.

2.1 Энергетические представления о поверхностной прочности
материалов при фрикционном взаимодействии

По современным молекулярно-кинетическим представлениям разрушение реальных материалов является процессом, развивающимся во времени независимо от природы материала и характера его нагружения. С точки зрения кинетики этого процесса, отмечается, что моменту образования трещины критического размера, способной распространяться самопроизвольно предшествует постоянное накопление в материале очагов разрушений - субмикроскопических нарушений оплошности. Разрушение материала наступает тогда, когда плотность повреждений достигает критической величины.

Микроскопические механизмы зарождения и развития в деформируемых объемах материалов дефектов и повреждений описываются теорией дислокаций [46]. В соответствии с теорией дислокаций пластическая деформация представляет собой движение, размножение и разрядку дислокаций и других дефектов и имеет двойственный характер, который обусловлен двумя одновременно протекающими и конкурирующими процессами: упрочнением и разупрочнением.

По мере развития процесса деформации количество генерированных в материале дефектов увеличивается и при накоплении в том или ином объеме критической плотности дефектов зарождаются субмикроскопические нарушения сплошности, которые в дальнейшем разрастаются в микро- и макротрещины, фиксирующие разрушение материала.

Каждая дислокация и другие дефекты и повреждения создают вокруг себя поле упругих напряжений и поэтому являются носителями избыточной потенциальной энергии, что приводит локальные объемы материала в неустойчивое термодинамическое состояние. Поэтому накопление в материале дефектов не может продолжаться беспредельно, т.к. одновременно с этим идет процесс разупрочнения, связанный с выходом дислокаций на поверхность, аннигиляцией дислокаций и других дефектов, а также с "залечиванием" субмикроскопических нарушений сплошности. Этот процесс вызван тепловым движением элементарных частиц и протекает по законам термодинамики, т.к. всякая система, выведенная из состояния равновесия, стремится к нему вернуться. В результате потенциальная энергия деформаций трансформируется в другие виды энергии (в основном в тепловую).

Процесс деформирования и разрушения твердого тела, связанный с необратимыми процессами изменения структуры материала и накопления в его объемах дефектов и повреждений обусловливает необратимое поглощение материалом энергии деформаций. Разрушение материала наступает тогда, когда в объемах материала, ответственных за разрушение, накапливается критическая плотность дефектов [46].

Обычно считалось, что вся работа деформации превращается в тепло. Однако в 1906 году Хорт Х. предположил т доказал, что часть затраченной на пластическую деформацию работы остается в металле в виде скрытой энергии деформаций. Удаление усилия, создающего деформацию, не освобождает эту энергию. Она остается в металле до высвобождения в процессе возврата и рекристаллизации.

С тех пор выполнено большое количество исследований по определению величины скрытой энергии и объяснению физической природы этого явления [47-55].

Наклепанный материал отличается от не наклепанного многими свойствами. Наклеп меняет распределение несовершенств, имеющихся в решетке в отсутствии наклепа, и создает новые несовершенства. Наклеп повышает внутреннюю энергию материала и делает его нестабильным по отношению к не наклепанному или отожженному. Эта нестабильность выражается в увеличении скрытой энергии и склонности наклепанного металла к процессам возврата и рекристаллизации [47].

Процесс пластической деформации твердого тела, в соответствии с I законом термодинамики, можно представить соотношением

U=W-Q, (2.1)

где U - внутренняя энергия,

W - работа деформации,

Q - тепловой эффект деформации.

При постоянном давлении изменение внутренней энергии может быть принято равным скрытой энергии деформаций [48].

Многочисленные экспериментальные исследования [47-55] показывают, что большая часть энергии, затраченной на деформацию, превращается в тепло и лишь небольшая часть (несколько процентов) аккумулируется в материале в виде дефектов кристаллической решетки. Малые значения величин скрытой энергии затрудняют ее экспериментальное определение.

Обстоятельный обзор по скрытой энергии деформаций сделан в работах М. А. Большаниной и В.Е.Панина [49] и Э.Л. Титченера и М.Б. Бевера [49].

По литературным данным [47-55] можно составить следующее представление о скрытой энергии деформаций:

§ скрытая энергия с увеличением степени деформации возрастает сначала быстро, а затем медленно с тенденцией к насыщению;

§ при идентичных условиях деформации абсолютное значение скрытой энергии тем больше, чем выше температура плавления металла;

§ отношение скрытой энергии к работе деформаций тем больше, чем выше температура плавления металла и меньше чистота металла;

§ чем больше скорость деформации при одинаковых степенях деформации, тем больше скрытая энергия деформаций;

§ металл, предварительно деформированный при большой скорости, при последующей деформации менее способен к накоплению энергии, чем медленно деформированный металл.

Энергия, запасенная при наклепе, слагается из следующих составных частей [48]:

1. энергии упругой деформации, вклад которой в скрытую энергию деформаций мал даже для высокопрочных металлов;

2. энергии, связанной с возникновением, перераспределением и взаимодействием дислокаций друг с другом или с точечными дефектами. Она составляет основную часть запасенной энергии в металле;

3. энергии, обусловленной образованием точечных дефектов, вклад которых ощутим при низких температурах;

4. энергии, обусловленной особыми механизмами (образование дефектов упаковки, двойников и др.)

Из обзорных статей [48,49,55] видно, что величина скрытой энергии деформаций колеблется в широких пределах (от нескольких Дж до 850 Дж/г атом) и определение предельной величины скрытой энергии по этим данным не представляется возможным.

В большей части опубликованных работ величина затраченной работы деформации не приводится, условия деформации и их величина очень разнообразны, различен химический состав исследованных материалов, поэтому величины скрытой энергии деформаций, полученные разными авторами, не совпадают между собой [48, 49].

Исследований по определению скрытой энергии при внешнем трении очень мало [13,18, 39,56].

Процесс изнашивания материалов при внешнем трении обычно рассматривают как процесс пластической деформации и разрушения, характеризующийся локализацией в поверхностных слоях материала пары трения. Этот процесс осуществляется в условиях сложного, неоднородного и переменного во времени напряженно-деформированного состояния приповерхностных слоев материала и осложняется физико-химическим взаимодействием деформируемых объемов материала с окружающей средой.

Кроме того, указанные процессы являются необратимыми, сопровождающимися затратами механической энергии и ее превращениями в другие виды энергии. Это обусловливает стремление многих исследователей к использованию энергетического подхода к описанию закономерностей разрушения поверхностных слоев материала при фрикционном взаимодействии.

Рассматривая процесс абразивного изнашивания при внешнем трении как частный случай пластической деформации и разрушения, обусловленный конкуренцией двух одновременно протекающих и взаимосвязанных процессов: упрочнения и разупрочнения, термодинамические представления о прочности и разрушении твердых тел, развитые в работе [16] были распространены на процессы разрушения при внешнем трении [57].

Концепция упрочнения и разупрочнения при трении рассматривается в работе Крагельского И.В., Любарского И.М., Гуслякова А.А.[58]. В ней отмечается, что трение и износ определяется не только и не столько окислительными процессами, как процессами упрочнения и разупрочнения, происходящими в материале пары трения. Окислительные пленки препятствуют развитию упрочнения и разупрочнения, но не устраняют их.

В работе [5] Крагельский И.В. отмечает, что пленки смазки защищают основной металл от глубинного вырывания, однако не защищают материал от деформации, не устраняют нагрузку, а лишь выравнивают ее.

Уилман Х. показал, что для абразивного износа только 10 % материала удаляются путем микро резания и что пропахивание не столько средство износа, сколько упрочнения поверхности [66].

Костецкий Б.И. отмечает, что общей, характерной чертой разрушения при трении является наличие негомогенной пластической деформации [9].

Необратимо поглощаемую энергию деформаций поверхностных слоев материала пары трения можно разделить на две части [18] (рис.2.1).

Первая значительная (до 70-90%) работы трения вследствие колебательного движения и процессов возврата (уничтожения) дефектов и повреждений необратимо трансформируется в тепло Q, т.е. связана с тепловым эффектом трения. Эта энергия характеризует разупрочненное состояние материала. Она участвует в разрушении постольку, поскольку нагревает поверхностные слои материала, уменьшая силы связи между атомами. Если температура поверхности трения невысокая, тепло, выделившееся в результате аннигиляции дефектов кристаллического строения, проходит через пару трения как бы транзитом, не принимая участия в разрушении. При высоких значениях температуры на поверхности трения вклад этой составляющей может оказаться существенным или даже решающим, если температура на поверхности достигнет температуры плавления материала [57].

Вторая, сравнительно небольшая часть, (до 30%) обусловлена накоплением в деформируемых объемах материала и продуктах износа скрытой энергии U, которая связана с зарождением и задержкой в деформируемых объемах различного рода дефектов (дислокаций, вакансий и др.) и повреждений (субмикроскопических нарушений сплошности) и их развитием в микро- и макротрещины, которые, прорастая, смыкаются и образуют частицы износа. Многочисленные исследования [27,59-60] показывают, что в процессе трения поверхностные слои упрочняются (наклепываются) до предела и когда исчерпывается способность материала к пластической деформации, происходит износ. Причем в работе [27] отмечается, что независимо от степени предварительного упрочнения поверхностные слои наклепываются до предела. Исследования энергетического состояния поверхностных слоев материала показало, что плотность дислокаций, т.е. величины скрытой энергии, в зоне трения достигала насыщения [22,59]. На этом, заключительном этапе деформирования поверхностных слоев происходит образование продуктов износа. Этому моменту соответствует наибольшая степень накопленной пластической деформации и максимальное (критическое) упрочнение (наклеп) [16,18,20].

Плотность скрытой энергии в деформированных поверхностных слоях материала пары трения неодинакова. Самый верхний приповерхностный слой насыщен дефектами до предела. Он уже не способен воспринять пластическую деформацию и в результате последующего фрикционного взаимодействия в нем возникают трещины, которые, смыкаясь, образуют частицы износа. По мере продвижения вглубь плотность скрытой энергии в деформированном слое снижается и на границе, разделяющей упрочненные и не упрочненные объемы, становится равной плотности скрытой энергии материала в исходном (до деформирования) состоянии.



Рис. 2.1. Энергетический баланс процесса трения [16].

Способность к упрочнению у разных металлов и сплавов не одинакова и зависит от их природы и структурного состояния.

Скрытая энергия характеризует упрочненное состояние материала. Она является мерой повреждаемости материала и ответственна в основном за разрушение материала.

2.2 Аналитическая оценка величины скрытой энергии, накапливаемой в поверхностных слоях материала при пластической деформации

По мнению Попова В.С. [22] высокая абразивная износостойкость может быть достигнута при увеличении чувствительности стали к упрочнению в процессе эксплуатации, поскольку доля энергии, потребной на упрочнение для сталей, чувствительных к превращениям, достигает 90-95% в балансе всех энергетических затрат на изнашивание.

Количество энергии, поглощаемой рабочей поверхностью и в значительной степени определяющей способность к сопротивлению изнашиванию абразивными телами, зависит от энергоемкости процессов, осуществляющихся в металле при взаимодействии с абразивами. Величина износа тем меньше, чем больше энергии может поглотить сплав к моменту разрушения [22].

Аналогичного мнения придерживается Погодаев Л.И. [20]. Он также связывает процесс поверхностного разрушения при абразивном воздействии с энергоемкостью материала, т. е. с его способностью накапливать в деформируемых объемах скрытую энергию к моменту разрушения. Чем больше энергии способен накопить материал в деформируемых объемах к моменту разрушения, тем больше его износостойкость.

Исходя из вышесказанного можно записать:

(2.2)

где, - износостойкость материала;

U_K - скрытая энергия деформаций, накопленная к моменту разрушения.

Экспериментальные исследования энергетического баланса процесса изнашивания [13,18,39,52] показали, что величина скрытой энергии деформаций незначительна, ее экспериментальное определение представляет определенные трудности [48]. Поэтому в настоящей работе сделана попытка оценить величину скрытой энергии деформаций аналитическим методом [65].

В работе [48] отмечается, что кривая, характеризующая процесс накопления скрытой энергии в деформированных объемах материала от работы деформации соответствует истинной диаграмме растяжения при одноосном нагружении. Используя эту аналогию, можно определить скрытую энергию, накопленную к моменту разрушения образца при растяжении (рис.2.2).

Рис. 2.2. Зависимость накопления скрытой энергии U от работы деформации W /а/ и истинная диаграмма растяжения /б/.

Если принять (рис 2.2), что

tg= k tg, (2.3)

где -углы наклона кривых;

к - коэффициент, (МПа).

Тогда

(2.4)

где U- удельная скрытая энергия деформации, накопленная в объеме материала при равномерной деформации, МДж / м³;

W- удельная работа деформирования при равномерной деформации, МДж / м³;

S_{B -} истинное временное сопротивление, МПа;

_Т - предел текучести, МПа;

е_В - истинная равномерная деформация.

Известно, что площадь под кривой растяжения, представляет из себя удельную работу деформирования [61]. Поэтому из рис. 2.2, б имеем

(2.5)

После подстановки этого выражения в уравнение (2.4) получим

(2.6)

Далее принимаем

tg = k₂tg (2.7)

(2.8)

где W-удельная работа деформирования к моменту разрушения, МДж / м³;

U_K-удельная скрытая энергия деформаций, накопленная к моменту разрушения образца при растяжении, МДж / м³.

. (2.9)

где S_K -истинное сопротивление разрыву, МПа;

е_К -истинная деформация к моменту разрушения.

Из равенств (2.7) - (2.9) имеем

. (2.10)

Так как (рис. 2.2, б)

(2.11)

то, подставив это равенство в уравнение (2.10), получим

(2.12)

Если принять к₁ = к₂, то удельная скрытая энергия к моменту разрушения составит

(2.13)

где - коэффициент деформационного упрочнения, МПа.

Коэффициент деформационного упрочнения D, имея размерность напряжений, служит истинной мерой пластического упрочнения при растяжении [61]. Величина коэффициента деформационного упрочнения определяется по стандартным механическим характеристикам материала: пределу текучести - , пределу прочности - , относительному сужению - .

В отличие от простого одноосного нагружения при растяжении разрушение поверхностных слоев при абразивном изнашивании осуществляется в условиях сложного напряженного состояния. Однако, если воспользоваться принятым в теории пластичности [62] положением о существовании единой кривой деформирования, то полученные зависимости можно распространить на условия абразивного разрушения.

Подставив (2.13) в (2.2), получим

(2.14)

Приняв k₁ = k₂, и учитывая, что при оценке относительной износостойкости условия нагружения идентичны, принимаем W_k1 = W_k2, тогда из (2.14) имеем

, (2.15)

т.е. между износостойкостью е и коэффициентом деформационного упрочнения D имеется прямая пропорциональная зависимость.

При испытаниях материалов на относительную износостойкость предполагается, что условия изнашивания (нагрузка, скорость, среда, абразив) одинаковы, т. е. можно считать, что и напряженное состояние поверхностных слоев будет одинаковым. Деформируемые слои при абразивном воздействии находятся в сложно - напряженном состоянии, при котором напряжения меняются как по величине, так и по направлению. Однако, можно ожидать, что при каждом цикле взаимодействия, на фактических пятнах контакта действует некоторое усредненное, эквивалентное напряжение , которое будет одинаковым для всех образцов.

В работе [63] отмечается, что при пластической деформации акты зарождения дислокаций увеличивают внутренние напряжении . В этом случае действие внешнего касательного напряжения уменьшается на величину внутренних напряжений и на источник образования дислокаций действует эффективное напряжение

(2.16)

По Оровану [64]

, (2.17)

где h = - коэффициент деформационного упрочнения.

Следовательно, чем больше коэффициент деформационного упрочнения h, тем больше величина внутренних напряжений (2.17), тем меньше эффективное напряжение (2.16) при одинаковом внешнем напряжении . Уменьшение эффективного напряжения , действующего на источник образования дислокаций, снижает скорость накопления дефектов поверхностном слое, а, значит, увеличивает износостойкость.

Таким образом, коэффициент деформационного упрочнения характеризует способность деформируемых объемов материала сопротивляться накоплению дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и др.). Поэтому, чем больше коэффициент деформационного упрочнения, тем больше должна быть стойкость против абразивного разрушения.

Разработанная методика определения энергоемкости материалов выгодно отличается от методик, предлагаемых в работах Попова В.С.[22,34] и Погодаева Л.И.[20].

В работе Попова В.С. [34] для определения энергоемкости сплавов использовался метод рентгеноструктурного анализа с послойным стравливанием упрочненных поверхностных объемов материала.

В работе Погодаева Л.И.[20] критерий износостойкости - критическая плотность потока мощности деформации, определялся из выражения:

W_kp^* =k (H₀ - H_max) (H₀ + H_max) e (2.18)

где H₀ - исходная микротвердость поверхности изнашивания,

H_max - максимальная микротвердость поверхности изнашивания,

е_пред - предельная деформация,

k = 0,33{10⁶[4(H / ) ]^-1} - коэффициент,

здесь H - микротвердость поверхности изнашивания,

_T - предел текучести,

_m - плотность материала.

Для определения H₀, H_max и е_пред строятся диаграммы твердости материалов по методу Вассаускаса С.С.[20]. Предел текучести определяется по диаграмме растяжения образца.

В прелагаемой нами методике используются стандартные механические характеристики (- предел прочности, - предел текучести, -относительное сужение), имеющиеся в справочной литературе, что значительно упрощает и ускоряет процесс оценки износостойкости материалов.

Следует отметить, что рассматриваемая методика с успехом применена для оценки относительной износостойкости рельсовой стали [].

В полученной формуле (2.15) для оценки относительной износостойкости материалов не присутствует в явном виде параметры, характеризующие энергетическую суть предлагаемого подхода, хотя сам критерий оценки поверхностной прочности получен исходя из энергетических предпосылок.

3.3 Определение коэффициента деформационного упрочнения по стандартным механическим характеристикам материалов и установление аналитической зависимости для оценки относительной износостойкости

Для вычисления коэффициента деформационного упрочнения необходимо условную диаграмму растяжения у = f(е) (рис. 2.3) преобразовать в истинную S=f(e) (рис. 2.4.)

Рис. 2.3. Условная диаграмма растяжения

Кривые растяжения в координатах (рис. 2.3) напряжение - относительное удлинение (у, е) не представляют зависимости истинного сопротивления металла от величины деформации при растяжении. Подобные кривые на участке развития шейки образца приобретают даже прямо противоположную действительности особенность, показывая, например, падение условного напряжения при прогрессирующей, перед разрывом, пластической деформации, в то время как истинное напряжение растет [67].

Диаграмму напряжений при растяжении, можно рассматривать как характеризующую свойства данного материала при растяжении.

Эта характеристика механических свойств материала является, однако, условной. Если в начале испытания площадь поперечного сечения образца почти не изменяется, то, начиная с напряжений, равных пределу текучести, наступает заметное уменьшение этой площади, сначала равномерное по всей длине, а с момента перехода за предел прочности -- местное. Таким образом, ординаты кривой на участке за пределом текучести представляют собой условные напряжения, отнесенные не к действительной площади сечения, а первоначальной.

Точно так же абсциссы диаграммы до достижения предела прочности зависят лишь от способности материала удлиняться; после же образования шейки величина относительного удлинения зависит и от соотношения размеров образца (длины и диаметра) и, таким образом, не является уже характеристикой только материала. Поэтому, чтобы получить график, более точно характеризующий свойства самого материала, строят так называемую диаграмму истинных напряжений. Она иллюстрирует связь между напряжениями и деформациями в том сечении образца, где происходит разрыв.

Для построения диаграммы истинных напряжений необходимо отмечать в разные моменты опыта величину силы, растягивающей образец, и одновременно измерять поперечные размеры образца в наиболее суженном месте.

Таким образом, если обозначить истинное напряжение S, а истинную площадь поперечного сечения в наиболее суженном месте F, то

S = P_i / F_i (2.19)

При больших деформациях начальная длина образца тоже значительно изменяется. В связи с этим истинное удлинение е должно быть отнесено к действительной длине стержня в данный момент испытания и может быть вычислено по формуле

e = (2.20)

где --первоначальная длина, а --длина в момент измерения. При больших значениях истинного удлинения оно обозначается е.

Установим зависимости между истинными и условными деформациями и истинными и условными напряжениями. При равномерной деформации по длине образца

e = = ln (2.21)

Окончательно

e = ln(1 + е ), (2.22)

где е = ?l / условная относительная деформация.

Формула (2.21) при неравномерной деформации не может быть использована, так как затруднено измерение ?l для вычисления е .

При неравномерной деформации, с началом образования шейки, опыт показывает, что объем образца почти не меняется. Этот закон постоянства объема может быть записан так:

Fl = Fl (2.23)

где -- первоначальная площадь поперечного сечения. Далее получим

Fl = (F- ?F) (l + ?l ) (2.24)

после деления на ;

1= (2.25)

или

(1 - ш)(1 + е) = 1 (2.26)

1 + е = (2.27)

Отсюда, подставив последнее равенство в формулу (2.21), окончательно получим

e = ln (2.28)

Отметим, что величина ш определяется по самому узкому месту шейки.

Для получения зависимости между истинными и условными напряжениями учтем, что

P = уF = SF (2.29)

где у -- условное напряжение, т. е. отнесенное к первоначальной площади поперечного сечения. Далее,

у = S = S = S (1 - ш) (2.30)

Таким образом, учитывая полученную ранее зависимость между е и ш, при равномерной деформации по длине образца

S = у (1 -е ) (2.31)

При неравномерной деформации, с началом образования шейки, истинное напряжение определяется непосредственно по формуле (2.19),так как нахождение условных напряжений в этой стадии работы образца бессмысленно из-за значительной разницы между F и F.

Диаграмма в координатах истинные напряжения -- истинные деформации изображена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Истинная диаграмма напряжений.

Значение

Величина истинного предела прочности или истинного временного сопротивления S, определяется по формуле (2.31).

Значение истинного напряжения при разрыве определяется по формуле (2.19)

S= P/ F

Величина истинного равномерного удлинения находится по формуле (2.22), т. е.

e= ln (1 - е )

где - есть условное относительное удлинение в момент начала образования шейки.

Наконец, значение полного истинного удлинения в момент разрыва определяется по формуле (2.28),

e=ln, (2.32)

где - вычисляется для места разрыва:

Как видно из диаграмм, представленных на рис.2.3 и 2.4, напряжение возрастает до самого разрыва, сначала быстро, после же достижения наибольшего значения нагрузки (напряжение S) менее резко. В момент разрыва напряжение, отнесенное к действительной площади сечения, оказывается большим предела прочности, вычисленного обычным способом.

Ординаты истинной диаграммы характеризуют способность материала сопротивляться пластической деформации.

Для продолжения пластической (остаточной) деформации нам приходится давать материалу все большее и большее напряжение; по мере роста пластической деформации материал оказывает ей все большее сопротивление. Это явление называется упрочнением. Способность материала к упрочнению характеризуется крутизной подъема' истинной диаграммы, величиной tgб,

tg б == D, (2.33)

где D - коэффициент деформационного упрочнения.

В работе [68] на основании обширного экспериментального материала были установлены для вычисления S_K следующие зависимости

S_K=(1 + 1,35 ) при 0,15, (2.34)

S_K=(0,8 + 2,06) при > 0,15 (2.35)

Возможное отклонение вычисленных по ним значений S_K от экспериментально установленных в среднем составляет 6% [68].

Следовательно, относительная величина скрытой энергии, накопленной в материале рельса к моменту разрушения, легко может быть определена по стандартным механическим характеристикам рельсовой стали - пределу прочности,- пределу текучести, относительному сужению - .

То обстоятельство, что коэффициент деформационного упрочнения рассчитывается по стандартным механическим характеристикам металлов, позволило широко использовать в качестве экспериментального обоснования предложенного критерия данные, полученные другими исследователями.

Глава 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изложенный подход к сравнительной оценке абразивного изнашивания металлических материалов при фрикционном взаимодействии позволяет аналитически связать относительную износостойкость пары трения с коэффициентом деформационного упрочнения, величина которого определяется по стандартным механическим характеристикам материала:

- пределу прочности, - пределу текучести, - относительному сужению.

Такой метод позволяет выявить работоспособность узла трения, не рассматривая детально структуру и сложную природу механизмов и явлений, происходящих в реальных материалах при их деформировании и разрушении.

Целью исследования является экспериментальная проверка возможности оценки относительной износостойкости металлических сплавов в процессе абразивного изнашивания коэффициентом деформационного упрочнения. Экспериментальная проверка заключалась в:

§ определении механических характеристик металлических материалов, подвергнутых различным видам термической обработки;

§ определении закономерностей изнашивания этих сплавов;

§ выявлении взаимной связи (корреляции) закономерностей изнашивания материалов с коэффициентом деформационного упрочнения.

3.1 Методика эксперимента

В соответствии с поставленными задачами методика экспериментальных исследований взаимной связи абразивной износостойкости с коэффициентом деформационного упрочнения должна отвечать следующим требованиям:

1. Методика должна быть простой и удобной для массовых испытаний.

2. Экспериментальные исследования должны дать возможность определить сравнительную износостойкость в идентичных условиях изнашивания (при одинаковых скоростях скольжения и нормальных нагрузок, абразивности среды и пути или времени изнашивания). Постоянство нормальной нагрузки и скорости скольжения обеспечивается конструкцией выбранной для проведения эксперимента установки. Стабильный расход абразивного материала (предварительно высушенного и просеянного) обеспечивается калиброванным отверстием в системе подачи абразива в зону трения.

3. Точность определения механических свойств и замеров износа должна быть достаточно высокой.

В соответствии с поставленными задачами в ходе экспериментальных исследований необходимо определять:

- предел прочности,

- предел текучести,

- относительное сужение.

G - весовой износ.

3.2 Экспериментальная установка

Для проведения экспериментальных исследований использована установка, воспроизводящая схему машины Бринелля [69] (рис. 3.1). Фотография экспериментальной установки приведена на рис. 3.2 .

На горизонтальном валу закреплен резиновый диск 4, толщиной мм и диаметром 120 мм. Вал приводится во вращение от асинхронного электродвигателя 6 через зубчатый редуктор 5 и делает n = 60 об/мин., окружная скорость диска на поверхности трения V = 0,38 м/c.

Образец 2, имеющий форму цилиндра, зажимается в центрах. При помощи центрирующих болтов образец может перемещаться в вертикальном направлении. Нагрузка на образец осуществляется грузами, которые устанавливаются на нагрузочном рычаге 1.

Для обеспечения идентичности условий изнашивания, необходимо было установить образец таким образом, чтобы плоскость, проходящая через вертикальную ось цилиндрического образца 2, была перпендикулярна трущейся поверхности резинового диска 4 и проходила через середину его толщины. С этой целью рычаг нагрузочного устройства 1 фиксируется в опоре в определенном положении, а образец зажимается в центрах.

Абразив в виде порошка определенной зернистости, предварительно просушенный и просеянный через сито с ячейкой мм, насыпается в бункер 3 откуда через калиброванное отверстие поступает в приемник, представляющий из себя трубку, которая подает абразив на трущиеся поверхности. В качестве абразива использован обычный речной песок.

Рис. 3.1 Схема испытания на абразивное изнашивание:

1 - нагрузочное устройство, 2 - образец, 3 - воронка, 4 - диск резиновый, 5 - редуктор, 6 - электродвигатель, 7 - бункер.

Рис. 3.2. Фотография экспериментальной установки.

1 - нагрузочное устройство, 2 - образец, 3 - воронка, 4 - диск резиновый, 5 - редуктор, 6 - электродвигатель, 7 - бункер.

При такой схеме испытаний на абразивное изнашивание:

§ абразив удерживается и амортизирует в резине, что лимитирует внедрение абразива в образец;

§ вследствие применения резинового диска, абразивные зерна меньше подвергаются дроблению;

§ по этой же причине удельная нагрузка в процессе испытания мало изменяется.

Расход песка - 110 г/мин.;

Резина - хлоробутил;

Твердость резины -Durometer A 60;

Частота вращения вала - 60 об/мин;

Скорость скольжения 0,38 м / с;

Нагрузка 90 Н;

Продолжительность испытания - 30 мин.

Износ образцов определялся взвешиванием на технических весах. Точность измерения 10 мг.

Каждая точка величины износа получена как среднее из четырех опытов.

В качестве образцов для испытания на изнашивание применялась утолщенная цилиндрическая часть образца, использованного при испытании на статическую прочность, устанавливаемая в захваты машины.

3.3 Обоснование выбора материалов и подготовка образцов

Материалы для проведения экспериментальных исследований были выбраны, исходя из поставленных целей и задач исследований.

Для эксперимента были выбраны металлические сплавы с сильно различающимися химическим составом механическими и физическими свойствами: углеродистая У8 и легированная 30ХГСНА стали и титановый сплав ВТ3-1, подвергнутые закалке и отпуску при различных температурах.

Форма, размеры и основные требования к изготовлению образцов для статических испытаний на растяжение соответствовали ГОСТ 1497-73. [70] (рис. 3.3.)

Для уменьшения рассеяния свойств из-за различия в химическом составе образцы изготавливались из стали одной плавки. Каждая партия образцов состояла из трех групп, отличающихся по термообработке. Характеристика режимов термообработки приведена в таб.3.1.

С целью получения более точных значений коэффициента относительного сужения ш, входящего в расчетные формулы, были использованы цилиндрические образцы.

Для определения характеристик статической прочности при растяжении использовались машины, отвечающие требованиям ГОСТ 1497-73 и ГОСТ 7855-74 [70,71].

Рис.3.3. Образец для испытаний на растяжение

Таблица 3.1

Характеристика режимов термообработки образцов

№ группы образцов	Материал	Шифр режима термообработки	Термообработка
1 2 3	30ХГСНА	О ЗВО ЗНО	Отжиг 900С Закалка от 900С, отпуск при 520С. Закалка от 900С, отпуск при 290С.
1 2 3	У8	О ЗВО ЗСО	Отжиг 740 - 760С. Закалка от 800С, отпуск при 600С. Закалка от 800С, отпуск при 450С.

Примечание: Закалка указанных сталей проводилась в масле.

С целью получения более точных значений коэффициента относительного сужения ш, входящего в расчетные формулы, были использованы цилиндрические образцы.

Для определения характеристик статической прочности при растяжении использовались машины, отвечающие требованиям ГОСТ1497-73 и ГОСТ 7855-74.

3.4 Методика обработки экспериментальных данных

В результате проведения экспериментальных исследований были получены следующие первичные данные:

- характеристики статической прочности при растяжении;

- весовые износы образцов при испытаниях на абразивное изнашивание.

Для определения характеристик статической прочности выполнялись испытания до разрушения трех- четырех образцов из партии заданного материала. При этом для каждого из образцов замерялось:

- максимальная нагрузка , которую выдерживает образец ;

- нагрузка , соответствующая пределу текучести материала;

- нагрузка , соответствующая моменту разрушения образца.

После разрушения образцов определялись диаметры образцов в месте разрыва ; затем определялись площади соответствующих поперечных сечений:

- начальной площади ,

-площади в момент разрушения

Расчетом для каждого образца в отдельности определялись следующие характеристики:

- предел прочности ,

- предел текучести ,

- относительное сужение к моменту разрушения образца ,

- истинное сопротивление разрыву .

В тех случаях, когда точное определение истинного сопротивления разрыву связано с методическими трудностями, использовались зависимости (2.34), (2.35), предложенные Марковцом М П.[68]

По формуле (2.32) определяли истинное удлинение образца

По формуле (2.33) определяли коэффициент деформационного упрочнения D

После проведения экспериментальных исследований на машине трения были получены данные о весовом износе G за время изнашивания t = 0,5 час.

Расчетом определяли износостойкость е

С целью установления корреляционной зависимости между износостойкостью е и коэффициентом деформационного упрочнения D экспериментальные данные обрабатывались методом наименьших квадратов (см. Приложение П.2.)

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Исследование взаимной связи износостойкости металлических материалов с коэффициентом деформационного упрочнения

Проведенные экспериментальные исследования износостойкости конструкционных материалов, имеющих различную структуру и механические свойства, дали возможность выявить связь износостойкости этих материалов с коэффициентом деформационного упрочнения (табл. 4.1.)

Таблица 4.1

Результаты экспериментальных исследований износостойкости стали 30ХГСНА

№	Термо обработка	Механические свойства	D	е
				шк	e	SК	НВ
1.	О	786	428	0,36	0,446	1169	2210	1659	2,22
2.	О	786	469	046	0,616	1274	2110	1307	2,13
3.	О	770	535	0,469	0,633	1258	2190	1142	2,04
4.	ЗОВ	1293	1083	0,495	0,683	2157	3850	1572	3033
5.	ЗОВ	1284	1070	0,505	0,703	2159	3950	1549	3,23
6.	ЗОВ	1230	1010	0,515	0,723	2085	3780	1487	2,94
7.	ЗОВ	1239	1054	0,495	0,683	2067	3790	1483	2,86
8.	ЗОВ	1284	1081	0,515	0,723	2177	3760	1515	2,86
9.	ЗОС	1555	1420	0,505	0,703	2615	5370	1700	4,17
10.	ЗОС	1754	1433	0485	0,57	2902	5410	2216	4,55
11.	ЗОС	1667	1401	0,515	0,723	2825	5190	1974	3,85
12.	ЗОС	1621	1336	0,45	0,598	2605	5360	2123	4,35
13.	ЗОС	1575	1306	0,505	0,703	2648	5290	1910	3,85

Рис. 4.1. Зависимость механических свойств стали 30ХГСНА от температуры отпуска t:

+ - предел прочности у;

0 - предел текучести у;

? - относительное сужение ш;

- коэффициент деформационного упрочнения D.

Рис. 4.2. Зависимость абразивной износостойкости е от коэффициента деформационного упрочнения D (сталь 30ХГСНА).

Обработка полученных данных методом наименьших квадратов (табл.П.3. приложение) показала, что коэффициент корреляции абразивной износостойкости с коэффициентом деформационного упрочнения для стали 30ХГСНА составил r = 0.881. Полученное значение коэффициента корреляции свидетельствует о сильной связи между абразивной износостойкостью е и коэффициентом деформационного упрочнения D (Рис. 4.2).

В табл. 4.2 приведены экспериментальные данные механических свойств, коэффициента деформационного упрочнения и износостойкости стали У8.

Таблица 4.2

Результаты экспериментальных исследований износостойкости стали У8

	Термо обработка	Механические свойства	D	е
				шк	e	SК	НВ
1.	О	749	541	0,351	0,43	1103	2140	1309	2,0
2.	О	741	533	0,36	0,446	1101	2060	1273	1,92
3.	О	714	539	0,345	0,42	1046	2040	1208	1,92
4.	ЗВО	917	822	0,283	0,33	1267	2620	1349	2,2
5.	ЗВО	853	770	0,26	0,3	1152	2370	1274	2,1
6.	ЗВО	966	832	0,267	0,31	1314	2760	1554	2,4
7.	ЗСО	1050	987	0,192	0,21	1322	3730	1596	3,2
8.	ЗСО	1027	970	0,203	0,23	1308	3690	1471	3,1
9.	ЗСО	1106	1043	0,210	0,236	1419	3960	1593	3,3

Обработка полученных данных методом наименьших квадратов (табл.П.3. приложение) показала, что коэффициент корреляции абразивной износостойкости с коэффициентом деформационного упрочнения для стали У8 составил r = 0.903. Полученное значение коэффициента корреляции свидетельствует о сильной связи между абразивной износостойкостью е и коэффициентом деформационного упрочнения D (Рис. 4.3.).

В табл.4.3 приведены экспериментальные данные механических свойств, коэффициента деформационного упрочнения и износостойкости отожженного сплава ВТ3-1.

Таблица 4.3

Результаты экспериментальных исследований износостойкости сплава ВТ3-1

	Термообработка	Механические свойства	D	е
				шк	е	SК	НВ
1.	О	1073	907	0,37	0,46	1608	3040	1526	3,1
2.	О	1050	912	0,35	0,43	1546	3150	1474	3,2
3.	О	1024	875	0,38	0,48	1549	2970	1405	3,0

Рис. 4.3. Зависимость абразивной износостойкости е от коэффициента деформационного упрочнения D (сталь У8)

Рис. 4.4 Сводный график зависимости абразивной износостойкости е от коэффициента деформационного упрочнения D (стали 30ХГСНА и У8, титанового сплава ВТ3-1)

На рис. 4.4 представлены сводные данные зависимости износостойкости выше названных сплавов (стали 30ХГСНА, У8 и титанового сплава ВТ3-1). Коэффициент корреляции составил r = 0,892, что говорит о сильной связи износостойкости с коэффициентом деформационного упрочнения.

На рис 4.5 представлен график зависимости абразивной износостойкости е от твердости по Бринеллю НВ, из которого видно, что для отожженных и закаленных материалов экспериментальные точки укладываются на разные прямые, в отличие от графика на рис. 4.4, где эти зависимости описываются единой прямой.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования и их анализ показал, что между абразивной износостойкостью и коэффициентом деформационного упрочнения существует сильная функциональная связь, близкая к линейной, что хорошо согласуются с предложенной зависимостью (2.15).

Рис.4.5 Зависимость абразивной износостойкости е от твердости по

Бринеллю НВ.

Ч - сталь 30ХГСНА, закаленная;

0 - сталь У8, закаленная;

? - отжиг (стали 30ХГСНА и У8, сплав ВТ3-1)

4.2 Анализ результатов исследований и их сопоставление с экспериментальными данными других исследователей

Идея оценки абразивной износостойкости механическими характеристиками материалов всегда представлялась весьма заманчивой. В главе 1 отмечалось, что к настоящему времени выполнен большой объем исследований, в которых абразивное разрушение поверхностей при трении связывается с различными механическими свойствами: пределом прочности, пределом текучести, модулем упругости, твердостью, относительным удлинением, относительным сужением, ударной вязкостью и др.

То обстоятельство, что коэффициент деформационного упрочнения металлических материалов рассчитывается по стандартным механическим характеристикам (- пределу прочности, - пределу текучести, - относительному сужению), позволило сопоставить полученные в данном исследовании данные с экспериментальными данными других авторов [8, 72, 79].

Обработка с рассматриваемых позиций экспериментальных данных [8] по относительной износостойкости отожженных чистых металлов и сплавов о закрепленные абразивные частицы показало, что коэффициент корреляции между коэффициентом деформационного упрочнения D и относительной износостойкостью е равен r =0,97. Рис.4.6. (табл.)

На рис.4.7. представлены обработанные экспериментальные данные относительной абразивной износостойкости от коэффициента деформационного упрочнения [72] для 12 марок углеродистых и легированных конструкционных сталей, подвергнутых различным видам термической и термомеханической обработки. Коэффициент корреляции между е и D для 129 различных состояний исследованных материалов составил r = 0,898 (табл. П.5. приложение).

Рис.4.6 Зависимость относительной абразивной износостойкости е отожженных чистых металлов и сплавов от коэффициента деформационного упрочнения D (по данным [8]).

Таблица 4.2

Величины коэффициента корреляции между D и для различных материалов при различных условиях изнашивания

№ п/п	Материал	Термообработка	Количество исследованных образцов	Условия изнашивания	Среда	Вид абразивного изнашивания	Коэффициент корреляции
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Чистые металлы	Отжиг	8	Р=3 Н n=0,0625с-1 L=3 м	Корундовое полотно (ЧАЗ=170)	Скольжение о закрепленные абразивные частицы	0,9
2	Сталь У8А	Закалка + отпуск	9	Испытание проводилось вручную, время испытания 30 мин.	Черный карбид кремния	Взаимное шлифование	0,97
3	Сталь 45	Закалка + отпуск	4 4	Энергия удара 0,5 кгм Энергия удара 2 кгм	Черный карбид кремния	Ударно-абразивное изнашивание	0,952 0,917
4	Сталь 40Х	Двойная закалка	15	Х4-Б	Абразивная шкурка	Изнашивание при скольжении	0,833
1	2	3	4	5	6	7	8
5.	Медь М3, сталь38Х, Алюминий АД1	Наклеп	10	Р = 3Н	По методике ГОСТ 17367-71	Изнашивание при скольжении	0,947
6	Стали 45, 40ХМ2МА,7ХФНШ, 40Х13, 03Х11Н10М2Т	Закалка + отпуск	27	Энергия удара 1 Дж.	Кварцевый песок 1КО16А в воде	Ударно -абразивное изнашивание.	0,829
7.	Стали 45,45Г, 45Г2, 45ХГ, 45ХГ2, 45Х,45Х2, 45Х3,45Х4,45Х5, 45ХГС, 45ХНМА.	Объемная закалка, ВТМО, НТМО + отпуск	129	Р=4,6 Н, n=0,583с-1	Электрокорундовое полотно	Скольжение о закрепленные абразивные частицы	0,898
8.	Сталь Д7ХФНШ	Закалка + отпуск	8	P=930мН/м2 V=2,47м/с, L=30 м.	Э9А40	Скольжение о закрепленные абразивные частицы	0,932
9.	Сталь 110Г13Л	Объемная закалка, ВТМО, механический наклеп объемно-закаленных образцов и после ВТМО.	4 4	P=930 мН/м2 V=2,47 м/с, L=30 м. 1000 ударов	Э9А40СТ1 Черный карбид кремния.	Скольжение о закрепленные абразивные частицы Ударно-абразивное изнашивание.	0,937 0,976
10.	Стали С=0,03-1,04 %	Отжиг	5	V=28 м/с	Электрокорунд	В потоке абразивных частиц.	0,87

Рис. 4.7. Зависимость относительной абразивной износостойкости от коэффициента деформационного упрочнения для сталей, подвергнутых различным видам термообработки [72].

Расчет коэффициента корреляции между относительной абразивной износостойкостью и коэффициентом деформационного упрочнения D по экспериментальным данным [73] для закаленной и отпущенной при различных температурах стали Д7ХФНШ при скольжении о закрепленные абразивные частицы показали, что он составляет r = 0,932 ( табл. П.6. приложение).

Обработка с рассматриваемых позиций экспериментальных данных по изнашиванию об абразивную шкурку на машине трения Х4-Б стали 40Х, подвергнутой двойной закалке с отпуском, дала коэффициент корреляции
r = 0,833 [74,75] (табл.П.7.приложение).

Коэффициент корреляции между е и D для отожженной стали с содержанием углерода 0, 03 - 1,04, изнашиваемой в потоке абразивных частиц составил r = 0,87 [76] (табл.П.8.приложение).

Изнашивание углеродистой инструментальной стали У8А при взаимном шлифовании вручную выявило достаточно высокий уровень коэффициента корреляции между относительной абразивной износостойкостью и коэффициентом деформационного упрочнения D (r = 0,97) [77] (табл.П.9.приложение).

Для закаленных и отпущенных углеродистых и легированных сталей в условиях ударно-абразивного изнашивания коэффициент корреляции между е и D составил r = 0,829 [78] (табл.П.10.приложение).

Ударно-абразивное изнашивание закаленной и отпущенной при различных температурах углеродистой стали 45 показало, что при энергии удара 0,5 кГм коэффициент корреляции составил r = 0,952, а при энергии удара 2,0 кГм соответственно r = 0,917 [79](табл.П.11.приложение)

Таким образом для широкого класса материалов (отожженных и упрочненных различными видами термической и термомеханической обработки), работающих при различных условиях изнашивания (скольжении по абразиву, ударно-абразивном изнашивании, в потоке абразивных частиц, взаимном шлифовании) уровень коэффициента корреляции между относительной абразивной износостойкостью и коэффициентом деформационного упрочнения D имеет значения близкие к единице ( r 1) [8, 72-79]. Это свидетельствует о прямой пропорциональной зависимости между этими величинами, что находится в хорошем соответствии с зависимостью (2.15).

Известно, что относительная абразивная износостойкость металлических материалов пропорциональ...