CC BY
45
УДК 539.4
О. А. КУ31Н (Нацюнальний ушверситет «Льв1вська пол1техшка»), Т. М. МЕЩЕРЯКОВА (Льв1вська фшя ДИТу), М. О. КУ31Н (Льв1вська зал1зниця)
РОЛЬ СТРУКТУРЫ В ПРОЦЕСАХ ЗНОШУВАННЯ ФЕРИТО-ПЕРЛ1ТНИХ СТАЛЕЙ
Представлено результаты дослвджень впливу структуры на мехашчш властивосп й поведшку ферито-перлгтних сталей при дп контактных навантажень. Показано, що формування ввдманштеттово! структуры мае негативный вплыв на працездатшсть сталей при статичних навантаженнях, але позитивно впливае на i'x
ЗНОСОСТШШСТЬ.
Ключовi слова: сталь, структура, мехашчш властивосп, перли; зносостшшсть, навантаження
Представлены результаты исследование влияния структуры на механические свойства и поведение фе-рито-перлитных сталей при действии контактных нагрузок. Показано, что формирование видманштеттовой структуры имеет негативное влияние на работоспособность сталей при действии статических нагрузок, но положительно влияет на их износостойкость.
Ключевые слова: сталь, структура, механические свойства, перлит, износостойкость, нагрузка
The results of study of influence of structure on mechanical properties and behavior of ferrite-perlite steels under the action of contact loads are presented. It is shown that the formation of the widmanstatten pattern has a negative impact on the performance of steels under static loads but a positive effect on their durability. Keywords: steel, structure, mechanical properties, perlite, durability, load
Вступ
Нагальш потреби розвитку зал1зничного транспорту вимагають використання деталей I вироб1в з ч1тко означеними функцюнальними властивостями поверхневих шар1в, актив1зацп дослщжень пов'язаних ¿з визначенням багато-масштабносп явищ у твердих тшах при !х пла-стичнш деформацп I руйнуванш [1]. Найбшьш ефективиими методами керуваиия потоками поверхневих дефекпв, яю виникають при зов-шшшх навантаженнях твердих тш I суттево впливають на характеристики матер1ал1в, е створення у виробах функцюнально-гращент-них структур. Вони формуються в поверхневих шарах деталей шд час !х виготовлення, вщнов-лення або експлуатацп. При цьому шдвищення довгов1чност1 деталей досягаеться шляхом зм> ни напружено-деформованого стану в зош контактно! взаемодп, що дозволяе ефективно керу-вати потоками поверхневих дефекпв, розвит-ком знемщнення I деструктивних процешв поверхневих шар1в, але вимагае детального анал1зу рол! структурних параметр1в в процесах руйнування.
Постановка задач!
Багаточисельш дослщження, присвячеш ви-вченню впливу технолопчних обробок на про-цеси зношування, пов'язують шдвищення зно-состшкосн з1 змшою параметр1в мехашчних
властивостей матер1ал1в в зош контактно! взаемодп.
При терп контакт тш вщбувасться в окремих локальних мшрооб'емах - плямах контакту, в облает! яких проходягь процеси деформац!! ! руйнування матер!алу. Зносост!йк!сть вироб!в визначаеть-ся можливютю м!кроструктури стримувати утворення ! розвиток поток!в поверхневих де-фект!в в умовах д!! контактних навантажень.
Зпдно сучасних уявлень деформ!вне тверде нло розглядаеться як багатор!внева система, в якш пластична теч!я в!дбуваеться в результат! втрати зеувно! ст!йкост! матер!алу в полях гра-д!ент!в напружень на р!зних структурних р!в-нях. В дефектн!й структур!, що виникае при деформац!!, вид!ляють наступи! !ерарх!чш рь вн! [2]:
1. Мехашчний р!вень, який в!дпов!дае пру-жнш повед!нц! матер!алу, оск!льки в систем! вщеутш структурн! зм!ни.
2. Р!вень дефект!в структури трансляц!йного типу, при якому стан системи поряд з мехашч-ним визначаеться також ! структурними параметрами, що залежать в!д густини ! поток!в дислокацш.
3. Р!вень утворення дефект!в ротацшного типу, при якому суц!льн!сть матер!алу не по-рушуеться.
4. Р!вень появи локально! пошкоджуваност! (м!кропор, мшротрщин).
© Кузш О. А., Мещерякова Т. М., Кузш М. О., 2011
5. Р1вень глобального порушення суцшьносп, за якого в систем! формуються мапстральш трь щини, а в зразках або виробах втрачають ф1зич-ний змют мехашчш параметры (о, е).
Для крихких матер1ал1в реал1зуються 1-й, 4-й та 5-й ¿ерарх1чш р1вш, а для пластичних -тд час деформацп I руйнування вщбувасться реал!защя вс1х ¿ерарх1чних р!вшв структурных змш.
Структура ферито-перл1тних сталей суттево впливае на !х поведшку в умовах дп зовшшшх навантажень. Тому актуальными залишаються дослщження особлнвостей будови конструк-цшних матер1ал1в, яю визначають кшетику !х деградацп 1 контакту довгов!чшсть внроб1в. В зв'язку ¿з цнм питания шдвищення зносостш-косп ферито-перл1тних сталей шляхом оптим1-зацп мшроструктури е актуальними, але вима-гають розробки науково обгрунтованих реко-мендацш з пошуку ознак формування м> кроструктури для отримання оптимального структурного стану поверхш тертя.
У зв'язку з цим, в робот! дослщжуються осо-бливосп структури ферито-перлггних сталей на р1зних масштабних р1внях та !х зв'язок ¿з стру-ктурно-залежними характеристиками зношу-вання конструкцшно! сталь
Матер1ал 1 методика дослщжень
Конструкцшш низьковуглецев! стал! з вмю-том вуглецю до 0.25 % широко використовують для виготовлення деталей рухомого складу за-л1зниць, яю працюють в умовах контактно! вза-емодп 1 зношування. Це, зокрема, в1зки вагошв, деталей буксових вузл1в 1 фрикцшних гасниюв коливань. Пщ час експлуатацп вщбуваеться зношування контактних поверхонь. При вщхи-ленш геометричних параметр1в поверхонь за граничш значения проводять !х вщновлення наплавленням. Щц час наплавлення можливе утворення структур перегр1ву ¿, зокрема, вщ-манштеттово!.
Така структура в1др1зняеться вщ шших структур ферито-перл1тних сталей геометрично впорядкованим розташуванням елеменпв структури у вигляд! пластин або голок усередиш складових сплаву кристал1чних зерен. II утворення пов'язане ¿з видшенням надлишкового фериту вздовж октаедричних пластин кристал1в аустешту при прискореному охолодженш сталь
Ферито-перлггш стал! складаються ¿з твердо! (перл1т) 1 м'яко! (ферит) структурних складових. Особливютю роботи таких матер1ал1в у вузлах тертя е те, що плями контакту спира-ються на тверд! складов!, а м'яка складова слу-
гуе для формування оптимально! з точки зору зношування структури поверхневого шару. Слщ в!дм!тити, що розм!р плям контакту в парах тертя «сталь-сталь» в бшьшост! випадюв е сп!врозм!рним i3 розм!рами фаз i структурних складових. В той же час, вплив морфолог!! структурних складових на процеси зношування е до к!нця не вивченим.
В робот! досл!джували доевтекто!дн! вугле-цев! стал!, х!м!чний склад яких визначений ана-л!тичним методом (ГОСТ 22536-87), що наведено в табл. 1.
Таблиця 1
XiMi4HHfl склад дослщжуваних сталей
№ зразка Вм1ст елементш, % Норматзащя В1Д температури
C Si Mn S P
1 0,25 0,05 0,41 0,045 0,04 900 °C
2 0,22 0,06 0,40 0,045 0,04 1000 °C
3 0,25 0,16 0,55 0,046 0,04 1200 °C
Заготовки п!сля гарячого об'емного штампу-вання проходили нормал!защю в!д температур 900...1000 °С (зразки № 1, № 2). Для отримання вщманштеттово! структури частину заготовок перервали до температури 1200 °С ! проводили прискорене охолодження (зразок № 3).
Проводили вим!рювання твердост! за методом Бринеля на прилад! ТШ-2М, мшротвердос-т! приладом ПМТ-3, а також випробування на розтяг на розривн!й машин! УМ-5, структуру шл!ф!в досл!джували за допомогою м!кроскопа ММР-2Р, !нтенсивн!сть зношування оцшювали за методом диск-колодка на машин! 2070 СМТ-1.
Результати дослщжень та Тх обговорення
М!кроструктура шл!ф!в теля травления представлена на рис. 1. В зразках теля нормал!зацй вщ температури 900 °С виявляеться ферито-перл!тна структура, причому дшянки фериту утворюють суц!льн! смужки по границях перл!тних колон!й (рис. 1, а). Розм!р д!лянок перл!ту, навколо яких знаходяться феритн! смужки складають 70...80 мкм. Анал!з м!кроструктур стал! методом ачних [3] показав, що стввщношення м!ж к!льк!стю фериту ! перл!ту залежить в!д режишв терм!чно! об-робки (табл. 2).
При нормал!зацп п!двищення температури нагр!ву приводить до зб!льшення к!лькост! пер-л!ту. В стал!, що назвалась до температури 1200 0С, виявляеться вщманштеттова структура (рис. 1, в). Розм!р бувших аустен!тних зерен складае 120 _ 150 мкм.
Рис. 1. Мжроструктура
а - 1, б - 2, в
Таблиця 2
Кшьккть фериту I перлпу в структур! дослщжуваних сталей
№ зразка Ферит, % Перли; %
1 63 37
2 60 40
3 46 54
Анал1з мехашчних властивостей показав, що при зменшенш кшькост! перлпу зменшуються мщшсть I твердють стал! (табл. 3). У раз! зб> льшення кшькост! перлпу мщшсть зростае при збереженш достатньо! пластичность При наяв-носп вщманштеттово! структури (рис. 2, в) зростае мщшсть, але пластичнють е низькою 1 не вщповщае вимогам стандарта на мехашчш властивосп дослщжено! стал! (ГОСТ 380-84).
Таблиця 3 Мехашчш властивост! дослщженоТ стал!
№ зразка ав, Н/мм2 5, % % НВ
1 490 27 62 142
2 400 28 66 126
3 600 14 51 150
досл1джених зразк1в: - 3 (х 124)
льну д1лянку, тобто мкротвердють майже не залежить вщ навантаження.
Вщомо, що в багатьох матер1алах можливий ефект повзучосп щд щдентором, тобто законом1рне збшьшення глибини вщповщно, д1агоналей вщби-тка з1 зб1льшенням часу статично! до. Тому при ви-м1рюваннях час статично! до вибирали таким, щоб розм1р вщбитка не змшювався.
Таблиця 4 Мгкротвердкть дослщжених зразшв
№ зразка Мжротвердгсть складових НВ, ГПа ИБпер НВфер
фериту перлпу
1 2,02 3,14 1,55
2 1,19 1,29 1,08
3 2,02 2,83 1,40
При вишрюваннях мтротвердосп для визна-чення оптимального навантаження оцшювали за-лежнють м1кротвердосп вщ величини до навантаження Р. За цими даними пщбрали робоче навантаження, коли крив! Ну (Р) виходять на горизонта-
Результати вишрювання мшротвердосп структурних складових при навантаженш 1,0 Н та витримщ 30 с надаш в табл. 4.
Як видно, сшввщношення м1ж м!кротвердютю фериту 1 перлпу залежить вщ умов терм1чно! об-робки. При пщвищенш температури нагр1ву пщ час нормал!зацп воно зменшуеться, а при утво-ренш вщманштеттово! структури - зростае.
Результати випробовувань на зношування при навантаженш 3,41 Н/мм2 представлен! на рис. 3.
Дослщження показали, що найб!льша ш-тенсивн!сть зношування е характерною для зразюв, що нагр!вались при нормал!зацп до 1000 °С, як! мають низьку тверд!сть ! високу пластичнють. Така зм!на !нтенсивност! зношування пов'язана !з впливом структури.
© Кузш О. А., Мещерякова Т. М., Кузш М. О., 2011
50(1 ■100 зм
21К1 И)|]
о №■<'
5 Ш
а
401) 300 200 100 О
"Л
д /,мм
5
в
10
Рис. 2. Крив1 розтягу зразшв (1, 2, 3 табл. 3):
а - зразок № 1, б - зразок № 2, в - зразок № 3
Рис. 3. Результата випробовування на зношування дослвджених зразшв: (1, 2, 3 табл. 3).
Анал1з результат мехашчних випробову-вань на розтяг та !х пор1вняння з1 зносостшюс-тю показали, що при зменшенш пластичносп стал1 зносостшюсть зростае (табл. 3, рис. 3). Слщ в1дм1тити, що отримаш законом1рност1 шдтверджують результати шших автор1в [4].
Зиачиу роль у процесах руйнування при зно-шуванш вщграють параметри мшроструктури стал1. Зокрема, вища знососпйюсть характерна для зразюв, в яких кшьюсть перлпу зростае до 54 %, а менша зносостшюсть для зразюв, в яких юльюсть перлпу 37 % (табл. 2). За однаково! ю-лькосп перлпу виршальне значения мае стввщ-ношення м1кротвердосп м1ж феритом \ перлпом. В зразках, що мають таке сшввщношення вище, ¿нтенсивтсть зношування е меншою.
Осюльки твердють перлпу е вищою за твердють фериту, то структуру двохфазних доевте-кто1дних сталей слщ розглядати як м'яку мат-рицю фериту, в яюй розмщеш тверд! часточки перлпу. Розм1р плям контакту в пар1 тертя «сталь-сталь» знаходиться в межах вщ 6 до 30 мкм, а вщдаль м1ж ними - 80... 120 мкм [5 - 7]. Тобто розм1р плям контакту е менший за розм1р д1лянок перлпу дослщжено! сталь
По заюнченш процесу припрацювання в по-верхневому шар1 товщиною до 10 мкм форму-еться ор1ентована фрагментована структура. Процес нормального тертя \ зношування без пошкоджень (задир1в, схоплювання) визнача-еться збереженням або утворенням стабшьно! структури в межах плям контакту, яка здатна
© Кузш О. А., Мещерякова Т. М., Кузш М. О., 2011
кваз1пружньо сприймати навантаження. Стаб1-льшсть структуры в межах плям контакту, обу-мовлена И мщшстю, а також р1вновагою шдве-дення 1 вщведенням дефектов в границ! фрагментов, розм1р яких складае для стат 0.9...1.2 мкм. Процеси зношування в даних умовах ви-пробовувань пов'язаш ¿з здатнютю перлтоних д1лянок, розм1р яких перевищуе розм1р плям контакту чинити ошр пружшм, пластичним де-формащям та руйнуванню. Це шдтверджують 1 результати дослщження мшроструктури теля вим1рювання твердосто сталей.
При натисненш на поверхню зразюв куль-кою д1аметром 5 мм ¿з зусиллям 750 кгс, бшя границ! вщбитку формуеться зона пластично! деформацп, в якш д1лянки фериту розмщують-ся паралельно границ! вщбитку. Слщ вщмтоити, що на поверхш зразюв, яю пройшли норматза-
щю при 900 та 1000 °С, утворення трщин в зо-ш пластично! деформацп навколо вщбитку кульки не виявлено.
В стат ¿з вщманштеттовою структурою в зош пластично! деформацп утворюються м1к-ротрщини, яю розмщуються як паралельно до границ! вщбитка, так 1 шд кутом до не! (рис. 4). Причому трщини в зразках утворюються на феритних стиках зерен, а !х поширення вщбу-ваеться на границях роздшу ферит-перлтоних д1лянок. Вплив структури на поведшку ферито-перлтоно! стат в умовах контактного навантаження залежить вщ сшввщношення розм1р1в областо контакту та структурних складових. Структурними одиницями, яю вщповщають за руйнування, в умовах, коли область контакту е суттево бшьшою за величину д1лянок фериту 1 перлтоу, е !х границ! роздшу.
Рис. 4. Утворення (а) та пошнрення (б) трщин у зош пластично! деформацп б1ля ввдбитку кульки у стал1 з вщманштетгвою структурою (х 124)
При терто, коли розм1р плям контакту менший вщ розм1ру д1лянок перлтоу, ¿нтенсивтсть зношування визначаеться опором деформацп 1 руйнуванню саме цих д1лянок [8, 9].
Сталь з вщманштеттовою структурою мае бшьш низьку пластичнють, але вищу зносо-стшюсть, шж сталь з неор1ентованим розм1-щенням фериту, що вказуе на суттеву р1зницю у кшетищ деградацп матер1атв, яка вщбува-еться на р1зних структурних р1внях в умовах розтягу, контактного стику 1 тертя.
Висновки
Поведшка стат з ферито-перлпною структурою при да контактних навантажень визначаеться про-цесами деформацп та деградацп, яю вщбуваються на р1зних масштабних р1внях.
В умовах сухого тертя ковзання ферито-перлтона сталь ¿з найбшьшою пластичтстю характеризуегь-
ся високою штенсивтстю зношування. В стат з вщманштеттовою структурою, яка мае низьку пластичнють, зносостойюсть е вищою. Формування вщ-манштетгово! структури в умовах технолопчних обробок при ввдновлювальних ремонтах деталей мае негативний вплив на працездаттсть за значних статичних або динашчних навантажень, але позитивно впливае на !х зносостшюсть.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Дефекти зал1зничних колю [Текст] : монограф1я / I. О. Вакуленко [та ш.]. - Д.: Вид-во Макове-цький, 2009. - 112 с.
2. Панин, В. Е. Физическая мезомеханика: достижения за два десятилетия развитие, проблемы и перспективы [Текст] / В. Е. Панин, Ю. В. Гриняев, С. Г. Псахье // Физическая мезомеханика. - 7. Спец. выпуск. - Ч. 1. - 2004. - С. 1-25 - 1-40.
3. Салтыков, С. А. Стереометрическая металлография [Текст] / С. А. Салтыков. - М.: Металлургия, 1976. - 273 с.
4. Яблокова, Н. В. Разработка метода оценки износостойкости сталей по механическим свойствам применительно к абразивному изнашиванию [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н. В. Яблокова. - М., 1984. - 21 с.
5. Рапопорт, Л. С. Влияние структурного состояния поверхностных слоев на процессы трения и изнашивания [Текст] / Л. С. Рапопорт, Л. М. Рыбакова // Трение и износ. - 1987. -Т. 8, № 6. - С. 1038-1043.
6. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ [Текст] / И. В. Крагельский, М. Н. Добы-чин, В. С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
7. Кузш, М. О. Вплив мжроструктури на стшшсть проти спрацювання нероз'емних з'еднань рейок шсля термигого зварювання [Текст] / М. О. Кузш, О. А. Кузш, Т. М. Мещерякова // Укр. акад. друкарства. Науков1 записки. Наук.-техн. зб. -2006. - № 2 (10). - С. 85-97.
8. Кузш, М. 1ттацшт модел1 структури для розра-хунку параметр1в ферито-перлггних сталей з шд-вищеною зносостшюстю [Текст] / М. Кузш // Укр. академ1я друкарства. Науков1 записки. Наук.-техн. зб. - 2007. - № 1 (11). - С. 15-22.
Надшшла до редакцл: 21.09.2010.
Прийнята до друку 30.09.2010.
