18_Oleksandrenko.doc Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 117 Олександренко В.П., Кирилков В.А., Паршенко К.А., Мисліборський В.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: parshenko@ukr.net ВПЛИВ ЗДАТНОСТІ СТАЛІ Х12 ДО РЕЛАКСАЦІЇ МІКРОНАПРУЖЕНЬ НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ТА ДОВГОВІЧНІСТЬ В УМОВАХ ТЕРТЯ КОЧЕННЯ УДК 621.793.6 Наведені результати дослідження впливу кількості насиченого та ненасиченого азотом залишкового аусте- ніту на здатність матеріалу до релаксації мікронапружень. Доведено, що максимальна довговічність та зносостій- кість зразків із сталі Х12 відповідає максимальній зміні реологічних властивостей матеріалу, тобто вичерпанню вну- трішнього резерву. Оптимальне значення початкової кількості залишкового аустеніту для отримання максимальних показників реологічних характеристик матеріалу та контактної витривалості при зношуванні від дії циклічних нава- нтажень до появи викришування на доріжці кочення для структур ненасиченого та насиченого азотом залишкового аустеніту складає 30 об’ємних відсотків. Ключові слова: аустеніт, реологічні властивості, тертя кочення, зносостійкість. Вступ Підвищення надійності, довговічності та конкурентоздатності машин і обладнання є одним з важли- віших завдань машинобудування. Статистика свідчить, що близько 80 % несправностей у роботі машин від- буваються в результаті зносу і руйнування поверхні тертя деталей машин. У сучасному машинобудуванні збільшення питомих навантажень і швидкостей руху ускладнюють умови експлуатації деталей і вузлів машин, що призводить до підвищення інтенсивності зносу контактуючих поверхонь. У зв'язку з цим проблеми вивчення процесів зношування і пошук шляхів підвищення зносостійко- сті та довговічності деталей машин мають велике практичне значення. Широке застосування в машинобудуванні мають пари тертя кочення. Їх зносостійкість і довговіч- ність у багатьох випадках визначає працездатність і довговічність машин та обладнання в цілому. Є різні спо- соби підвищення довговічності пар тертя кочення: конструктивні, технологічні, експлуатаційні. В літературі є значна кількість досліджень, присвячених цим питанням. Проте проблема підвищення зносостійкості та дов- говічності пар тертя кочення, що виготовлені зі сталі Х12 з різним вмістом залишкового аустеніту залежно від здатності до релаксації мікронапружень, не вирішена і є актуальною. Вивченням питання впливу метастабільних структур, зокрема залишкового аустеніту, на контактну витривалість та здатність до релаксації мікронапружень займалося багато вчених, серед них: М.Н. Бриков, Я.М. Гладкий, В.В. Запорожець, В.М. Зінченко, Л.С. Малінов, В.В. Шевеля та інші. Деякі з них вважають, що в поверхневому шарі деталей, які працюють при змінних навантаженнях, навіть незначна кількість залишко- вого аустеніту є недопустимою. Інші, навпаки, стверджують, що при дії тертя ковзання зносостійкість сталі є дуже високою навіть при вмісті залишкового аустеніту 90 %. Ряд авторів вважає, що для зубчатих коліс вміст залишкового аустеніту 46 - 50 % є оптимальним для забезпечення контактної витривалості. М.Н. Бриковим доведено, що в умовах абразивного зношування оптимальним вважається вміст залишкового аустеніту 60 % [4]. В умовах експлуатації при контактній взаємодії конструктивних елементів їх довговічність значною мірою залежить від властивостей матеріалів, з яких вони виготовлені, і, зокрема, від їх хімічного складу, стру- ктури, здатності до релаксації мікронапружень. Очевидно, що для різних умов експлуатації існують оптима- льні значення характеристик матеріалів, при яких досягається максимальна довговічність цих конструктивних елементів. Мета і постановка задачі Метою даної роботи є виявлення залежностей впливу залишкового аустеніту та здатності до релак- сації мікронапружень на контактну витривалість сталі Х12 в умовах тертя кочення для різних умов наванта- ження та експлуатації до кінця не вивчене і є актуальним. Виклад матеріалів досліджень Для визначення реологічних і міцністних властивостей поверхонь тертя, зокрема здатності матеріалу до релаксації мікронапружень було використано пристрій на базі мікротвердоміра ПМТ-3, розроблений про- фесором Шевелею В.В., що працює за методом безперервного втискування індентора [1, 2, 7]. Метод заснова- но на реєстрації у процесі досліджень глибини h заглиблення індентора під навантаженням та при його зні- mailto:parshenko@ukr.net Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 118 манні. Величину h оцінюють за допомогою вимірювальної системи мікротвердоміра або по автоматично за- писаній на самописці безперервним втискуванням індентора діаг- рамі втискування ( )hfP = - функціональній залежності глибини заглиблення індентора від навантаження. Розшифрування такої діа- грами дозволяє отримати не тільки більш широку, але також і принципово нову інформацію [1, 2, 5, 7]. Загальний вигляд і принципову схему пристрою для до- слідження здатності матеріалу до релаксації мікронапружень по- казано на рис. 1. та рис. 2. До складу пристрою входять: стояк і рама, на яких розміщено механізми реєстрації навантаження і глибини втискування, двокоординатний потенціометр типу ПДС-021М [2]. На жорсткій рамі 7 за допомогою пружних пластин 8 за- кріплено стакан 9, усередині якого на пружних мембранах 11 пі- двішено шток 10 із індентором 5. Вимірювання здатності матері- алу до релаксації мікронапружень проводиться безконтактним ємнісним датчиком 3, закріпленим на стакані 7, а вимірювання величини навантаження – аналогічним датчиком 6, закріпленим на стакані 9. Пружини 8 забезпечують вертикальне безлюфтове пере- міщення стакана 9, мембрани 11, дозволяють виконувати вимі- рювання навантаження за величиною їх прогину та плавне при- кладення навантаження до зразка 2. Навантаження індентора ви- конується за допомогою привода 13 через шток 12. Встановлення зразка 2 в потрібне положення здіснюється за допомогою трикоординатного сто- лика 1. Нагрівання зразка відбувається за допомогою нагрівального пристрою 4. Рис. 2 – Схема пристрою для визначення релаксаційної здатності матеріалів методом безперервного втискування індентора [2]: 1 – столик; 2 – зразок; 3 – датчик контролю глибини вдавлюваня; 4 – електропіч; 5 – індентор; 6 – датчик контролю навантаження; 7 – корпус; 8 – мембрана; 9 – стакан; 10 – шток; 11 – мембрана; 12 – шток; 13 – електропривід Рис. 3 – Блок-схема пристрою для визначення релаксаційної здатності матеріалів методом безперервного втискування індентора [2 ] Рис. 1 – Загальний вигляд пристрою для визначення релаксаційної здатності матеріалів методом безперервного втискування індентора [2 ] Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 119 Електронну блок-схему пристрою наведено на рис. 3. Сигнали, що знімаються з датчиків 1 та 2 надходять на двокоординатний самописець ПДС-021М для отримання залежності навантаження ( P ) – глибина втискування ( h ) або на самописець ЛКС4-003 для отримання залежності навантаження – час, що дозволяє оцінити релаксаційні властивості матеріалу при витримці зразка під навантаженням. Грани- чна помилка, пов’язана з похибкою тарування при обрахунку за діаграмами втискування від 0,01 до 1 Н, не перевищує 10 %. Типова діаграма, що отримана під час випробувань, має три характерних ділянки (рис. 4): 1 – ак- тивного навантаження; 2 – витримки під навантаженням; 3 – активного розвантаження і повторного на- вантаження. Рис. 4 – Типова діаграма P - h та деякі її параметри [7 ] За гілкою навантаження можна знайти ряд величин кінетичної твердості, що розраховується за глибиною відбитку h [1]: ( )220 hc P h P C F P H ⋅ === , (1) де c – коефіцієнт форми індентора; F – площа відбитку глибиною h , при цьому Fhc =⋅ . Для пірамідального або конічного індентора 0C , c – постійні величини. Якщо F – площа по- верхні відбитку, то 0C дорівнює 37,84 для піраміди Вікерса; 37,97 та 13,85 – для пірамід Берковича та Кнуппа відповідно [2, 7]. Аналіз кінетики руху індентора по діаграмі втискування дає можливість досліджувати закономі- рності пружньопластичного деформування матеріалів не тільки у процесі формування відбитку при на- вантаженні, а також при його пружному відновленні після зняття навантаження. Приріст глибини відбитку при витримці під навантаженням, що характеризує мікроповзучість матеріалів, оцінюється за абсолютною величиною відповідної ділянки діаграми втискування (рис. 4). Більш повну інформацію можна отримати безпосередньо за кривою повзучості відбитку в координатах глибина відбитка-час. Необхідно відмітити, що збільшення пластичної деформації у часі в умовах ви- тримки під навантаженням супроводжується зменшенням рівня діючих напружень через збільшення ро- зміру відбитку, а також деякого зменшення величини навантаження через послаблення пружин при за- глибленні індентора. Тому умови накопичення пластичної деформації матеріалу під індентором більше зумовлені режимом релаксації, ніж режимом повзучості, що відбувається при постійному рівні прикла- дених напружень. Відповідно до [1] здатність матеріалу до релаксації напружень у часі оцінювали за величиною: 00 0 0 0 2 hh h H HH H t ∆+ ∆ = − =δ , (2) де 2 0 00 h P CH = – твердість, знайдена за гілкою навантаження; tH – твердість у такий момент часу t після виключення приводу навантаження, після закінчен- ня якого твердість tH практично не змінилась. Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 120 Коефіцієнт розсіювання енергії можна визначити за формулою [2, 6]: h δ =ψ , (3) де δ і h – величини відповідних ділянок з діаграми втискування індентора (рис. 4). За допомогою діаграми втискування також можна визначити модуль Юнга, пружні та пластичні деформації, енергетичні витрати. Основним показником, що визначає здатність до релаксації мікронапружень та коефіцієнт роз- сіювання енергії сталі Х12 є кількість залишкового аустеніту. У процесі досліджень визначалась здат- ність до релаксації мікронапружень та коефіцієнт розсіювання енергії в залежності від кількості ненаси- ченого азотом залишкового аустеніту сталі Х12 та насиченого азотом залишкового аустеніту, отриманого методом описаним у роботі [4]. На рис. 5 - 8 наведено залежності впливу початкового вмісту метастабільного насиченого та не- насиченого азотом залишкового аустеніту на вихідну і кінцеву (після проведення експериментальних до- сліджень) здатність до релаксації мікронапружень, а також коефіцієнт розсіювання енергії. Встановлено, що насичення аустеніту азотом сприяє підвищенню вихідних реологічних властивостей хромистих сталей. Рис. 5 – Залежність здатності матеріалу до релаксації мікронапружень δН від вмісту ненасиченого залишкового аустеніту: 1 – кінцева; 2 – початкова Рис. 6 – Залежність коефіцієнта розсіювання енергії ψ від вмісту ненасиченого залишкового аустеніту: 1 – кінцевий; 2 – початковий Проведені експериментальні дослідження показують, що початкова здатність матеріалу до рела- ксації мікронапружень із структурою ненасиченого залишкового аустеніту має нелінійну екстремальну залежність з максимумом при вмісті залишкового аустеніту 30 об.% ( 151,0=δH ). Аналогічно впливає початковий вміст залишкового аустеніту і на коефіцієнт розсіювання енергії. При кількості залишкового аустеніту 30 об.% він набуває максимального значення ( 648,0=ψ ). Рис. 7 – Залежність здатності матеріалу до релаксації мікронапружень δН від вмісту насиченого азотом залишкового аустеніту: 1 – кінцева; 2 – початкова Рис. 8– Залежність коефіцієнта розсіювання енергії ψ від вмісту насиченого азотом залишкового аустеніту: 1 – кінцевий; 2 – початковий Як видно з рис. 5 - 8, вихідна здатність матеріалу до релаксації мікронапружень із структурою насиченого азотом залишкового аустеніту при вмісті аустеніту 30 об. % зростає приблизно на 30 %, а ко- ефіцієнт розсіювання енергії – на 13 %, порівняно з структурою ненасиченого азотом залишкового аустеніту. Зменшення стабільності залишкового аустеніту також спостерігається під час проведення експе- риментальних досліджень до появи викришування на доріжці кочення. Кінцеві значення реологічних властивостей досліджуваних зразків набагато нижчі за початкові. Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 121 Характер зміни показників здатності матеріалу до релаксації мікронапружень та коефіцієнт роз- сіювання енергії залежно від початкового вмісту залишкового аустеніту також відрізняється від початко- вого. При кількості нелегованого метастабільного аустеніту 30 об.% показник здатності до релаксації мі- кронапружень набуває після зношування мінімального значення ( 085,0=δH ), відповідно коефіцієнт розсіювання енергії дорівнює 0,41. Аналогічні зміни відбуваються під час насичення аустеніту азотом. З рис. 9, 10 видно, що зміна реологічних характеристик є більш інтенсивною для випадку менш стабільної структури, тобто для насиченого аустеніту. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 25 30 46 Кількість аустеніту, об.% З да тн іс ть м ат ер іа лу д о ре ла кс ац ії м ік ро на пр уж ен ь H Насичений азотом аустеніт Ненасичений азотом аустеніт Рис. 9 – Порівняння здатності до релаксації мікронапружень δН при терті кочення від кількостінасиченого та ненасиченого залишкового аустеніту 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 25 30 46 Кількість аустеніту,об.% Ко еф іц іє нт р оз сі ю ва нн я е не рг ії Насичений азотом аустеніт Ненасичений азотом аустеніт Рис. 10 – Порівняння коефіцієнта розсіювання енергії ψ при терті кочення від кількості насиченого та ненасиченого залишкового аустеніту 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 25 30 46 65 80 90 Кількість залишкового аустеніту, об.% З д ат ні ст ь м ат ер іа л у д о ре ла кс ац ії м ік ро на пр уж ен ь H 0 50 100 150 200 250 300 350 Д ов го ві чн іс ть з ра зк ів , N x1 0 6 ци кл 1 2 4 3 Рис. 11 – Порівняння здатності до релаксації мікронапружень δН при терті кочення та довговічності зразків від кількості залишкового аустеніту: 1 – довговічність зразків з насиченим аустенітом; 2 – довговічність зразків з ненасиченим аустенітом; 3 – здатність матеріалу до релаксації мікронапружень зразків з насиченим аустенітом; 4 – здатність матеріалу до релаксації мікронапружень зразків з ненасиченим аустенітом 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 25 30 46 65 80 90 Кількість залишкового аустеніту, об.% К ое ф іц іє нт р оз сі ю ва нн я е не рг ії 0 50 100 150 200 250 300 350 Д ов го ві чн іс ть з ра зк ів , N x1 0 6 ци кл 1 2 4 3 Рис. 12 – Порівняння коефіцієнта розсіювання енергії при терті кочення та довговічності зразків від кількості залишкового аустеніту: 1 – довговічність зразків з насиченим аустенітом; 2 – довговічність зразків з ненасиченим аустенітом; 3 – коефіцієнт розсіювання енергії зразків з насиченим аустенітом; 4 – коефіцієнт розсіювання енергії зразків з ненасиченим аустенітом Тобто, на зносостійкість і довговічність зразків з метастабільними структурами в умовах тертя кочення, крім фізико-механічних характеристик і фазового складу, великий вплив мають реологічні ха- рактеристики матеріалу, такі, як здатність матеріалу до релаксації мікронапружень та коефіцієнт розсію- вання енергії. В ході експериментальних досліджень виявлено, що максимальна довговічність та зносо- стійкість зразків із сталі Х12 відповідає максимальній зміні реологічних властивостей матеріалу, тобто вичерпанню внутрішнього резерву. Оптимальне значення початкової кількості залишкового аустеніту для отримання максимальних показників реологічних характеристик матеріалу та контактної витривало- сті при зношуванні від дії циклічних навантажень до появи викришування на доріжці кочення для струк- тур ненасиченого та насиченого азотом залишкового аустеніту складає 30 об’ємних відсотків. Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 122 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 25 30 46 65 80 90 Кількість залишкового аустеніту, об.% З д ат ні ст ь м ат ер іа л у д о ре л ак са ці ї м ік ро на пр уж ен ь H 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 З но с зр аз кі в, м км 1 2 4 3 Рис. 13 – Порівняння здатності до релаксації мікронапружень δН при терті кочення та зносу зразків від кількості залишкового аустеніту: 1 – знос зразків з насиченим аустенітом; 2 – знос зразків з ненасиченим аустенітом; 3 – здатність матеріалу до релаксації мікронапружень зразків з насиченим аустенітом; 4 – здатність матеріалу до релаксації мікронапружень зразків з ненасиченим аустенітом 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 25 30 46 65 80 90 Кількість залишкового аустеніту, об.% К ое ф іц іє нт р оз сі ю ва нн я е не рг ії 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 З но с зр аз кі в, м км 1 2 4 3 Рис. 14 – Порівняння коефіцієнта розсіювання енергії при терті кочення та зносу зразків від кількості залишкового аустеніту: 1 – знос зразків з насиченим аустенітом; 2 – знос зразків з ненасиченим аустенітом; 3 – коефіцієнт розсіювання енергії зразків з насиченим аустенітом; 4 – коефіцієнт розсіювання енергії зразків з ненасиченим аустенітом Очевидно, що на ступінь перетворення метастабільних структур, зокрема залишкового аустеніту, а отже, на значення довговічності і величини зношування матеріалів, впливають умови контактної взає- модії, розподіл контактних напружень по глибині досліджуваних зразків. Комплексне вивчення впливу наведених факторів дозволить сформувати основні принципи під- вищення зносостійкості та довговічності пар тертя, що працюють в умовах тертя кочення, застосуванням метастабільних структур, і як наслідок забезпечити зростання працездатності і надійності обладнання в цілому. Література 1. Булычев С.И. Исследование механических свойств материалов с помощью кинетической диа- граммы нагрузка – глубина отпечатка при микровдавливании / С.И. Булычев, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров, А.П. Терновский // Проблемы прочности. – 1976. – № 9. – С. 79-83. 2. Ильинский И.И. Методика определения параметров микротекучести листовых материалов / И.И. Ильинский, В.В. Шевеля, А.П. Круглик // Проблемы прочности. – 1983. – № 2. – С. 105-109. 3. Каплун П. В. Кінетика зношування матеріалу підшипників кочення з структурою залишкового аустеніту / П.В. Каплун, К.А. Паршенко // Проблемы трибологии. – 2005. – № 3 - 4. – C. 25-28. 4. Паршенко К.А. Вплив метастабільного аустеніту на кінетику зношування нітрогартованої ста- лі Х12 при терті кочення / К.А. Паршенко // Вісник Технологічного університету Поділля (ХНУ). – 2006. – Т.2, № 2. – C. 145-151. 5. Шевеля В. Вплив структури та складу сталі на припрацьовуваність в умовах фретингу / В. Шевеля, А. Джимала, Г. Калда, В. Олександренко // Машинознавство. – 2001. – № 1. – С. 24-27. 6. Шевеля В.В. Фреттинг-усталость металлов. / В.В. Шевеля, Г.С. Калда. – Хмельницкий: Поділ- ля, 1998. – 299 с. 7. Шевеля В.В. О роли релаксационных явлений и субструктурных превращений при трении ме- таллов / В.В. Шевеля, В.П. Олександренко, Г.С. Калда // Проблеми трибології. – 2003. – №2. – С. 3-10. Поступила в редакцію 21.05.2014 Вплив здатності сталі Х12 до релаксації мікронапружень на зносостійкість та довговічність в умовах тертя кочення Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 123 Oleksandrenko V.P., Kyrylkov V.A., Parshenko K.A., Mysliborskiy V.V. Effect of capacity of steel X12 relaxa- tion microstresses on wear resistance and durability under rolling friction. The results of research on the impact the number of saturated and unsaturated nitrogen retained austenite on the ability of the material to relax microstresses. We prove that the maximum durability and wear resistance of steel samples X12 corresponds to the maximum change in the rheological properties of the material, that is exhausting internal reserves. The op- timum value of the initial amount of retained austenite to maximize performance rheological characteristics of the material and the contact endurance in wear on the action of cyclic loads to the appearance of chipping on the track bearing structures for unsaturated and saturated nitrogen retained austenite is 30 percent by volume. Keywords: austenite, rheological properties, rolling friction, wear resistance. References 1. Bulychev S. Y. Issledovanye mekhanycheskykh svojstv materyalov s pomoshhjju kynetycheskoj dy- aghrammy naghruzka – ghlubyna otpechatka pri mykrovdavlyvanyy, Problemy prochnosty, 1976, No 9. pp. 79- 83. 2. Iljynskyj Y. Y. Metodyka opredelenyja parametrov mykrotekuchesty lystovykh materyalov, Prob- lemy prochnosty, 1983, No 2, pp. 105-109. 3. Kaplun P. V. Kinetyka znoshuvannja materialu pidshypnykiv kochennja z strukturoju zalyshkovogho austenitu, Problemy tribologіi (Problems of tribology), Khmel'nyts'kyi, KhNU, 2005, No 3-4, pp. 25-28. 4. Parshenko K. A. Vplyv metastabiljnogho austenitu na kinetyku znoshuvannja nitroghartovanoji stali X12 pry terti kochennja, Visnyk Tekhnologhichnogho universytetu Podillja, Khmel'nyts'kyi, KhNU. 2006, No 2, pp. 145-151. 5. Shevelja V. Vplyv struktury ta skladu stali na prypracjovuvanistj v umovakh fretynghu, Mashynonavstvo, 2001, No 1, pp. 24-27. 6. Shevelja V. V. Frettyngh-ustalostj metallov, Khmeljnyckyj, Podillja, 1998, 299 p. 7. Shevelja V. V. O roly relaksacyonnykh javlenyj i substrukturnykh prevrashhenyj pri trenii metallov, Problemy tribologіi (Problems of tribology), Khmel'nyts'kyi, KhNU, 2003, No 2, pp. 3-10.