CC BY
27
УДК 621.785.5
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ Чаплыгин Владислав Юрьевич, аспирант (e-mail: metroJlava@mail.ru) Колмыков Валерий Иванович, д.т.н., профессор Колмыков Дмитрий Валерьевич, к.т.н., доцент Воскобойников Дмитрий Викторович, к.т.н., преподаватель Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной статье представлен теоретический анализ влияния твердой фазы и пластичной матрицы в структуре металлических композитов на их абразивную износостойкость. Показано, что высокое содержание карбидов на поверхности стали способствует повышению его абразивной износостойкости на порядок и более.
Ключевые слова: абразивная износостойкость, нитроцементация, пластическая текучесть, металлические композиты
Абразивная износостойкость является одной из важнейших характеристик материалов для деталей машин и инструментов, используемых на машиностроительных предприятиях. Она, как известно [1,2], определяется твёрдостью и способностью материала выдерживать многократное деформирование без разрушения. При этом наивысшей износостойкостью обладают материалы с гетерофазными структурами.
Твердость материала с двухфазной структурой (например, стали с избыточным цементитом) можно определить по правилу аддитивности [3].
H = Hk*n+HM(1-n), (1)
где H - интегральная (аддитивная) твёрдость двухфазного материала;
Hk и HM - соответственно твёрдость карбида (упрочняющей фазы) и матрицы;
n - относительное содержание твёрдой фазы в структуре матрицы.
Твёрдость карбидов в металлическом композите (например, в сфероиди-зированной стали, в износостойких наплавах или в цементованном слое хромистой стали) можно считать постоянной, в то время как твердость матрицы определяется величиной промежутков между карбидами (участков матрицы). При этом твёрдость матрицы, с учетом упрочнения ее твёрдыми включениями, можно представить выражением [4,5].
Hm = 4,3[GMo + ^)-i]+2,4 (2)
где GMo - предел текучести матрицы при бесконечно большом размере кристалла;
kg - коэффициент, учитывающий прочность блокировки дислокаций твёрдыми включениями;
d - средний размер твёрдого включения (размер карбидной частицы).
Учитывая вышеприведенные рассуждения получим для металлического композита
Н = Нк*п+Кз
тмг
+ к>
+ 2,4}(1-п)
(3)
Здесь следует отметить, что найденное выражение, по-видимому, недостаточно точно при очень малых расстояниях между карбидами, так как в этом случае начинает проявляться т.н. «масштабный фактор». Дело в том, что при малых размерах зоны деформирования (участка матрицы) затрудняется образование дислокаций в кристалле-источники дислокаций (например источники Франка-Рида) уже не способны генерировать дислокации при увеличении приложенного напряжения. Критический размер межкарбидного промежутка для железа равен примерно 2,5мкм [6].
Пользуясь выражением (3) можно проанализировать влияние относительного содержания карбидов (цементита) в структуре стали на её абразивную износостойкость. На рис. 1. представлено решение этого уравнения для следующих условий: Нк=1000МПа (цементит); 8Ф м =120Мпа (феррит); 8аМо =200Мпа (аустенит); 8мМо =600Мпа (мартенсит); к8 =2,2* 107 [5]; с1=5*10-6м.
12
й
¥ о
о О
•-О
£
10
1 1 Абразивное воздействие отсутствует На
Микрос иятие
3 0,7 На
2 . V 1 Микрс резание
/У а = 5 мкм
/
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Относительное содержание цементита п
Рис.1. Зависимости твёрдости цементит-содержащего композита от относительного содержания карбидов п при различных матрицах: 1)-ферритной; 2)-аустенитной; 3)-мартенситной. Диаметр карбидного
включения а=5мкм.
Известно [1], что при Н<0,7. На абразивное изнашивание происходит по механизму микрорезания, когда микростружка (продукт износа) отделяется от изнашиваемой поверхности за один элементарный акт воздействия абразивного тела на поверхность. При 0,7На<Н<На изнашивание происходит по механизму пластического деформирования (микросмятия), когда продукты износа отделяются при многократном воздействии абразивных
тел на поверхности объёмы материала. При этом интенсивность значительно (в несколько раз) снижается. Наконец, при Н >На абразивное воздействие на изнашиваемый материал прекращается и его износостойкость возрастает на порядок и более.
При изнашивании микрорезанием, износостойкость двухфазного материала однозначно определяется его твёрдостью, поэтому можно записать
8' = а±*Н, (4)
где а1 -коэффциент пропорциональности.
В случае изнашивания по механизму пластического деформирования, разрушению элементарного объёма материала предшествуют фазовые и структурные изменения в этом объёме, на которые расходуются энергия трения. Наибольшую энергоёмкость имеет наклёп материала, происходящий при его пластическом деформировании, на втором месте по энергоём-кости-процессы фазовых превращений и, наконец, на третьем месте образование внутренних напряжений, связанных с фазовыми превращениями. Процесс разрушения предельно упрочнённого объёма, являющийся завершающей стадией изнашивания, не требует больших затрат энергии, на разрушение расходуется лишь около 1% суммарной энергии, поглощаемой материалом.
Определить энергию упрочнения материала можно, исходя из дислокационных представлений об этом процессе. Известно [7], что упрочнение происходит, в основном, за счёт образования и накопления дислокаций в деформационном объёме. Наличие в материале дисперсных частиц второй (твёрдой) фазы создаёт наиболее благоприятные условия для накопления дислокаций в межкарбидных участках пластичной матрицы, т.к. межфазные границы служат надёжными барьерами, задерживающими дислокации и препятствующими их релаксации или выходу на поверхность.
Энергия, поглощённая единичным объёмом материала за счёт накопления в нём дислокаций (е), может быть определена из выражения
е = (/к-Го )%*(1-п), (5)
где и - соответственно критическая и исходная плотность дислокаций в деформируемом объёме;
ёё - средняя энергия единичной дислокации.
Выражение (5) справедливо для материалов с ферритной и мартенсит-ной матрицами, в которых не происходит фазовых превращений при деформировании. При деформировании аустенитной матрицы в ней происходят фазовые превращения-аустенит превращается в мартенсит (мартенсит деформации). При этом возникают внутренние напряжения, связанные с разницей удельных объёмов аустенита и мартенсита.
В случае аустенитной матрицы, энергия поглощаемая материалом может быть подсчитана по формуле
еа = К/к - /о) * ëg+eд .w. + евн] (1 - п), (6)
где ем.п - энергия фазовых (мартенситного) превращения; ев.н- энергия внутренних напряжений.
На превращение аустенита в мартенсит деформации затрачивается от
7 8 3
2,95*10 до 5,9*10 Дж/м [8]. Для оценочных расчетов можно, по-
73
видимому, принять среднее значение, т.е. ем.п.=31*10 Дж/м . В результате мартенситного превращения в поверхностном слое изнашиваемого материала возникают напряжения сжатия, энергоёмкость которых по данным
73
[8] составляет ев.н=3,1*10 Дж/м .
Критическая плотность дислокации, предшествующая разрушению ста-
17 2
ли составляет, согласно данным [8], ^=10 м" для всех видов матриц, исходная плотность дислокаций для аустенита и феррита может быть приня-
10 2 12 2 та равной /0=10 м" , для мартенсита /0=10 м" .
Не образование единичных краевой и винтовой дислокации по данным той же работы необходимо затратить соответственно 5*10 Дж и 3,5*10-9Дж. Если принять, что в деформированном объёме создаются условия для равновероятного образования тех и других типов дислокации, то можно считать, что ёд=4,2*10-9Дж.
Таким образом, в случае изнашивания по механизму пластического деформирования износостойкость будет определяться двумя слагаемыми
Е' = Е/'+Е/, (7)
н
где Е1 - износостойкость, определяемая твердостью материала;
н
Е2 - износостойкость, связанная со способностью матрицы выдерживать многократное деформирование.
Величину первого слагаемого можно определить по аналогии с уравнением (4), величину второго-исходя из количества энергии, которую может воспринять матрицы без разрушения, т.е
Е2' = а2*е, (8)
где а2 - коэффициент пропорциональности .
Износостойкость карбидосодержащего композита при изнашивании по механизму микросмятия может быть подсчитана по формуле
Е = а2Н+а2е. (9)
Выражений (4) и (9) достаточно для оценки износостойкости материалов с двухфазными структурами, содержащих карбиды или карбонитриды в виде изолированных включений в пластичной матрице, так как они охватывают все возможные механизмы изнашивания (микрорезание и микрослияние).
На рис.2 представлены расчётные зависимости износостойкости стального композита с цементитными включениями в структуре от количества этих включений. Расчёты проведены по приведенными выше уравнениями и справочными данным.
о и о
3 ^
а р
я о
-о О
4 Ы а >3
11 к
О
70
60
50
40
30
20
10
//
ак=1 0 мкм /У/ {
/ //
/ , / /
3 / 2 / !
} микро смятие
микрорезание
1 1
0,2 0,4 0,6 0,8
Относительное содержание цементита п
1,0
Рис.2. Расчётные зависимости относительной износостойкости 8 от содержания в структуре стали цементита при различных типах матрицы: 1) -ферритная; 2) - аустенитная; 3) - мартенситная. Размер карбидных включений - 10мкм
Как видно из рис.2, переход от изнашивания по механизму микрорезания (интенсивного) к изнашиванию по механизму микрослиятия (замедленному) зависит не только от содержания карбидов, но и весьма заметно от типа матрицы. При мартенситной матрице такой переход наступает уже при 15% карбидной фазы в структуре, при аустенитной матрице- при 42% ферритной - при 50%. При большом содержании карбидной фазы в структуре металлического композита (80% и более), что может быть достигнуто цементацией легированных хромом и марганцем сталей в высокоактивном карбюризаторе, абразивное воздействия (кварцевым абразивом) на него прекращается и он получает исключительно высокую износостойкость, практически независимо от типа матрицы. Эти теоретические результаты хорошо подтверждаются экспериментально.
Список литературы
1. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание - М.: наука, 1970. - 252с.
2. Крагельский И.В. Основы расчётов на трение и износ // И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: машиностроение, 1977. - 526с.
3. Стародубов К.Ф. К вопросу о применимости правила аддитивности при определении свойств некоторых конструкционных сталей // Известия вузов. Чёрная металлургия, 1977, №1. - с.150-153
4. Марковец М.П. определение механических свойств металлов по твёрдости. - М.: металлургия, 1977. - 359с.
5.Гольдштейн М.И. Дисперсионное упрочнение конструкционных сталей // металловедение и термическая обработка металлов, 1975, №11. - с.50-58
6. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. - М.: металлургия, 1977. - 359с.
7. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. - Киев: Техника, 1976. - 292с.
8. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1965. -432с.
Chaplygin Vladislav Yuryevich, graduate student (e-mail: metro_flava@mail.ru)
Kolmykov Valery Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Kolmykov Dmitriy Valeryevich, Associate Professor Dmitry Voskoboinikov Dmitryi Victorovich, teacher Southwestern State University, Kursk, Russia
ANALYSIS OF THE EFFECT OF STRUCTURAL COMPONENTS ON THE WEAR RESISTANCE OF METAL COMPOSITES
This article presents a theoretical analysis of the influence of the solid phase and the plastic matrix in the structure of metal composites on their abrasive wear resistance. It is shown that a high content of carbides on the steel surface contributes to an increase in its abrasive wear resistance by an order of magnitude or more.
Keywords: abrasive wear resistance, carbonitriding, plastic fluidity, metal composites
