CC BY
0
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.981
doi: 10.61527/1684-7016-2023-4-37-42
Расчётные модели износа материала подложки при структурно-деформационном модифицировании системы «подложка-покрытие»
Олег Геннадиевич Крупенников1 Валерий Николаевич Кокорин2 Николай Викторович Мишов3 Олег Игоревич Морозов4
1'2'3 4Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия. 3nikolaimishov@gmail.com
Аннотация. Представлены результаты расчётных моделей коэффициента износа при изменении коэффициента износа и доли балла мелких зёрен. Представлены экспозиционные зависимости в программном продукте Excel.
Ключевые слова, расчётная модель, коэффициент износа, фактор, зерно, коэффициент трения, зависимости.
MACHINE-BUILDING
Scientific article
Computational models of wear of the substrate material during structural and deformation modification of the substrate-coating system
Oleg G. Krupennikov1 Valery N. Kokorin2 Nikolay V. Mishov3 Oleg I. Morozov4
i,2,3,4 Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia. 3 nikolaimishov@gmail.com
Abstract. The results of calculated models of the wear coefficient with a change in the wear coefficient and the percentage of the fine grain score are presented. The exposure dependencies in the Excel software product are presented.
Keywords, calculation model, wear coefficient, factor, grain, coefficient of friction, dependencies.
Эксперименты по изучению адгезии покрытия на модифицированных образцах холодного деформирования проводились с целью выявления функциональных связей между контролируемыми входными технологическими и структурными
© Крупенников О. Г., Кокорин В. Н., Мишов Н. В., Морозов О. И., 2023
параметрами и выходными откликами, определяющими характер износа покрытия. В проведённых экспериментах изучалось влияние коэффициента трения (ц) и доля мелких зёрен (%Б) в зависимости от степени деформации образцов. В качестве регистрируемого параметра (отклика) принят коэффициент износа (Ки).
Основные технологические факторы, выделенные в настоящих исследованиях, представлены в
безразмерном виде (использованы данные анализа адгезии износа, а также металлографические исследования на основе теории подобия и размерностей):
1. Показатель изменения коэффициента трения (ц) в зависимости от степени деформации образца - Хх 6 [0,07; 0,18].
В основу выбора диапазона были положены материалы по анализу коэффициентатрения [1].
2. Доля балла мелкого зерна (%БШ е [116; 146]) при деформационном упрочнении образцов в диапазоне прикладываемых деформаций от [20...46]%.
При выборе диапазона варьирования доли балла мелкого зерна учитывались данные металлографического исследования изучения морфологии зерна, а также результаты экспериментальных исследований по определению адгезионной прочности.
Таблица 1 Матрица планирования N = 2n(22)
X, =
%б[1|
(1)
где %Бд1 - доля мелких зёрен исходного зерна (не-деформированного £ = 0%), %б[" - доля мелких зёрен деформированного зерна.
При анализе данных варьирования, в частности, выбора корректного диапазона изменения технологических факторов (Х2), принято во внимание, что в соответствии с экспериментальным исследованием установлено, что максимальная адгезионная прочность наблюдается при наибольшей доле мелких зёрен, что соответствует прикладываемой относительной деформации к подложки £ = (36 ... 46)%, тогда как, при £ = (20 ... 30)% -наименьшая сцепляемость покрытия с подложкой. В соответствие с этим технологический фактор, устанавливающий морфологию зерна, находится в диапазоне Х2 6 [1,34; 1,11]:
X (20...30)% = = 47 = 111 (_)
2 %B[J| 42 ' ^ )
II.
X (36.46)% _ %Б.'
%Б
= 1,34 (+)
42 ,
(2) (3)
В соответствии с планом полнофакторного эксперимента N = 22 был проведён анализ влияния определяющих факторов Хг и Х2 на адгезионную прочность модифицированной подложки (Ки), -отклик (У).
В таблице 1 представлена матрица планирования полнофакторного эксперимента в соответствии с принятыми факторами.
№ п/п Факторы варьирования Отклик
Xi X2 Yi
1 + + 0,05
2 + - 0,15
3 - + 0,38
4 - - 0,43
В соответствии с планом эксперимента и трёхкратной воспроизводимостью каждой точки статистическая обработка полученных результатов проведена при использовании стандартной программы регрессионного и дисперсионного анализа по методу наименьших квадратов.
Получена комплексная параметрическая модель в виде полинома множественного порядка, определяющего количественные связи коэффициента износа при холодном деформационном упрочнении металла подложки [2]:
У1 = 1,15641 - 0,279817*Х1 - 0,234375*Х2. (4) Графическое отображение регрессионной модели (формула 4) представлено на рисунке 1, характеризующем интенсивность коэффициента износа в зависимости от наибольшей площади зерна и доли мелких зёрен.
0,56 0,46 0,36 0,26 0,16 0,06 -0,04
1,5 1,4 1,3
1.5 г8 21
Х1
Рис. 1. Модель коэффициента износа: Ки = /(Хх; Х2)
Таким образом, анализ расчётной модели (4) позволяет установит как качественное, так и количественное соотношение характеристик исходной и деформированной структуры при оценке коэффициента износа (Ки): а) при изменение коэффициента трения ((I ^ Ь (Ки).; ); б) доли мелких зёрен в структуре деформированного металла
(т %б|п ь (ки)).
a)
6)
в)
Рис. 2. Экспозиционные данные зависимостей: а) экспоненциальная, б) логарифмическая, в) степенная (начало)
r)
Д)
е)
Рис. 2. Экспозиционные данные зависимостей: г) линейная, д) полиноминальная зависимость 2-й степени, е) полиноминальная зависимость 3-й степени (окончание)
С целью корректного отображения экспериментальных исследований аналитических зависимостей был проведён анализ возможных моделей по критерию R2 и подбор корректных математических зависимостей. Программный продукт Excel имеет возможность аккумулировать экспозиционные данные зависимостей: экспоненциальные (рис. 2а), логарифмические (рис. 26), степенные (рис. 2в), линейные (рис. 2г) и полиноминальные зависимости 2-й (рис. 2д) и 3-й (рис. 2е) степени. Эффективность кривой оценивается по критерию R2, таким образом, чем больше значение коэффициента, тем более достоверна зависимость экспериментальных данных.
На рисунке 2 представлены результаты по выбору математической зависимости функции: Ки = Х2).
Исходя из анализа данных, представленных на рисунке 2, наиболее достоверной зависимостью экспериментальных данных является полиноминальная зависимость 3-й степени, критерий R2 имеет наибольшее значение, равное 1, что соответствует характеру структурно-деформационного упрочнения при модифицировании подложки в процессе интенсивного сдвига [3].
СПИСОК источников
1. Кокорин В. Н., Морозов О. И., Илюшкин М. В., Ширманов Н. А., Мишов Н. В., Морозов Д. И. Исследование адгезионной способности модифицированной системы «подложка-покрытие» // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. Т. 19, №11 (227). С. 503-510.
2. Крупенников О. Г. Оценка эффективности прототипирования деталей технологической оснастки методом fdm-печати // Вузовская наука в современных условиях. Сборник материалов 56-й научно-технической конференции. В 2 частях. Ульяновск, 2022. С. 58-61.
3. Кокорин В. Н., Морозов О. И., Мишов Н. В. Анализ структурно-деформационных характеристик при локализованном пластическом сдвиге ге-терофазных материалов на основе железа // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. Т. 19, №4 (220). С. 164-169.
Информация об авторах
О. Г. Крупенников - кандидат технических наук, доцент кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ;
В. Н. Кокорин - заведующий кафедрой «Материаловедение и обработка металлов давлением», доктор технических наук, профессор УлГТУ; Н. В. Мишов - ассистент кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением», аспирант УлГТУ;
О. И. Морозов - кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ.
REFERENCES
1. Kokorin V. N., Morozov О. I., Ilyushkin M.V., Shirmanov N. A., Mishov N. V., Morozov D. I. . Is-sledovanie adgezionnoj sposobnosti modificirovannoj sistemy «podlozhka-pokrytie» [Investigation of the adhesive ability of the modified substrate-coating system], Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening technologies and coatings]. 2023. Vol. 19. No. 11 (227). pp. 503-510.
2. Krupennikov O.G. Ocenka effektivnostiprototi-pirovaniya detalej tekhnologicheskoj osnastki metodom fdm-pechati [Evaluation of the effectiveness of prototyping parts of technological equipment by fdm printing], Vsbornike: Vuzovskaya nauka v sov-remennyh usloviyah. Sbornik materialov 56-j nauchno-tekhnicheskoj konferencii. V 2-h chastyah. [In the collection: University science in modern conditions. Collection of materials of the 56th scientific and technical Conference. In 2 parts]. Ulyanovsk, 2022. pp. 58-61.
3. Kokorin V.N., Morozov O.I., Mishov N.V. An-aliz strukturno-deformacionnyh harakteristik pri lo-kalizovannom plasticheskom sdvige geterofaznyh materialov na osnove zheleza [Analysis of structural and deformation characteristics in localized plastic shear of iron-based heterophase materials]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Reinforcing technologies and coatings], 2023. Vol. 19. No. 4 (220). pp. 164-169.
Information about the authors
O. G. Krupennikov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of innovative technologies in mechanical engineering UlSTU; V. N. Kokorin - head of the Department of materials science and metal pressure treatment, doctor of technical sciences, professor UlSTU; N. V. Mishov - assistant of the Department of materials science and metal pressure treatment, postgraduate student UlSTU;
О. I. Morozov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of materials science and metal pressure treatment UlSTU.
Статья поступила в редакцию 15.12.2023; одобрена после рецензирования 18.12.2023; принята к публикации 20.12.2023.
The article was submitted 15.12.2023; approved after reviewing 18.12.2023; accepted for publication 20.12.2023.
