CC BY
39
УДК 621.921:620.17
С.А. Крюков, А.В. Славин, Н.В. Байдакова
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ АБРАЗИВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Определена зависимость механической прочности композиционного материала от объемного содержания дисперсного наполнителя в виде абразивного зерна в матрице. Проведены исследования механической прочности на разрыв образцов абразивного инструмента 24А2К5. Получена эмпирическая зависимость прочности абразивных
композиционных материалов.
Абразив, композит, прочность, инструмент, эмпирическая
зависимость, дисперсный наполнитель.
S.A. Kryukov, A.V. Slavin, N.V. Baidakova
PLANNING AND DEFINITION OF MECHANICAL STRENGTH OF ABRASIVE COMPOSITION MATERIALS
Dependence of composition materials’ mechanical strength from the volume content of dispersive filler in the form of abrasive grain in the matrix is defined in the article. Research of mechanical strength for break of samples of an abrasive tool 24А2К5 is carried out. The empiric dependence of abrasive composition materials’ strength is obtained here.
Abrasive, composite, strength, instrument, empiric dependence, dispersed
filler.
Механическая прочность любого композиционного материала во многом определяется его структурными характеристиками и особенностями. Однако до сих пор остаются малоизученными вопросы зависимости прочности от объемного содержания материала и наполнителя, величины и вида пористости, размера частиц или зерен наполнителя, адгезионных свойств матрицы к наполнителю и типа самой матрицы. Решение этой проблемы тормозится и тем обстоятельством, что пока точно не известны механизмы разрушения многокомпонентных абразивов.
Абразивные композиционные материалы могут представлять собой керамическую или органическую матрицу (связку) с дисперсным наполнителем, в качестве которого выступают абразивные зерна определенного гранулометрического состава и заданной концентрации. Основной особенностью такого композиционного материала является характерная зависимость его механической прочности от объемного содержания дисперсного наполнителя в виде абразивного зерна в матрице. Эта особенность заключается в том, что матрица такого материала без наполнителя имеет наибольшую прочность, а с увеличением объемного содержания наполнителя, пористости и размера зерна и пор, прочность снижается.
Для выяснения степени влияния отмеченных выше факторов на прочность абразивного композита были проанализированы результаты ряда испытаний [1-4]. В
качестве объекта испытаний во всех случаях использовались композиционные материалы, имеющие керамическую матрицу с корундовыми частицами наполнителя. Размеры абразивных частиц изменялись от 50 до 1300 мкм. Пористость исследуемых материалов была в пределах 15-50%.
В результате обработки экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость прочности абразивных композиционных материалов, описываемая следующим экспоненциальным выражением:
а = а0ехр -\к¥^ + тП(1 + п^„)] , (1)
где а0 - предел прочности матрицы при нулевой пористости и без частиц наполнителя; к, т, п - коэффициенты; У3 - объемное содержание частиц наполнителя; П - объемная доля пор в матрице; йп - размер пор.
На основании регрессионного анализа экспериментальных данных было составлено уравнение, отображающее степенную связь между величиной пористости абразивного инструмента и его структурными характеристиками:
П = 48,96 -(с + Г05
1 1 0,152 7^0,091 ’ V '
2 - Т
где с - номер структуры абразивного инструмента; 2 - зернистость инструмента;
Т = 1,54(д-1) - твердость материала инструмента; N - номер шифра твердости.
Шифр твердости абразивного материала в инструменте представлен в таблице.
Шифр твердости абразивного материала в инструменте
Твердость ВМ1 ВМ2 М1 М2 М3 СМ1 СМ2 С1 С2
Шифр 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Твердость СТ1 СТ2 СТ3 Т1 Т2 ВТ1 ВТ2 ЧТ1 ЧТ2
Шифр 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Следует отметить, что твердость абразивного материала в основном определяется соотношением между количеством матрицы (связки) и количеством частиц наполнителя, а также степенью спрессовывания материала при одинаковом обжиге. Для абразивных изделий большое значение имеет и их структура, определяемая процентным содержанием в единице объема материала частиц наполнителя, связки и пор.
Размер пор йп зависит от пористости материала П и размера частиц наполнителя ёз. Статистическим обобщением разработана модель связи для определения размера пор
йп = 20,32 - ^’03 -П3,72. (3)
Анализ выражений (1)-(3) показывает, что с увеличением объемного содержания частиц, пористости и размера пор прочность материала уменьшается, особенно сильно эта зависимость проявляется от Уз и П.
По результатам исследований механической прочности на разрыв образцов абразивного материала инструмента маркировки 24А25К5 разной структуры и твердости были определены значения а0 = 97,2 МПа и коэффициентов к = 1,98; т = 1,52; п = 1,49. Отклонения расчетных величин прочности, вычисляемых по зависимости (1), от экспериментальных результатов находятся в пределах 5-12% при 95%-й достоверности.
Полученную эмпирическую зависимость (1) можно использовать при прогнозировании и расчетах прочностных характеристик не только абразивных материалов, но и таких композиционных материалов, как керамические изделия, огнеупоры и т. п.
ЛИТЕРАТУРА
1. Багайсков Ю.С. Повышение эксплуатационных показателей изделий из абразивных композиционных материалов: монография / Ю.С. Багайсков, В.М. Шумячер. Волгоград: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2005. 200 с.
2. Керамика из высокоогнеупорных окислов / под ред. Д.Н. Полубояринова и Р.Я. Пожильского. М.: Металлургия, 1977. 304 с.
3. Воронов С.Г. Совершенствование керамических связок / С.Г. Воронов, Г.П. Кудрявцева // Абразивы: науч.-техн. реф. сб. М.: НИИМАШ, 1972. № 8. С. 7-9.
4. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров / К.К. Стрелов. М.: Металлургия, 1972. 215 с.
Крюков Сергей Анатольевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения и стандартизация» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Славин Андрей Вячеславович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Байдакова Наталья Васильевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Моделирование, автоматизация и информатика» Волжского института строительства и технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Kryukov Sergey Anatolievich -
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of «Technology of Mechanical Engineering and Standardization» of Volzhskiy Institute of Civil Engineering and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering
Slavin Andrey Vyacheslavovich -
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of «Technology of Mechanical Engineering and Standardization» of Volzhskiy Institute of Civil Engineering and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering
Baidakova Nataliya Vasilievna -
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of «Modeling, Automated Control and Informatics» of Volzhskiy Institute of Civil Engineering and Technologies (branch) of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering
Статья поступила в редакцию 27.11.09, принята к опубликованию 30.06.10
