CC BY
43
УДК 629.4.08
В. В. АРТЕМЧУК, Ю. В. МИХАЙЛЕНКО, Н. А. МУХ1НА, О. I. САБЛ1Н, Р. П. ГАНИЧ (ДПТ)
ОБГРУНТУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ ТА МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ШАРУВАТИХ МЕТАЛЕВИХ КОМПОЗИЦ1Й
У роботi проведено аналiз юнуючих способiв отримання шаруватих металевих композицш. Показано, що бiльшiсть представлених способiв направлена на виробництво промислових виробiв-заготовок. Застосування шаруватих металевих композицiй повинно бути техшчно та економiчно обгрунтовано, оск1льки !х отримання ускладнюе виробничий (ремонтний) процес. Тому серед представлених способiв були видiленi тi, що найбшьш прийнятнi для ремонтного виробництва залiзницi та наведенi механiчнi властивосп шаруватих матерiалiв.
Ключовi слова: шарувап матерiали, механiчнi властивостi, ремонтне виробництво, вщновлення деталей
Вступ. Постановка проблеми. На думку багатьох спещалюпв можливост бшьшост конструкцшних матер1ал1в на даний час вичер-паш, що вимагае пошуюв нових матер1ал1в або комбшаци вщомих для отримання нових влас-тивостей. Одним 1з напрямюв розвитку даного питання е застосування композицшних матер> ал1в. У свою чергу, шаруват металев1 матер1а-ли е р1зновидом композицшних матер1ал1в, як складаються з двох або бшьше шар1в падбра-них таким чином, щоб властивосп одержувано! композици перевершували яюсь (задаш) властивосп окремих складових И компонент. Ша-руват металев1 композици можуть волод1ти шдвищеною корозшною стшюстю, зносостш-юстю, мати тдвищений отр ударним наванта-женням, демпфуюч1 якост1, р1зну теплопровщ-шсть, високу мщшсть, в'язюсть, пластичшсть, та шше. Тобто загальною перевагою шаруватих металевих композицш е поеднання у вироб1 рь зномаштних, школи несумюних властивостей. Загальнопромисловий спектр застосування шаруватих матер1ал1в у свт вельми широкий: ко-см1чна техшка, ав1ац1я, суднобудування, х1м1ч-не виробництво, буд1вництво, вшськова техшка та шше. Як правило, шаруват вироби мають меншу вагу, вартють, але при цьому володдать бшьшими експлуатацшними можливостями у пор1внянн1 з моношаровими при тих же геоме-тричних параметрах та умовах експлуатаци. Найбшьш поширене використання шаруватих матер1ал1в - це забезпечення корозшно! стшко-ст або шдвищення питомо! мщносп всього ви-робу. Причому мщнюш властивосп шаруватого матер1алу можуть бути кращ^ шж мщшсть од-ношарового з одним компонентом, що входить у шарувату структуру цього матер1алу. Дося-гають поставлено! мети застосуванням шаруватих матер1ал1в чергуванням шар1в з високим
модулем пружност та мщшстю з шарами бшьш пластичними. 1нод1, по аналоги з шшими композицшними матер1алами, бшьш м'яю ша-ри називають матрицею [1].
В л1тератур1 юнуе багато дослщжень, пов'язаних з композицшними матер1алами, i зокрема, шаруватими [1-9]. Однак щ досл> дження носять в основному загально дослщни-цький характер або стосуються виробництва вироб1в, наприклад шаруватих лиспв-загопвок. Тому необхiднiсть проведення комплексних дослщжень для визначення можливостi застосування зазначено! технологи для потреб ремонтного виробництва залiзниць е задачею актуальною.
Мета роботи. Дана робота е частиною робгг з комплексного дослщження та обгрунтування використання багатошарових металевих компо-зитiв для ремонту рухомого складу. Також не-обхщним е проведення аналiзу способiв отримання шаруватих композитiв. Складовою час-тиною дослiджень е визначення мехашчних властивостей шаруватих матерiалiв.
Виклад основного матерiалу. Оскiльки в наукових колах е розбiжностi щодо поняття шаруватих металевих композицiйних матерiа-лiв, то коротко зупинимось на даному питанш. В науковiй лiтературi часто можна зустр^и визначення композиту, як сполуку двох або бшь-ше рiзних за хiмiчним складом рiзнорiдних ма-терiалiв з чггкою межею мiж ними. Крiм того, композит повинен мати властивосп не прита-манш кожному окремому компоненту [1]. Про-ти такого визначення заперечень у лггератур-них джерелах не знайдено, однак при цьому на територи Радянського Союзу деякi науковцi бiметалевi та плаковаш матерiали до композицшних матерiалiв не вiдносили [2], а автор [3] видшяе плакованi матерiали в особливу групу
© В. В. Артемчук, Ю. В. Михайленко, Н. А. Мухша, О. I. Саблш, Р. П. Ганич, 2012
шаруватих мет^в. Проте, на нашу думку, це питання можна вважати дещо умовним. По-перше, i бiметалевi, i плакованi матерiали можна вщнести до композицiйних матерiалiв, осю-льки обумовленi й прийнятi в свт визначення ними виконуються. По-друге, на даний час визначення шаруватост також можна розширити. Вказаш особливостi при визначеннi поняття шаруватосп бiльш притаманнi композитам на основi полiмерiв та волокнистих матерiалiв. Власне кажучи, можна припустити, що вказане визначення i було поширено на металевi шару-ватi композици вiд волокнистих. Дшсно, наяв-нiсть волокон (вушв) передбачае значне змщ-нення матерiалу (покриття), але цi волокна утримуються у пластичнiй матрицi. При такш будовi необхiдно мати розмежування мiж волокнами та основою (матрицею). Дещо подiбне можна уявити при дисперсшнш будовi матерiа-лу, що також вiдносять до композицiйного. При цьому видi композицiйного матерiалу у порiв-няно м'якiй, пластичнiй основi (матрицi) рiвно-мiрно або нерiвномiрно по товщинi розташову-ють тверд^ високомiцнi частки. При дисперсш-ному змщненш деталей також необидно розмежування мiж мiцними частками та пластичною матрицею, хоча щ частинки повинш бути щшь-но охоплеш матрицею, як i волокна.
Тепер розглянемо шший рiзновид компози-цшних матерiалiв - це покриття з шаруватою структурою. При цьому складно погодитись з тим, що шари повинш бути обов'язково вщо-кремлеш мiж собою. Розглянемо це коротко. Якщо шари отриманi шляхом послщовного на-несення рiзнорiдних матерiалiв, наприклад, при наплавленнi шару мiдi на сталеву основу; на-пиленнi дро^в або порошкiв на основу, що вщ-рiзняеться за хiмiчним складом; електролггич-ному осадженнi хрому, шкелю, мiдi та iн. на сталеву основу, то буде чггко виражена шару-вата структура. Однак, на нашу думку, слщ також вважати шаруватими покриття, яю отри-манi i з одного матерiалу, але мають рiзну структуру по товщиш. Наприклад, при наплав-ленш, напиленнi та гальванiчних методах нане-сення покриттiв шари можуть мати рiзну мш-роструктуру, а головне властивосп. Навiть ста-леву загартовану деталь вважають такою, що мае шарувату структуру, хоча матерiал деталi незмшний. Головним фактором, що спонукае до таких висновюв - це явище синергiчностi шаруватого покриття (матерiалу) з певними сшввщношеннями та властивостями шарiв, хоча при цьому виконаного з одного матерiалу. Таким чином, надалi домовимось i такi покрит-
тя називати шаруватими (побудованими «по вертикали) композитами на вщмшу вщ широко вщомих дисперсних та волокнистих.
Отримують шаруват матерiали рiзними способами. За кордоном в промислових умовах поширеш основнi чотири види одержання шаруватих виробiв: з'еднання пластин прокаткою, пресування бiметалевих профiлiв, зварювання вибухом i пайка твердим припоем [4].
В робот Астрова Е. I. [3] значно розширена кшьюсть методiв отримання багатошарово! структури у порiвняннi з закордонними авторами, в якш до вказаних вище методiв доданi ще: створення накладних покриттiв шляхом !х склеювання, припаювання але по зовнiшньому периметру або мехашчного скрiплення; елект-рохiмiчне нанесення одних металiв на iншi в процесi електролiзу; термодифузiйнi методи; створення гарячого покриття; наплавлення та металiзацiя розпиленням металу на основний метал, сплав або готовий вирiб; металокерамiч-нi методи; конденсацiйнi методи; хiмiчне покриття; лиття; зварювання, комбшоваш методи та iншi.
Перераховаш вище методи Астров Е. I. кла-сифiкуе за фiзико-хiмiчними процесами одержання нероз'емних з'еднань металiв (плакова-них) [3]:
- зчеплення (схоплювання) при взаемодп твердих металiв з розплавленими;
- зчеплення твердих металiв мiж собою при !х сумiсному пластичному деформуваннi;
- зчеплення в результат дифузiйних проце-ив спiкання.
З'еднання металевих пластин прокаткою [4] засноване на дп високого тиску вiд валкiв по-еднаного з високою температурою на^ву пакета. Попередня температура нагрiву пакета вщповщае температурi деформаци матерiалiв в плакованому пакета Для захисту внутршньо! частини вiд впливу атмосфери, перед прокаткою пакет проварюеться по периметру. Рiвно-мiрний високий тиск прокатного стану разом з високою температурою на^ву пакета дозволяе здшснити з'еднання i отримати композицiйний матерiал з мiцним металургiйним зв'язком його компоненпв. Пiсля прокатки кромки обрiзають, проводять очищення i при необхщносп термо-обробку пакету [4].
Композици з можливими поеднаннями основного та плакуючого металу рiзноманiтнi, при цьому товщина зовшшшх шарiв коливаеть-ся в межах 3.. .20 % вiд загально! товщини шаруватого матерiалу й залежить вщ областi за-стосування. Основнi параметри процесу - тиск
та температура залежать вщ властивостей вих> дних матерiалiв та необхщно! кшцево! товщини пакету [3].
Пресування бiметалiчного профiлю най-бiльш ефективний для одержання суцшьного дроту, пруткiв i плоских чотирикутних проф> лiв. Основним мехашзмом з'еднання е дифузш-не з'еднання тд тиском, в процес якого чистi металевi поверхнi тюно стикаються один з одним [4].
Зварювання вибухом або з'еднання вибухом - дозволяе швидко та вщносно економiчно з'еднувати рiзнорiднi метали. Перевагами дано-го методу е висока яюсть зварного з'еднання лиспв, висока швидкiсть, унiверсальнiсть, зда-тшсть здiйснювати з'еднання рiзнорiдних ме-талiв при неможливостi отримання iншими методами. Зварювання вибухом доцшьно застосо-вувати для плакування трубопроводiв, з'еднан-ня труб з листами, плакування поверхонь зносу деталей двигунiв та обладнання для ядерних реакторiв i хiмiчних процешв [4].
Процес з'еднання вибухом в основному включае формування високошвидюсно! ударно! хвит, що видаляе поверхневий шар кожного iз з'еднуваних металiв, а одержуваш чист поверхнi гад впливом тиску вибуху утворюють мщне металургшне з'еднання. Таким чином цей процес задовольняе основним умовам з'еднання будь-яких двох металiв: чистота поверхонь та щiльне з'еднання очищених по-верхонь. Сполуки металiв за допомогою даного методу не обмежена вщмшностями в точках плавлен-ня або пластичнiстю з'еднуваних металiв [4]. Дето-нацiю викликають на одному кiнцi рухомо! плити або листа металу; вибух змушуе рухому пластину ударяти по нерухомiй з динамчним тиском, набага-то вищим, нж меж текучостi з'еднувальних мета-лiв. Необхiдно створити умови, при яких в точцi зь ткнення швидюсть зближення металевих листiв ме-нше швидкост поширення звуку в цих двох мета-лах, тодi на нижгай поверхнi рухомо! плити утво-рюеться ударна хвиля, яка очищуе поверхнi роздь лу, п1сля чого гад дiею тиску вибуху вщбуваетъся !х з'еднання [4]. Проблема полягае в тому, що бшь-шють вибухових речовин мае швидюсть детонаци 7 000-8 000 м/с, а швидюсть звуку в з'еднувальних мат^алах складае приблизно 6 000 м/с, тому точку зпкнення розташовують гад кутом, тим самим зме-ншуючи швидкiстъ зiткнення листв [4].Пщ впливом значно! пластично! деформацi! в точщ удару вщбуваеться розпилення та розплавлення металу, що призводить до тсного контакту i з'еднанню свь жеочищених металевих поверхонь. Значна кшетич-на енергiя рухомого листа притискуе почергово
шари, забезпечуючи !х з'еднання до тих гар, поки !! вистачае на розпилення металу в точщ удару [4].
Пайка твердим припоем полягае у викорис-танш рщко! металево! фази, яка при затвердшш з'еднуе двi пластини металу мiж собою. Пакет на-^вають до температури вище за температуру плавлення припою та нижче за температуру пла-влення листiв, п1сля чого пластини пакету прити-скають. Виготовляють пригай у виглядi фольги або дроту, застосовують з флюсом або без нього
[4].
При мехашчному скрiпленнi металевих ша-рiв застосовують заклепування, болтовi iншi з'еднання. Термодифузшш методи полягають в дифузп металiв при пiдвищених температурах iз зовнiшнього середовища в поверхневi шари шшого металу або сплаву. Створення гарячого покриття виконують зануренням натвфабрика-тiв i готових виробiв в розплавлеш метали або солi. Металокерамiчнi методи заснованi на спi-канш та пресуваннi або прокатцi порошюв з рi-знорiдних металiв або порошюв на пiдкладцi з суцшьного металу. Конденсацшш методи здiй-снюють випаровуванням металiв у вакуумi та осадженням !х на поверхнi, що покриваеться або обробкою металiв в атмосферах, що мютять газоподiбнi карбошти або хлориди металiв. Хi-мiчне покриття металiв проводять в розчинах сполук, що мютять метал, який наноситься на поверхню. Лиття, як метод, здшснюють зали-ванням розплавленого металу в форму зi встав-леними в не! твердими складовими з iншого металу або заливкою в форму двох металiв, а також заливанням металу на рухомi стрiчки; отримання бiметалiв на вщцентрових установках розливання [3].
1нша класифiкацiя запропонована у роботi
[5], згщно якiй визначальними е умови прот> кання процесiв на меж1 шарiв металiв, що з'еднуються за !х станами у зонi контакту: тве-рдi шари, твердий з рщким, рiдкi. Створення сполук метатв у твердому станi передбачае вплив високого тиску.
З'еднання металiв з пластичним або без пластичного деформування покладене в основi класифшацп у робот [6]. У групу з застосуван-ням пластичного деформування входять: прокатка, пресове зварювання, пресування. У гру-пу з'еднання шарiв металiв без пластичного деформування - наплавлення, лиття, пайка, х> мiчнi методи, зварювання плавленням, нане-сення покриттiв газотермiчними методами, електрол^ичш методи нанесення покриттiв.
1снують i iншi класифiкацi!, але вони бшьше стосуються з'еднуванню шарiв металу зварю-
ванням, наприклад, зварювання тиском (холод-не зварювання), плавленням, тиском разом з плавленням.
До названих вище додамо метод тертя з перемшуванням, який на даний час активно розвивають науковщ 1нституту Електрозварю-вання iм. С. Б. Патона. Даний метод вiдрiзня-еться вщ вiдомого зварювання тертям, хоча i мае деякi спiльнi риси. Метод е перспективним, володiе широкими можливостями, хоча, як i будь-який шший, мае сво! недолiки.
На нашу думку, зазначеш вище класифшацп та методи заслуговують уваги та детального розгляду, але науковi дослiдження та практичне застосування розроблених технологiй стосу-ються виробництва шаруватих металевих виро-бiв у виглядi листiв, труб, злитюв i т.д., як конструкцiйних матерiалiв-заготiвок. Накопи-чений досвiд може бути використаний для ви-готовлення нового рухомого складу. Напри-клад, вельми перспективним буде використання шаруватих (достатньо бiметалевих) лиспв для обшивки кузовiв локомотивiв або пасажирсь-ких вагошв, де маловуглецева (вiдносно дешева) сталь (основа) буде захищена корозшнос-тшким шаром. Перспективнiсть даного напря-му очевидна i потребуе лише економiчного об-грунтування використання пе! або шшо! технологи виготовлення шаруватих виробiв. У той же час шдкреслимо, що представленi способи отримання шаруватих виробiв не можуть бути автоматично застосованi до ремонтного виробництва через економiчну й технолопчну недо-цiльнiсть або неможливють. Доцiльнiсть використання того або шшого методу визначаеться iснуючою технолопчною оснасткою на локо-мотиво- та вагоноремонтних заводах i депо. На даний час, за нашими даними, на ремонтних шдприемствах Укрзалiзницi вiдновлення деталей шаруватими покриттями доцiльно проводи-ти, застосовуючи наплавлення, газотермiчнi та електрол^ичш методи. В деяких випадках та-кож доцiльно долучати пайку, наприклад, для вщновлення контактiв електричних апарапв. Таким чином, немае необхiдностi детально аналiзувати переваги та недолiки вшх iснуючих способiв, а можна коротко зупинитись на останшх. Розглянемо можливють використання зазначених технологiй для вщновлення деталей.
Шарувате наплавлення володiе широкими можливостями, переваги та недолiки даного методу фактично спiвпадають з перерахованими вище i е вщомими. Однак особливiстю багато-шарово! структури наплавлених шарiв е те, що
найбшьш поширенi види наплавлення мають суттеве проплавлення основного металу, пере-мiшування хiмiчних елементiв в наплавлених шарах. Виршення зазначено! проблеми полягае у ретельному пiдборi наплавочних матерiалiв, присадок та флюсу. У той же час шарувате на-плавлення однозначно е перспективним способом вщновлення деталей. Тим бшьше, що цей метод вже зарекомендував себе, як позитивний, коли для покращення якосп наплавлення вико-ристовують пiдшари.
Газотермiчне напилення шаруватих покрит-тiв мають висою технологiчнi та експлуатацiйнi властивосп напилених поверхонь. Особливо значному розширенню можливостей напилених поверхонь сприяе використання порошкiв. I хоча структура газотермiчного покриття сама по собi е шаруватою, даний метод дозволяе в широких межах змшювати властивосп по товщинi покриття в залежносп вiд умов напилення та складових сумiшей напилюваного матерiалу. Однак бiльшiсть напилених покриттiв мають не-долiк - чутливiсть до розтягуючих напружень, що в деякш мiрi обмежуе можливостi вказаного методу, особливо при знакозмшних наванта-женнях. Також методи газотермiчного напилення, особливо електродугова металiзацiя та газо-полум'яне напилення мають пiдвищену порис-тiсть.
Перспективним напрямком розвитку вщновлення деталей багатошаровими покриттями е електролгтичш методи. За допомогою «керова-но!» мiкрошаруватостi при електролiтичних методах можливо формувати покриття не тшь-ки з високим рiвнем функцюнальних властиво-стей, але i стабшзувати останнi на довгий час внаслщок !х термодинамiчно! стiйкостi. Отри-мувати шарувап електролiтичнi покриття можна рiзними способами. Це може бути комбша-цiя рiзних покриттiв з рiзних електролiтiв, наприклад, залiзо-нiкель-хром, залiзо-нiкель-мiдь, залiзо-хром, залiзо-цинк та ш. Можна отриму-вати покриття однакового хiмiчного складу, але рiзне по структур^ використовуючи декiлька електролiтiв. На наш погляд, доцшьно отриму-вати шарувап електролiтичнi осади в однш га-льванiчнiй ваннi, в одному електролт, застосовуючи нестацiонарнi режими.
Iмовiрно, що не меншi позитивш ефекти бу-дуть також спостер^атись при електрооса-дженнi багатошарових бiметалевих покриттiв -композитiв. При цьому формування шарiв мо-жливе iз рiзних металiв, а також iз сплаву з рiз-ною концентращею його компонентiв в шарах. Мшро- i макрошари у таких композитах мо-
жуть виконувати як «власне» функщональне призначення, так i давати ефект при сво1й сумь снiй роботi. В першому випадку 1х функцiями е: створювати перехiднi шари, якi покращують зчеплення i зменшують вплив залишкових на-пружень; створювати теплозахиснi бар'ери; за-безпечувати високу антифрикцiйнiсть та ш. В другому випадку шаруватий композит вмiщуе в собi давно вщоме правило i дуже важливе яви-ще - сумiсна робота рiзнорiдних матерiалiв дае результат, який не може бути досягнутий при використаннi окремо взятого матерiалу.
Однiею з головних проблем при створены композицiйних матерiалiв е напруження, якi впливають на адгезда та здатнiсть матерiалу витримувати навантаження без руйнування [7]. Виникае необхщнють розглянути деяю механ-чш властивостi шаруватих металевих матерiа-лiв.
Результати дослiджень для листiв з комб> нацiями сталей Ст15 та Ст60 в рiзних послщов-ностях та кшькостях наведенi в робот [3]. При цьому у всх шаруватих поеднаннях сшввщно-шення товщини компонентiв (Ст15 та Ст60) було рiвними. Перед проведенням дослiджень мехашчних властивостей зразки пiддавали од-нш iз термiчних обробок: вiдпалу, гартуванню та вiдпуску. Механiчнi дослiдження проводили на розтяг, удар та циктчну мщнють [3].
Статичне розтягування зразюв 10x6x120 проводили зi швидкютю деформаци 20 мм/хв. Для ди-намiчного розтягування використовували маят-никовий копер з розмiрами зразка 10^10^60, при цьому зразки дослщжували тсля нормал> зацп. Дослiдження на циктчну мiцнiсть проводили по методу навантаження консольного зра-зка. Методика проведення дослiджень описана в роботi [3]. Твердють НВ однорiдних зразкiв товщиною 10 мм iз Ст15 i шаруватих iз зовыш-нiми шарами iз Ст15: пiсля вiдпалу - до 100, гостя нормалiзацil - 128, пiсля гартування та выпуску - 160. Те ж саме, але для Ст60: 180 НВ, 212 НВ, 450 НВ. Зразки для випробувань на витривалють мали твердiсть бiля 60 НЯС . Ли-стовi зразки товщиною 1 мм Ст60 мали твердють 240 НВ (нормалiзацiя), 550 НВ (гартування та вщпуск), 60 НЯС - для випробувань на витривалють. Результати дослщжень наведет у табл. 1, 2. Для зручност введемо деяю позначення комбшацп шарiв: одношаровi (мо-ношаровi) зi сталi 15 - М15; одношаровi зi сталi 60 - М60; поеднання шарiв сталей 15-60-15 будемо позначати 1, а комбшащю 60-15-60 цифрою 2. Перед позначенням комбшацп (1 або 2) будемо ставити кшькють шарiв в матер> ал^ наприклад, зразки тришаровi зi сталей 1560-15 - позначаемо - 3.1 i т. д.
Таблиця 1
Мехашчш властивостi шаруватоТ сталi товщиною 10 мм при статичному розтягуванш [3]
Стан зразюв
Вщпалеш Нормал1зоват Загартоващ
Номери зразюв Комбшащя шарш 10 м 10 м Ю (Ч О 2 10 м
та матер1ал зразка СЛ ""б о4 Ю о4 > °° Й СЛ ^ с*" ^ с ТЗ о4 Ю о4 > °° Й СЛ ч^ ^ о4 Ю о4 >
М15 Одношаров1 з1 стал1 15 37 34 64 40 25 31 62 50 22 55
М60 Одношаров1 з1 стат 60 61 19 40 75 55 17 39 140 2,5 5
3.1 Тришаров1 з1 сталей 15-60-15 50,4 22,3 42,5 56,9 42,4 19,2 41,6 96,4 2,7 5,5
5.1 П'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15 49,6 21,8 41,9 58,5 38,8 20,4 42,3 96,7 2,5 5,8
9.1 Дев'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15-60-15-60-15 28,5 22,5 43,1 57,2 41 20,9 42,5 95,8 3,0 6,1
3.2 Тришаров1 з1 сталей 60-15-60 49,2 22,0 42,0 56,6 40,6 19,8 40,9 94,5 3,1 5,4
5.2 П'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60 50,1 21,4 43,5 56,5 39,4 21,0 42,1 97,0 2,8 5,2
9.2 Дев'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60-15-60-15-60 49,7 21,9 41,8 58,1 41,8 20,6 41,5 95,3 3,2 5,0
Мехашчш властивост шаруватоТ сталi товщиною 10 мм при динамiчному розтягуванш [3]
Номери зразюв Комбшацш шарш та матер1ал зразка Стан зразкш
Вщпалеш Нормал1зоваш Загартоваш
ав 9,8106 н/м2 (кг/мм2) 5, % ав 9,8106 н/м2 (кг/мм2) 5, % ав 9,8106 н/м2 (кг/мм2) 5, % V, %
М15 Одношаров1 з1 стал1 15 35,5 32 39,5 30 52 20 57
М60 Одношаров1 з1 стал1 60 64 18 75 17 145 3,0 5,0
3.1 Тришаров1 з1 сталей 15-60-15 49,5 21,3 56,2 20,6 97,3 3,4 5,6
5.1 П'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15 50,2 20,8 58,0 18,8 99,1 4,1 5,2
9.1 Дев'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15-60-15-60-15 48,8 21,6 57,6 19,3 98,6 3,9 6,0
3.2 Тришаров1 з1 сталей 60-15-60 51,3 21,3 55,8 21,2 99,5 3,5 5,8
5.2 П'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60 48,7 20,9 59,1 19,6 100,2 3,0 5,2
9.2 Дев'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60-15-60-15-60 51,5 21,0 57,4 20,4 97,9 3,3 5,0
Як витiкаe з таблиць 1, 2 мехашчш власти-вост шаруватих зразкiв - тимчасовий ошр, вщ-носне подовження та звуження при розтягненш займають промiжнi значення мiж показниками однорiдних матерiалiв, а також значення вказа-
них показниюв близькi мiж собою при статичному та динамiчному навантаженнях.
Для практичних задач важливими е резуль-тати випробувань шаруватих матерiалiв на удар (табл. 3).
Таблиця 3
Ударна в'язккть ан зразкчв (надрiз 1 мм) шаруватоТ сталi товщиною 10 мм, 9,8 • 104 дж/м2 (кгс/см2) [3]
Номери зразшв Комбшащя шар1в та ма-тер1ал зразка М1сце надр1зу зразка Стан зразшв
Вщпалеш Нормал1зоваш Загартоваш
М15 Одношаров1 з1 стал1 15 Як у стандартного зразка Менаже Не зруйноваш, кут загибу 90° Не зруйноваш, кут загибу 80-85° Не зруйноваш, кут загибу 60°
М60 Одношаров1 з1 стал1 60 Те ж 8,5 7,0 1,2
3.1 Тришаров1 з1 сталей 15-60-15 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в Не зруйноваш, кут загибу 45-50° 10,2 Не зруйноваш, кут загибу 45-50° 10,0 12,5 3,5
5.1 П'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в Не зруйноваш, кут загибу 45-50° 10,1 Не зруйноваш, кут загибу 45-50° 9,5 11,0 3,0
9.1 Дев'ятишаров1 з1 сталей 15-60-15-60-15-60-1560-15 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в 18,5 9,5 16,9 9,3 7,5 4,0
3.2 Тришаров1 з1 сталей 60-15-60 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в 10,5 9,8 9,2 9,1 2,5 3,2
5.2 П'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в 11,2 9,5 9.8 8.9 3,3 3,5
9.2 Дев'ятишаров1 з1 сталей 60-15-60-15-60-15-6015-60 Поверхня зовш-шнього шару Торци шар1в 12,5 10,2 11,3 9,0 4,5 3,8
Згiдно результат табл. 3 найбiльшу ударну в'язюсть мають зразки з бiльш «м'якими» та товстими зовнiшнiми шарами (зразки 3.1 i 5.1, де зовшшш шари виконанi зi Ст15 товщиною 2,5 та 1,7 мм вщповщно). При цьому вказанi
зразки, як пройшли термiчну обробку - вщпал або нормалiзацiю, не руйнувались подiбно од-ношаровим зi Ст15. Також видно (табл. 3), що ударна в'язюсть зразкiв 9.1 нижче, шж 3.1 i 5.1,
але вище за М60. Зниження ан зразкв М60 Астров Е.1. пояснюе знаходженням дна нaдрiзу на меж з бшьш твердим (крихким) шаром Ст60. Ударна в'язкiсть зразюв 3.2-9.2 нижче нiж у розглянутих вище, але вище нiж у однорщних одношарових М60. Очевидно, що бiльшi зна-чення ан зразюв 3.2-9.2 у порiвняннi з одно-шаровими М60 пов'язaнi з наявнютю бiльш в'язких шaрiв (Ст15). Цкавим фактом е те, що при торцевому удaрi (нaдрiз знаходиться також на торщ) кiлькiсть та розташування шaрiв на ударну в'язкiсть не впливае.
Не менш важливим е визначення мщност втоми (табл. 4, 5).
Як бачимо (табл. 4, 5), шаруват зразки з по-верхневими шарами зi Ст15 витримують у 2-14 рaзiв бiльше циклiв до повного руйнування у порiвняннi з моношаровими з Ст15. Також видно, що витривалють шаруватих зразкв бшьше, нiж одношарових iз Ст60. Дещо неочiкувaним став результат, де зразки 9.2 мали витривалють навт нижче шж 3.2, хоча максимальне зна-чення ст_1 мають зразки 5.2. Можливо, це пов'язано з властивостями самих шaрiв компо-зицiï та спiввiдношенням ix товщин, при якому
вiдбуваeться перерозподiл напружень. Фридманом Я. Б. встановлено, що викривлення на-пруженого стану бшя меж роздiлу шарiв шд-вищуе межу плинностi та схильнють до крих-кого руйнування менш мщного шару [8]. У той же час випробування на продавлювання за методом Ерiксена показали, що i3 збiльшенням кiлькостi шарiв значення глибини продавлювання також збшьшуються, майже незалежно вiд порядку чергування шарiв. Даний факт пов'язують з усередненням пластичних власти-востей при тонких шарах за рахунок дифузи вуглецю на межах роздшу шарiв [3]. Аналогiчнi випробування на витривалють зразюв товщиною 1 мм показали дещо шшу картину: зразки з поверхневими шарами зi Ст60 (тришаровi з товщиною зовшшшх шарiв 0,25 мм та п'ятишаровi з товщиною 0,17 мм) мали у два рази бшьшу межу витривалосп 588 • 106 Н/м2 (60 кг/мм2), нгж у одношарових iз Ст15 294 -106 Н/м2 (30 кг/мм2) та майже у два рази тж одношаровi зi Ст60 345 • 106 Н/м2 (35 кг/мм2) [3]. Тобто шаруват зразки за опором втоми перевищують однорiднi (моношаров^ 1х складових, що е важливим та пе-рспективним для використання.
Таблиця 4
Витривалiсть зразкчв шарувато'1 сталi товщиною 10 мм [3]
Позначення зразк1в Верхня межа навантаження ав , 9,8-106 н/м2 (кг/мм2) Кшьк1сть циклш до руйнування Характер руйнування
46,4 279000 У затиску
М60 35.7 33.8 663600 1610000 » » 20 мм ввд переходу
28,6 5-106 Без руйнування
53,8 8000 40 мм ввд переходу
3.2 37,8 33,7 140100 5-106 Посередит Без руйнування
36,4 5-106 » »
50,9 365200 Б1ля переходу
39,1 5-106 Без руйнування
5.2 42,0 5-106 » »
45,7 5-106 » »
48,6 5-106 » »
65,3 8000 Б1ля переходу
48,9 9200 » »
9.2 38,2 1929000 » »
28,6 5-106 Без руйнування
33,7 5-106 » »
Витривалкть листових зразшв шаруватоТ сталi товщиною 1 мм шсля гартування в мастилi
та вщпустки при температурi 473 К [3]
Позначення зразшв Комбшац1я шар1в та матер1ал зразка Верхня межа нава- нтаження св, 9,8-106 н/м2 (кг/мм2) Юльшсть циктв до руйнування Характер руйнування
М15 Одношаров1 з1 стал1 15 30 226 200 У м1сщ затиску зразка
М60 М60 Одношаров1 з1 стал1 60 Одношаров1 з1 стал1 60 35 60 10' 73 500 Без руйнування У м1сщ затиску зразка
3.1 Тришаров1 1з зовшшшми шарами з1 стал 15 товщиною 0,25 мм 30 517 500 То же
5.1 П'ятишаров1 1з зовшшшми шарами з1 стал 15 товщиною 0,17 мм 30 1 118 300 » »
9.1 Дев'ятишаров1 зразки 1з зовшшшми шарами з1 стал1 15 товщиною 0,1 мм 30 3 326 100 » »
3.2 3.2 Тришаров1 1з зовшшшми шарами з1 стал 60 товщиною 0,25 мм 55 60 107 107 Без руйнування » »
5.2 5.2 П'ятишаров1 1з зовшшшми шарами з1 стал 60 товщиною 0,17 мм 55 60 107 107 » » » »
9.2 9.2 9.2 Дев'ятишаров1 1з зовшшш-ми шарами з1 стал 60 товщиною 0,1 мм 45 55 60 107 1 516 000 735 000 » » » » У мющ затиску зразк1в
При ударних навантаженнях загартованi шаруват зразки без надрiзу товщиною 1 мм мали ударну в'язкiсть краще, нiж анало-гiчнi з моношарово! Ст60, тришаровi 3.1 не ламались, як i М15, а вiдпаленi та нормалiзованi не ламались взагаль Таким чином, застосування шару-ватих матерiалiв при ударних навантаженнях також е доцiльним.
Аналогiчно до наведених вище були прове-денi дослщження шаруватих покриттiв, у тому чи^ наплавлених. Для цього було проведено наплавлення восьми шарiв на довгий торець пластини зi сталi Ст3 розмiрами 16^150^400 мм (рис. 1). Режим наплавлення дротом дiаметром 2,6 мм тд флюсом АН-26: струм - 350...400 А, напруга 30...32 В, швидюсть наплавлення -37 м/год.
Рис. 1. Схема вир1зки зразшв для дослщження властивостей наплавленого металу: 1 - зразки для дослщження структури 1 для вим1р1в твердостц 2 - зразки для дослщження зносостшкостц 3 - зразки М1-12 для випробувань на розтяг, витривал1сть та ударну в'язк1сть
Були проведеш дослiдження механiчних властивостей металу, наплавленого порошко-вим дротом ПП-Нп-Г 13Х13Н2МФ, дротом Св-08Г2С, 14ГСТ та !х комбшацп. В данiй роботi наведена частина отриманих результат. Ме-ханiчнi властивосп наплавленого металу досл> джували при температурi 20 °С при випробу-ваннi на розтяг зразкiв типу М1-12 (= 6 мм)
по ГОСТ 6996-66. В результат проведених до-слiджень були отримаш наступнi результати: ст = 433 МПа; св = 667 МПа; вiдносне подов-ження - 18,5 %; вщносне звуження -23 %. Для порiвняння, мехашчш властивостi яюсно! катано! вуглецево! стат 20 за Г0СТ-1052: ст = 250 МПа; св = 410 МПа;
вщносне подовження - 25 %; вщносне звужен-ня - 55 %. Таким чином, наплавлений метал по мщнюним властивостями перевершуе сталь 20 i дещо поступаеться !й за пластичними властивостями. Найбiльш випдним з точки зору пд-вищення витривалостi виявилося поеднання наплавлення Св-08Г2С (першi шари) з дротом ПП-Нп-Г13Х13Н2МФ (робочi шари).
Для оцiнки циктчно! довговiчностi зразкiв, наплавлених без i з пластичним пiдшаром, мо-жна використати рiвняння Гудмена, яке за да-ними [10] задовiльно описуе граничний стан пластичних матерiалiв при асиметричному ци-клiчному навантаженнi.
Рiвняння Гудмена для межi витривалостi тк при асиметричному циклi для дотичних напру-жень мае вигляд:
(
\
1 --
(1)
т-1 - межа витривалостi для симетричного циклу;
тв - межа мiцностi (тимчасовий отр).
Якщо прийняти значення т-1 i тв для дано-го матерiалу постiйними величинами, то збшь-шити межу витривалостi тк можна за рахунок зменшення залишкових дотичних напружень, т, наприклад, за рахунок наплавлення шдшару.
З урахуванням (1) запас втомно! мiцностi по амнттудному напруженню визначаемо за формулою [11]:
п = — = ■
т-1(1 -т, / тв)
(2)
де т, - середне значення залишкового дотично-го напруження;
де та i т, - розрахунковi амплiтудне та середне значення залишкового дотичного напруження для зразка.
Граничному стану вщповщае значення п = 1, тобто, чим ближче до 1 значення п, тим нижче запас втомно! довговiчностi. Вихiднi данi для розрахунюв втомно! довговiчностi та !х ре-зультати наведенi в табл. 6 i 7.
Таблиця 6
Запас втомноТ довговiчностi (п) при наплавленш з шдшаром
Матер1ал 0, 0С св, МПа тв, МПа т-1, МПа та, МПа т,, МПа п
Зносост1йкий шар 400 1250 722 361 125 329 0,637
Пдшар 110 313 181 90 17 60 0,28
Основний метал 86 424 245 122 8 69 0,09
Таблиця 7
Запас втомноТ довговiчностi (п) при наплавленш без шдшару
Матер1ал 0, °с св, МПа тв, МПа т-1, МПа та, МПа т,, МПа п
Зносостшкий шар 440 1240 694 347 121 432 0,92
Основний метал 120 422 246 121 20 100 0,27
Порiвняння даних, представлених в останнiх колонках табл. 6 i 7, показуе, що наплавлення пластичного пдшару пiдвищуе запас втомно! довговiчностi в зовнiшньому зносостiйким шарi ~ на 35 % i ~ в 3 рази - в основному матерiалi.
Висновки. Використання шаруватих мате-рiалiв вiдкривае широк можливостi, зокрема, поеднуючи в шаруватому матерiалi рiзнi за пластичнiстю та мщтстю шари можна пдви-щувати механiчнi властивостi: межу плинностi, тимчасовий опр, ударну в'язкiсть, межу витри-валостi та iн. Причому найбшьш значущим е властивостi та товщина верхнього шару, у ме-ншому ступенi кiлькiсть шарiв наплавлення.
Нанесення шаруватих вiдновлювальних по-криттiв е також перспективним та доцшьним напрямком розвитку вiдновлювальних техноло-
гiй при ремонт зношених деталей рухомого складу. Встановлено, що використання шарува-того наплавлення дозволяе частково компенсу-вати дда термiчного впливу та зменшити внут-рiшнi напруження, тим самим збшьшивши вто-мну мiцнiсть у порiвнянш з моношаровим на-плавленням. Таке можливе при певному шдборi матерiалiв наплавлення. Також встановлено, що при певних комбiнацiях наплавлених шарiв збiльшуеться ударна в'язкiсть у порiвнянш з моношаровим наплавленням. Однак слщ зазна-чити, що найбiльш впливае на вказат механiч-нi властивосп - основа деталi та поверхневий шар покриття.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Коллективная монография по композиционным материалам [Текст] / Л. Браутман, Р. Крок / Tsai S. Air Force Rep. 1966. A FML-TR-66-149 -661 с.
2. Портной, К. И. Классификация композиционных материалов [Текст] / К. И. Портной, А. А. Заболоцкий и др. // Порошковая металлургия, 1977. - № 12.
3. Астров, Е. И. Плакированные многослойные металлы [Текст] / Е. И. Астров. - М. : Металлургия, 1965. - 239 с.
4. Коллективная монография по композиционным материалам [Текст] / Л. Браутман, Р. Крок. 661 с.
5. Райт, Е. С. Слоистые металлические композиционные материалы [Текст] / Е. С. Райт, А. П. Левит // Композиционные материалы с металлической матрицей. - М. : Машиностроение, 1978. - № 4. - С. 48-105.
6. Лашко, Н. Ф. Металловедение сварки [Текст] / Н. Ф. Лашко, С. В. Лашко-Авакян. - М. : Маш-гиз, 1954. - 272 с.
7. Король, В. К. Основы технологии производства многослойных металлов [Текст] / В. К. Король, М. С. Гильденгорн. - М. : Металлургия, 1970. -237 с.
8. Победря, Б. Е. Механика композиционных материалов [Текст] / Б. Е. Победря. - М. : Изд-во МГУ, 1984. - 336 с.
9. Фридман, Я. Б. Вопросы прочности материалов и конструкций [Текст] / Я. Б. Фридман, Е. М. Морозов. - М. : Изд-во АН СССР, 1959. -№ 1. - 144 с.
10. Артемчук, В. В. Реолопчш властивосп багато-шарових матер1ал1в [Текст] / В. В. Артемчук. // Вюник ДПТу. - Д., 2011. - Вип. 37. - С. 20-25.
11. Махненко, В. И. Ресурс безопасности эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций [Текст] / В. И. Махненко. - К. : Наук. думка, 2006. - 618 с.
12. Сенченков, И. К. Расчет остаточных и циклических напряжений при многослойной наплавке и оценка их влияния на усталостную прочность и термическую стойкость наплавленного металла [Текст] / И. К. Сенченков, И. А. Рябцев, О. П. Червинко, И. А. Кондратьев // Проблеми ресурсу 1 безпеки експлуатацп конструкцш, споруд та машин». Зб. ст. - К. : 1ЕЗ 1м. С. О. Па-тона, 2009. - С. 595-601.
Надшшла до редколегп 30.03.2012.
Прийнята до друку 09.04.2012.
В. В. АРТЕМЧУК, Ю. В. МИХАЙЛЕНКО, Н. А. МУХИНА, О. И. САБЛИН, Р. П. ГАНИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ
В работе проведен анализ существующих способов получения слоистых металлических композиций. Показано, что большинство представленных способов направлено на производство промышленных изделий-заготовок. Применение слоистых металлических композиций должно быть технически и экономически обосновано, поскольку их получение усложняет производственный (ремонтный) процесс. Поэтому среди представленных способов были выделены те, которые наиболее приемлемы для ремонтного производства железной дороги, а также приведены механические свойства слоистых материалов.
Ключевые слова: слоистые материалы, механические свойства, ремонтное производство, восстановление деталей
V. ARTEMCHUK, Y. MIKHAYLENKO, N. MUKHINA, O. SABLIN, R. GANICH
RATIONALE FOR USE AND THE MECHANICAL PROPERTIES OF LAYERED METAL TRACKS
In this paper we analyze existing methods for producing layered metal compositions. It is shown that the majority of the methods presented focus on the production of industrial products, billets. The use of layered metal compositions must be technically and economically justified, since they receive complicates the manufacturing (repair) process. Therefore, among the presented methods were identified, those which are most suitable for the production of railway maintenance, and shows the mechanical properties of layered materials. Keywords: layered materials, mechanical properties, the production of repair, restoration parts
