Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Бись С.С., магістр Щепановська С.А.

Хмельницький національний університет, Україна

Вплив структурного стану на характеристики матеріалу

Тертя та зношування матеріалів складається із сукупності механічних, фізичних та фізико-хімічних явищ, що відбуваються у зоні контакту поверхонь тертя. Основі фактори, які впливають на тертя та зношування умовно можна поділити на три групи [1, 3, 4]: технологічні (структура; хімічні, фізичні та механічні властивості); конструктивні (схема контакту, макро- та мікро геометрія поверхонь тертя, конструкція робочих поверхонь и т.п.); експлуатаційні (питома робота тертя, відносна швидкість ковзання, середовище, температура). В процесі тертя під впливом цих факторів формуються поверхневі шари твердих тіл, які обумовлюють механізм тертя та зношування і відрізняються специфічним структурним станом.

Металоємність та надійність пар тертя деталей машин визначаються характеристиками конструктивної міцності та зносостійкості. Встановлення залежностей між цими показниками, а також вплив на них структурних механізмів зміцнення, на нашу думку, є важливою задачею, розв’язок якої дозволить прогнозувати трибологічні характеристики пар тертя і дасть змогу уникнути тривалих випробовувань.

До показників конструктивної міцності можна віднести: механічні характеристики, показники тріщиностійкості, мікропластичності та поверхневої міцності матеріалів. Авторами були проведені відповідні дослідження трибологічних, механічних, мікропластичних характеристик, в’язкості руйнування та поверхневої міцності матеріалів результати яких були систематизовані та проаналізовані. Також було досліджено вплив на них структурних механізмів зміцнення, тому що всі ці показники є структурно чутливими. Крім того, при проведенні аналізу враховувались результати отримані при макро- та мікроструктурному дослідженні поверхонь тертя.

Показники мікропластичності характеризують здатність матеріалу чинити опір малим деформаціям. При навантаженні тертям в зоні контакту, на мікро рівні, відбувається деформація поверхневих шарів, величина якої визначається структурним станом висхідного матеріалу і буде впливати на тертя та зношування матеріалу. Проведений аналіз показників мікропластичності та зносостійкості матеріалів підтвердили їх взаємозв’язок (рис. 1). Збільшення опору матеріалу мікродеформаціям (збільшення s₃ та А₂) спричиняє зменшення інтенсивності його зношування (I) і максимум s₃ та А₂ відповідає мінімуму (структура відпуску 300°С). Зменшення опору матеріалу мікродеформаціям (збільшення мікропластичності) супроводжується зменшенням його зносостійкості.

Рис.1. Залежність показників конструктивної міцності та зносостійкості від структурного стану матеріалу на прикладі сталі 50ХФА.

Визначені показники поверхневої міцності s_ТК матеріалу для різного структурного стану показали їх високу структурну чутливість та кореляцію з величиною інтенсивності зношування матеріалу. Матеріал із структурою мартенситу відпуску має найбільше значення величини s_ТК і відповідно найменшу І. Зміна структурного стану призводить до зменшення міцності поверхні і супроводжується збільшенням інтенсивності зношування матеріалу.

Порівнявши між собою криві зміни показників мікропластичності (s₃, А₂), стану поверхні матеріалу (s_ТК) та умовної межі текучості s_0,2 можна помітити їх кореляційний зв’язок.

На графіку (рис. 1), в залежності від структурного стану матеріалу, можна виділити дві основні зони, які характеризуються переважним механізмом відбування релаксації дотичних пікових напружень, що виникають в зоні контакту під час тертя. Одна з них (1) характеризується тим, що релаксація відбувається переважно крихким руйнуванням. Це характерно для суттєво зміцненого матеріалу з відносно незначним запасом пластичності (при значному зміцненні сплаву дефекти субмікроструктури заблоковані, пластична деформація мінімальна і релаксація відбувається за рахунок утворення нових поверхонь – росту тріщин). Друга (2) – характерна тим, що релаксація проходить переважно шляхом пластичної деформації, вона властива для матеріалів з малою межею міцності та великою в’язкістю руйнування.

Наприклад, для сталі 50ХФА із структурою відпуску 300-400°С релаксація напружень відбувається переважно шляхом крихкого руйнування. Із збільшенням температури відпуску більше 400°С відбувається зміна механізму релаксації напружень. Крім того помітний симбатний характер залежності в’язкості руйнування (K_Ic) та інтенсивності зношування (I), а також умовної межі текучості s_0,2, показників мікроплістичності (s₃, А₂) та поверхневої міцності (s_ТК), які вказують на кореляційний зв’язок цих характеристик.

Тобто можна зробити висновок, що більш зносостійким буде матеріал з більшими значеннями критеріїв в’язкості руйнування (K_Ic) та умовної границі текучості (s_0,2), і на нашу думку частка впливу величини (K_Ic) переважна. Крім того, такий матеріал повинен мати більші значення величин поверхневої міцності (s_ТК) та показників мікро пластичності (s₃, А₂).

Література:

1. Тушинский Л.И., Потеряев Ю.П. Проблемы материаловедения в трибологии. - Новосибирск: НЭТИ, 1991. - 64 с.

2. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. - 306 с.

3. Рыбакова Л.М., Куксёнова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

4. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.