Новый метод прогнозирования износостойкости стали

DOI:

Одной из важнейших задач, стоящих перед машиностроением, является повышение надежности и долговечности машин и механизмов. Из практики эксплуатации машин известно, что до 90 % причин их отказов связаны с изнашиванием, возникающим в условиях контактирования исполнительных звеньев при их относительном перемещении или ударе.

Повышение ресурса работы машин требует оптимизации задачи выбора износостойких материалов, поисков эффективных конструктивных и технологических решений. Эта проблема осложняется тем, что при проектировании оборудования детали машин на износ рассчитать не могут, основное внимание уделяется обеспечению конструктивной прочности.

Износостойкость и коэффициент трения являются реакцией материала на процессы трения и изнашивания, реализуемые в конкретном трибосопряжении. Для некоторых классов сталей и сплавов в настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по их износостойкости.

Несмотря на большой объем накопленной информации, единого мнения о механиз- ме изнашивания материалов нет. Несопоставимость, а в ряде случаев и противоречивость данных о закономерностях и механизме абразивного изнашивания предопределили отсутствие достоверных методов расчета на износостойкость при проектировании машин, механизмов и инструмента.

Низкая износостойкость деталей машин обусловливает нежелательный перерасход металла и очень низкий коэффициент его полезного использования, что связано с большими затратами энергетических ресурсов и материальных средств. Одним из основных путей повышения износостойкости деталей машин является выбор материалов с оптимальным сочетанием механических свойств. Выбор сталей для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, осложняется тем, что износостойкость – величина переменная и определяется условиями контактного взаимодействия, главным образом соотношением свойств абразива и металла.

Отсутствие достоверной научной методики, подобной прочностному расчету, для выбора износостойких материалов и сложности, связанные с проведением испытаний на изнашивание, обусловили повышенное внимание трибологов к проблеме поиска критериев оценки износостойкости материалов.

Выбор износостойких сталей и сплавов по достоверным критериям износостойкости осложняется тепловым воздействием на узлы трения, что вызывает разупрочнение сопряженных поверхностей и может сопровождаться изменением начальных характеристик сталей и сплавов. Процессы, происходящие при абразивном изнашивании, сложны, многообразны и требуют дальнейшего систематического изучения с учетом разновидностей контактного взаимодействия.

Предлагаемый подход к оценке фрикционной надежности нитроцементованной стали базируется на предположении о том, что текущий износ D r ( z , t ) в точках поверхности трения с координатой z определяется отношением энергии, аккумулированной за время t элементарным объемом поверхностного слоя (доли ξ удельной работы внешних сил трения А ТрД ( z , t ) = N трд ( z ) • t ) к критической плотности энергии локального разрушения материала поверхностного слоя (его износостойкости U _m р ( z ) = ^ • U _m( z )):

A r ( z , t ) = ^ • N ”( z ) • t / U „ p ( z ), (1)

где N _т ^у _р ^д ( z ) – удельная мощность сил трения в очаге деформации; ξ – коэффициент аккумулирования энергии материалом поверхностного слоя с заданной микрогеометрией; U _ω ( z ) – мнимая плотность энергии по Г. Фляйшеру [7]; t – время изнашивания.

Величина удельной мощности сил трения в точках поверхности износа с координатой z определяется произведением модуля вектора контактного касательного напряжения τ ( z ) = τ _z и модуля вектора скорости скольжения V ( z ) = V_z металла в этих точках.

N J z ) = т z • V z ,             (2)

где

τ _z = f_z p_z .                    (3)

Коэффициент трения в условии (3) определяется как [12]:

fz = f z

* • e - P z / ™\

где HB_z = 2,61 • ° _sz - твердость обрабатываемого материала по Бринеллю; f_z * – параметр, определяемый условиями трения

0,618 • т z fz = тД1 _ e~!.25(Pz '°sz ) ) , тsz » 0,58 • °sz. (5)

Для определения нормального номинального давления p_z в рассматриваемых точках с координатой z в условии (3) используем приближенное условие пластичности Треска – Сен-Венана

P z = ° sz ^_ ° zz               ⁽⁶⁾

и логарифмический закон упрочнения в очаге деформации

° sz = ° so + m lnP z ,               ⁽⁷⁾

где σ _sz – текущий предел текучести в сечении z ; σ _so – предел текучести перед переходом; m – cредневзвешенный модуль упрочнения.

Осевую компоненту тензора напряжений в сечении с координатой z в условии (6) определяем по известной зависимости Г.Э. Арку-лиса [4]:

b ( m 1 | b.        °_n

°zz =-| °s0 — 1 —a 1 + m- 1ПЦz + — (8) a V a J^ Цz) a       pz где b = (1 + f / tgα)/(1 – f/tgα) и a = b – 1 – промежуточные коэффициенты.

Модуль вектора скорости перемещения металла на контактной поверхности в точках сечения z в условии (2)

V z = V V z 2 + V 2 , ⁽⁹⁾

где V_zz = -^^ V - осевая составляющая скорости пе-ремещени μ я металла на контактной поверхности в сечении z ; V 1 - скорость волочения; V rz = V_zz ■ tga -радиальная составляющая скорости перемещения металла на контактной поверхности в сечении z .

Совокупность уравнений (1)–(9) определяет методику оценки удельной мощности сил трения.

Удельную энергоемкость материала поверхностного слоя Umр (z) = Umpz в точках с координатами z и коэффициент аккумулирования энергии ξ в условии (1) оценим, используя зависимость Г. Фляйшера [7] для мнимой плотности энергии в виде отношения номинального касательного напряжения к линейной интенсивности изнашивания Uож = тz / Ihz с учетом выражения Umz = fz • pcz • nkpz, на основе энергетического подхода к усталостной те- ории изнашивания. Приравнивая, получим Umz = Tz / Ihz = 2 • (v + 1) • Pcz • nkpz. Учитывая, что Uшpz = ^ • Uшz (см. формулу (1)) И принимая ^ = (2 • (v+1))-1, получим выражение для критической плотности энергии локального усталостного разрушения материала:

U         -n =

ωp max     0,2 кр max a f °BL_+1,445

= 0,6922 • o ₀,₂ - 10 ⁽ ° 0,2

U ш pz = P cz • n kpz .              ⁽¹⁰⁾

Используя выражения для контурного давления р_сz и критического числа циклов n_крz :

pcz     0,2

^T z

τ₂ f 2 /σ 0,2

( fz /^ 0,2 )

= ° 0,2⁽ Pz /° 0,2 ) ( pz^t

n kpz

= 10

где σ _в , σ _0,2 , – предел прочности и условный предел текучести материала поверхностного слоя, показатель

U _m pz = p cz • n kpz =

= o₀ , ₂ • ( p_z K ^^p z ^/a0^ - 10 a ^(o - ^/o 0,2 ^{+ o} 0,^{2 /} p cz ) .(13)

Анализ приведенного выражения для оценки энергоемкости поверхностного слоя показывает, что ее величина зависит только от номинального контактного давления р_z и в области многоцикловой усталости ( 0 <  p z <  o ₀ 2 ) изменяется от ^U _Ш p min = ^ 0,2 ^{- 10} a (° b ^⁰,2 ^{+ 1) (} при p_z = ^ 0,2 ) до (если p _z = 0,36788 • o₀ , ₂ )

Последнее выражение определяет единственно возможное максимальное значение энергоемкости как предельную величину энергии до разрушения элементарного объема поверхностного слоя из данного материала. Очевидно, что величина U    зависит только от свойств мате-

ωp max риала и может являться его новой механической характеристикой, количественно (в Дж/мм3) оценивающей способность материала сопротивляться усталостному изнашиванию в любых условиях фрикционного взаимодействия.

Значения физико-механических характеристик в уравнениях (10)–(14) следует определять в функции температуры в очаге деформации.

Совокупность уравнений (1)–(14) представляет собой модель процесса изнашивания поверхности.

На рисунке приведено распределение удельной энергоемкости диффузионного слоя стали после химико-термоциклической обработки (ХТЦО) 5 и 9 циклов, а также после изотермической нитроцементации в зависимости от расстояния от поверхности.

Из проведенных испытаний видно, что обработка стали по режимам ХТЦО позволяет существенно повысить нагрузочную способность поверхности трения.

Таким образом, износостойкость материала поверхностного слоя в условиях усталост-

Распределение удельной энергоемкости диффузионного слоя стали в зависимости от расстояния от поверхности

• - девять циклов; A - пять циклов; о - изотермическая нитроцементация

ного изнашивания можно оценивать величиной удельной энергоемкости, которая зависит от его физико-механических характеристик.