Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости отливок как показатель их качественности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ОТЛИВОК КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ИХ КАЧЕСТВЕННОСТИ

В.М. Колокольцев, Е.В. Синицкий, С.Ю. Волков

Проблема повышения качества и эксплуатационных свойств отливок актуальна для всех сфер их применения. Особо остро данная проблема стоит для отливок горно-металлургической, нефтегазовой отрасли и машиностроения, работающих в условиях абразивного износа, высоких температур и агрессивных сред. Повышение качества и конкурентоспособности выпускаемых изделий и оборудования напрямую связано с необходимостью улучшения качества металла, а также с созданием новых конструкционных материалов. Повышение качества можно достичь путем создания новых износостойких сплавов, принципов их легирования, совершенствованием технологии производства. Для этого широко используется метод прогнозирования свойств сплавов по диаграммам состояния с использованием зависимостей типа "состав-свойство". Однако, для ряда важных специальных или служебных свойств данные зависимости неизвестны. отливка эксплуатационный технология сплав

Теоретические и экспериментальные работы, выполненные с целью изучения абразивной износостойкости, показывают на взаимосвязь химического состава, технологии изготовления, структуры и износостойкости литейных сплавов и отливок, но не позволяют однозначно определить критерии ее оценки и численные характеристики [1]. Формирование специальных свойств отливок обусловлено действием ряда факторов, таких как: химический состав, механические свойства, характеристики технологических процессов, получаемые микро- и макроструктуры, а также их свойства. Применение подобных подходов к вопросам формирования качественных изделий не позволяет получить продукцию, отвечающую современным требованиям, так как не учитывает специфические для каждого вида литья условия.

Большинство исследователей, работающих в области абразивного изнашивания металлов и сплавов, предлагают свои критерии износостойкости. Такие критерии зачастую отражает трактовку теорий изнашивания. Ввиду этого, применение подобных критериев на практике сильно затруднено из-за специфичности и трудности получения физико-механических характеристик входящих в эти критерии [2].

По мнению М.М.Хрущова относительная износостойкость сталей после закалки линейно увеличивается при повышении твердости.

=₀+b`(H-H₀)

где b`- коэффициент, зависящий от химического состава сталей;

H₀, H - твердость стали в отожженном и закаленном состояниях.

М.М.Тененбаум также оперирует твердостью, хотя им были получены данные, противоречащие этому. И.В.Крагельский в разное время предлагал различные аналитические зависимости для оценки износостойкости материалов. При попытке определить эмпирическим способом фактическую площадь при упругом контакте взаимодействующих пар трения он использует обобщенную упругую константу Кирхгофа.

;

где µ₁, µ₂ и E1, Е₂- коэффициенты Пуассона и модули упругости контактирующих тел 1 и 2.

Входящие в данный критерий характеристики структурно не чувствительны. Другой критерий - интенсивность износа включающий характеристики, которые не учитывают свойств ни испытуемого материала, ни контактирующего с ним.

Много внимания уделяется энергетической теории изнашивания. Вариантов энергетического подхода к механизму изнашивания много, но почти в каждом из них использовано понятие "объем изношенного материала".

;

где - мнимая плотность энергии трения; W_T - работа трения; V_изн - объем изношенного материала.

При этом работа трения:

W_T=fNL_T;

где f/- коэффициент трения; N - нагрузка; L_T - путь трения.

Для инженерных расчетов и прогнозирования выбора более износостойких материалов использовать "объем изношенного материала" нельзя, так как для получения численных значений необходимо знать трудно определяемые или вообще не определяемые в реальных условиях характеристики.

Г.Я.Ямпольский в качестве критерия оценки износостойкости при скольжении по абразивной прослойке предложили "комплекс механических и трибологических свойств" - отношение твердости к коэффициенту стружкообразования. Однако возможность определения для реальных пар трения коэффициента стружкообразования затруднена.

В.Н. Кащеев допускает возможность применения в качестве критерия оценки износостойкости металлических материалов при скольжении по абразиву "коэффициента жесткости кристаллической решетки", однако для реальных сплавов раздельная оценка жесткости кристаллической решетки каждой фазы невозможна.

;

где К. - постоянная Больцмана; h - постоянная Планка; т - масса электрона; -характеристическая температура Дебая.

Р.Коhl предложил критерий "плотности энергии изменения формы", в данном критерии неучтено, что не для каждого сплава при его высокой твердости и хрупкости фиксируются предел прочности, предел текучести и относительное удлинение.

;

где - _0.2 предел текучести; _в - предел прочности; _d - относительное удлинение при разрушении.

А.И. Лаврентьев в качестве критерия предлагает "объемную энергию разрушения". Высокотвердые материалы, а они наиболее износостойки при абразивном изнашивании, предлагаемой оценке не поддаются по причине высокой хрупкости.

;

где S_K - истинное сопротивление разрушению; _т - предел текучести.

И.В. Южанов для скольжения металлических материалов по грунту в качестве критерия предлагает "работу разрушения металла". Для применения этого критерия, необходимо провести испытания материалов разной твердости во всех условиях изнашивания, т.е. определить износостойкость экспериментальным путем.

П.Н. Львов в качестве оценки износостойкости наплавляемых сплавов при скольжении и ударе по абразиву и металлу предложил "работу выдавливания канавки". При этом в критерии замер показателей трудно реализуем.

И.Ш.Белингер для условий абразивного и ударно-абразивного изнашивания в качестве критерия оценки износостойкости предложил "напряжение царапанья". В этом критерии идея сопротивления изнашиванию сводится к попытке полностью считать ее адекватной резанию металла, что не может моделировать полностью механику абразивного изнашивания в условиях хрупкого и усталостного износа.

Флейшер при выборе критерия износостойкости совмещает в одном критерии условия скольжения по абразиву и металлу, обобщив это понятием "мнимой плотности энергии трения". Данный критерий вызывает сомнения в возможности получения.

где - средняя плотность энергии разрушения, определяемая по данным механических испытаний; п_k - число контактов до разрушения; _R- коэффициент аккумуляции энергии; - число износа.

Beckman G. и Kleis V. считают допустимым в качестве критерия оценки износостойкости материалов при скольжении по абразиву и при газоабразивном изнашивании принять отношение энергоемкости материала при сдвиге к прочности единичного контакта на срез. При этом энергоемкость материала при сдвиге - характеристика, наиболее тесно связанная с реальным механизмом изнашивания, но методика ее определения достаточно сложна.

Для условий трения скольжения по абразиву при высоком контактном давлении B.C. Попов предлагает в качестве критерия оценки износостойкости использовать энергоемкость металла. Однако ни одна механическая характеристика не может учитывать всю сложную гамму внешнего силового воздействия на поверхность металла единичной абразивной частицы при ее скольжении по монолитному абразиву.

Л.И. Погодаев в качестве критерия оценки износостойкости материалов при гидроабразивном износе предлагает использовать скрытую энергию наклепа. В этом критерии учитывается скрытая энергия наклепа по сумме микротвердостей до и после испытания.

W=E_уд*V_кр;

где E_уд - удельная энергоемкость металла; V_кр - критическая скорость удара, постоянная для данного материала.

Однако, и этот критерий не освобождает от испытаний материалов на изнашивание, чтобы получить наклеп, а уже потом его зафиксировать.

Анализ указанных критериев позволяет сделать заключение, что аналитический путь описания изнашивания и оценки износостойкости весьма сложен и мало достоверен. В ряде рассмотренных примеров использованы не критерии износостойкости, а некая трактовка предполагаемого механизма изнашивания [2].

Наиболее адекватный критерий предложили В.Н.Виноградов и Г.И.Сорокин. Для прогнозирования износостойкости сталей - произведение предела прочности на относительное сужение - (_в). Данный критерий может использоваться для прогнозирования износостойкости сталей, у которых нет четкого проявления порога хрупкости, или он отсутствует.

Таким образом, существующие критерии износостойкости на текущем этапе не могут применятся для достоверного прогнозирования эксплуатационных свойств и качества литых изделий.

Для формирования критериев износостойкости наиболее полно отвечающим предъявляемым требованиям возможно применение методов квалиметрии, когда внешние факторы, существенно влияющие на исход операции (свойства сплавов), могут принимать одно из нескольких возможных состояний Q={Q₁, Q₂,… Q_j}, для которых известна вероятность их проявления S(Qj)=Sj.

В качестве внешних факторов Q могут выступать - химический состав сплава, содержание легирующих компонентов, наличие и механизм действия модификаторов, характеристики технологических процессов существенно влияющие на конечный результат (например, теплофизические характеристики литейных форм и сплавов), характеристики описывающие макро- и микроструктуру сплавов, внешние характеристики описывающие условия работы изделий, а так же комбинации всех перечисленных факторов.

Список литературы

1. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов / В.М. Колокольцев, Н.М. Мулявко, К.Н. Вдовин, Е.В.Синицкий / Под ред. проф. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 228 с.

2. Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости белых легированных чугунов / В.М.Колокольцев, Е.В.Синицкий, П.А.Молочков, П.С.Лимарев, О.А.Миронов // Вестник МГТУ им.Г.И.Носова, 2004, №1.

Размещено на Allbest.ru