3_Dvoruk.doc Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 14 Дворук В.І., Бєлих С.С. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна АБРАЗИВНА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ТА СТРУКТУРА ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ Завдання дослідження Абразивне зношування – це руйнування поверхні деталі в результаті її взаємодії з твердими час- тинками за наявності відносної швидкості. До числа таких частинок відносять жорстко закріплений абра- зив – великі шматки гірської породи або абразивні круги, у яких абразивні частинки міцно зв’язані одне з одним за допомогою зв’язки (моноліт). Зношуванню об моноліт піддаються деталі сільськогосподарсь- ких, дорожньо-будівельних, гірничих, бурових машин тощо. Значна частина цих деталей виготовляється з легованих сталей. Інтенсивність вказаного виду абразивного зношування більш ніж на порядок пере- вищує інтенсивність інших видів зношування, що не пов’язані з дією абразиву і залежить вона від бага- тьох факторів: фізико-механічних властивостей сталі та абразиву, режиму навантаження, геометричних характеристик абразиву, агресивності робочого середовища тощо. Вплив зазначених факторів на зносо- стійкість сталей реалізується, головним чином, через їх структуру. Тому науково обґрунтоване розв’язання проблеми абразивної зносостійкості шляхом керування структурою сталей є актуальним за- вданням трибології, впоратись з яким можна лише створивши відповідне теоретичне підґрунтя. У переважній більшості теорій абразивної зносостійкості, що були запропоновані [1 - 6 тощо] визнається провідна роль міцносного фактора у природі та механізмі абразивного зношування. Однак щодо концепції міцності, яку слід застосовувати для інтерпретації впливу цього фактора в умовах абра- зивного зношування спільної думки немає. Частіше за інші застосовували[1 - 5] загальноприйняту стати- чну концепцю міцності [7], відповідно до якої руйнування матеріалу розглядається як критична подія, що настає при досягненні діючою напругою границі міцності. Отже, границя міцності вважається фізичною константою матеріалу. Однак це не відповідає дійсності, оскільки границя міцності залежить від дуже багатьох факторів, а універсальні закони, що описують роботу матеріалів за будь яких умов відсутні і тому зазначений показник є умовною величиною [8]. Інший істотний недолік статичного підходу – це урахування впливу фактора часу на міцність лише через побічні процеси(наприклад, абсорбцію вологи з повітря, деформаційні та релаксаційні процеси тощо), в той час, як пряма дія цього фактора у механізмі руйнування залишається неврахованою. Недоліків, що вказані вище позбавлена кінетична концепція міцності [7], відповідно до якої руй- нування розглядається як термофлуктуаційний процес, який неможна характеризувати границею міцнос- ті. Спробу застосувати кінетичний підхід до абразивного руйнування здійснено у роботі [9]. Фактичним підґрунтям для цього були експериментальні данні з вивчення впливу великих питомих навантажень на абразивний знос сталей різних структурних класів в умовах тертя ковзання. Виявилось, що вказана зале- жність має нелінійний характер і складається з трьох ділянок. Перша і третя ділянки відбивають лінійну залежність між зносом та питомим навантаженням, а друга – характеризується сталістю зносу у деякому інтервалі питомих навантажень. Для пояснення навантажувальної залежності зносу запропоновано фізи- чну модель, яка, на відміну від класичної кінетичної теорії міцності [7], враховує наявність електронної системи в сталях та її вплив на абразивне руйнування останніх. Хоча міркування щодо цього впливу но- сять абстрактний характер оскільки в роботі [9] відсутні результати експериментальних досліджень, з яких вони випливають. Відповідно до вказаної моделі, механізм реалізації кінетичної концепції руйну- вання при абразивному зношуванні залежить від температури у зоні контакту: для області високих тем- ператур (поблизу і вище температури Дебая) характерним є термофлуктуаційний механізм розриву між- атомних зв’язків, а за температур нижче температури Дебая можливий перехід від термофлуктуаційного до фоночного механізму. Однак, всупереч зазначеному підходу, як фундаментальний, авторами [6] вису- нуто закон відповідності між показниками статичної міцності та зносостійкістю сталей різних структур- них класів, який з ряду причин не відповідає кінетичній концепції руйнування. По-перше, будь який кі- нетичний процес (термофлуктуаційний, фононний тощо), як це зазначалося вище, неможна характеризу- вати границею міцності. По-друге, вказаний закон передбачає існування класичного зв’язку між проце- сами деформування та руйнування, що притаманний статичній концепції міцності, тоді як кінетична концепція міцності ставить це питання по новому [7]. Отже, спробу [9] залучити кінетичний підхід до абразивного руйнування слід визнати непослідовною та суперечливою. Аналізу абразивного руйнування металевих матеріалів з позицій енергетичної теорії міцності присвячено роботу [10]. Такий підхід дозволив врахувати вплив енергетичного стану поверхні, що зумо- влений внеском поверхневої енергії, теплових флуктуацій та внутрішньої енергії на процес абразивного руйнування металів. Як критерій абразивної зносостійкості розглядається показник γ/HV , де HV – твердість за Віккерсом, γ – питома поверхнева енергія. На думку авторів [10], аналіз залежності від цьо- го показника вказує на прояв силового та енергетичного чинника руйнування у механізмі абразивного PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 15 зношування. Реалізація вказаних чинників відбувається за умов, що були визначені Ірвіном [11]. Однак, за таких умов передбачено використання ефективної поверхневої енергії ефγ , тоді як у роботі [10] мова весь час ведеться про питому поверхневу енергію γ , яка на один-два порядки менше ніж ефγ . Оскільки зовнішньо-силова дія абразивної частинки на поверхню тертя при ковзанні складається з її занурення у метал на певну глибину і тангенціального переміщення поверхнею, то у запропонованому критерії твер- дість відображає опір зануренню, а поверхнева енергія – опір тангенціальному переміщенню абразиву. Отже, зв'язок зносостійкості з характеристиками міцності, при цьому, здійснюється через твердість. Тому підхід, що розглядається за своєю суттю – це подальший розвиток застосування статичної концепції міц- ності до абразивного зношування за рахунок залучення у неї окремих елементів кінетичного та енергети- чного підходу. Враховуючи відсутність загальновизнанної точки зору на підґрунтя природи та механізму абра- зивного зношування, запропоновано [12, 13] нову концепцію зносостійкості, яка виходить з реолого- кінетичних уявлень у фундаментальному питанні про зв'язок між процесами руйнування та деформуван- ня при абразивному зношуванні. Вказана концепція – результат суперпозиції і застосування у діалектич- ній єдності реологічної та кінетичної концепцій міцності до описання абразивного руйнування. Реологічна концепція розглядає руйнування не як статичну критичну подію, а як кінетичний процес, що розвивається у часі. З погляду кінетичної концепції явище руйнування – це процес нагрома- дження у часі актів термофрикційних розривів міжатомних зв’язків. Отже, між цими підходами існує ті- сна ієрархія на рівні понять, що дає підстави для їх суперпозиції. Згідно запропонованої [8] фізичної мо- делі, абразивне руйнування – це послідовність актів відокремлення частинок зносу, які утворюються у результаті розвинення первинних бокових горизонтальних тріщин до їх перетину з робочою поверхнею, вторинними боковими тріщинами, вертикальними клиноподібними тріщинами тощо. За таких уявлень як критерій зносостійкості розглядається реологічний параметр: П IC h K R = , де ICK – в’язкість руйнування металу; Пh – розмір пластичної зони у вершині тріщини. Ця величина є показником чинника взаємо- зв’язку між процесами руйнування та деформування, який за своєю фізичною суттю характеризує опір утворенню бокових тріщин на межах пластичних зон у вершинах вертикальних клиноподібних тріщин. В’язкість руйнування ICK у зазначеному критерії одночасно є реологічною та енергетичною характери- стикою [14], яка інтегрально враховує міцнісні та пластичні властивості металу. Останній факт заслуго- вує на особливу увагу, оскільки між абразивною зносостійкістю та сполученням міцнісно-пластичних характеристик сталей різних структурних класів встановлено функціональний зв'язок [15]. Однак на від- міну від стандартних характеристик міцності та пластичності, які є умовними показниками і враховують усереднені властивості металу при зношуванні, показник ICK оцінює локальні властивості поблизу вер- шини тріщини і "прив’язаний" до плоско деформованого стану у вказаній зоні. З огляду на це, в’язкість руйнування – фундаментальна характеристика опору метала руйнуванню. Щодо розміру пластичної зони Пh у реологічному параметрі R, то, з одного боку ця величина характеризує ступінь локалізації дефор- мації в поверхневому шарі, а з іншого – механічний стан (зміцнення, відпуск, запас пластичності, залиш- кова напруженість тощо) цього шару. Відповідно до поправки Ірвіна [11], величина Пh , а також інтен- сивність пластичної деформації всередині зони залежить від в’язкості руйнування ICK і опору метала пластичній деформації Tσ . При дослідженні абразивної зносостійкості сталі 40Х з різною структурою відпуску залежно від реологічного параметру виявлено [16] певну тенденцію, а саме: з підвищенням реологічного параметра зносостійкість сталі зростає. Вивчення впливу іншого структурного фактора – обробки холодним дефор- муванням на абразивну зносостійкість цієї самої сталі підтвердило [17] зв'язок останньої з реологічним параметром. Ці факти дають підставу для припущення, що абразивна зносостійкість контролюється не стандартними характеристиками міцності, а реологічним параметром R. У зв’язку з цим для оцінки уні- версальності такої закономірності науковий і практичний інтерес представляє перевірка її правомірності для легованих сталей інших структурних класів. Розв’язанню цієї задачі присвячено дану роботу. Експериментальна та аналітична частина Вивчали механічні, реологічні та триботехнічні властивості типових представників легованих сталей різних структурних класів: перлітного – сталь 40Х, мартенситного – сталь 95Х18, мартенситно- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 16 старіючого – Н18К9М5Т, аустенітного – 110Г13Л, карбідного – Р18. При виборі сталей для проведення досліджень враховувалась необхідність порівняльної оцінки отриманих результатів з відомими закономі- рностями. Тому зупинилися на тих марках сталей, які в достатній мірі вивчені у інших наукових працях [6, 9, 10, 15 - 18]. З метою розширити діапазон зміни досліджуваних властивостей, зазначені сталі підда- вали термічній обробці, яка складалась із гартування за оптимальної для кожної сталі температури та ві- дпуску за температури 493 К, 693 К, 893 К. Це дозволило аналізувати вплив структурного стану після ві- дпуску сталей на їх властивості. Триботехнічні випробування сталей проводили за методами і методиками, які використовува- лись у роботі [16]. В таблиці приведені механічні, триботехнічні та реологічні властивості сталей. Таблиця Механічні, реологічні та триботехнічні властивості сталей Режим термічної обробки, К М ар ка ст ал і Структурний клас гартування відпуск еHRC в σ , МПа ICK , МПа М Пh , м R·104, МПа ε·102, кг -1 95 Х 18 Мартенситний 1293-1343, мастило 493 693 893 62 58 40 1800 1300 800 10 12 15 9,33·10-9 5,5·10-8 1,4·10-7 10,4 5,1 4 16,45 8 6,28 40 Х Перлітний 1123-1153, мастило 493 693 893 49 39 24 1850 1420 850 9,6 12 14 8,29·10-8 1,56·10-7 2,84·10-7 3,44 3,03 2,66 5,4 4,76 4,16 11 0Г 13 Л Аустенітний 1293-1343, вода 493 693 893 18 17 16 616 415 360 17,2 20,7 25 2,14·10-7 3,59·10-7 5,4·10-7 3,72 3,45 3,33 5,82 5,43 5,23 Н 18 К 9М 5Т Мартенситно- старіючий 1113-1133, мастило 493 693 893 33 49 47 1070 1400 1500 12,9 11,8 14,8 2,34·10-7 1,79·10-7 2,92·10-7 2,66 2,78 2,74 4,17 4,37 4,3 Р1 8 Карбідний 1563-1583, мастило 493 693 893 59 62 65 1150 1320 1600 12,7 11,8 10,8 3,25·10-8 1,6·10-8 6,1·10-9 7,08 9,4 13,8 10,6 14,5 21,7 Об’єктами дослідження були залежності зносостійкості ε сталей при абразивному зношуванні від їх реологічних характеристик: в’язкості руйнування ICK , розміру пластичної зони у вершинах трі- щин Пh , реологічного параметру R. Результати дослідження дозволили систематизувати дані про зв'язок реологічних властивостей зі зносостійкістю сталей (рис. 1). У кожному класі сталей спостерігаються індивідуальні особливості зміни реологічних показни- ків після відпуску. Так, для сталей мартенситного класу з підвищенням температури відпуску ICK і Пh зростають, а R зменшується (рис. 1, а). Для сталей перлітного класу характер зміни реологічних показників такий самий як для сталей мартенситного класу, але зростання ICK , Пh і падіння R відбувається з помітно меншою інтенсивністю (рис. 1, б). Подальше зменшення інтенсивності змін ICK , Пh і R при збереженні характеру їх змін спосте- рігається в аустенітних сталях (рис. 1, в). Дещо інший характер зміни реологічних властивостей зафіксовано у сталях мартенситно- старіючого класу. По мірі підвищення температури відпуску до 693 К ICK і Пh у них зменшується, а R – дещо зростає. Подальше підвищення температури відпуску призводить до зростання ICK і Пh , у той час, як R проявляє тенденцію до зниження (рис. 1, г). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 17 I II а б в г д Рис. 1 – Залежність реологічних властивостей (I) та зносостійкості (II) від температури відпуску для сталей: а – 95Х18; б – 40Х; в – 110Г13Л; г – Н18К9М5Т; д – Р18 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 18 У сталях карбідного класу по мірі підвищення температури відпуску реологічні показники ICK і Пh зменшуюся, а R – зростає (рис. 1, д). Співставлення залежностей реологічних показників та зносостійкості від температури відпуску (рис. 1) показує їх повну відповідність для сталей усіх класів. Причому між реологічним параметром R та зносостійкістю ε спостерігається пряма кореляція, а між в’язкістю руйнування ICK , розміром пластич- ної зони Пh та зносостійкістю ε – зворотна.Раніше [16] подібний результат отримано для ферито- перлітної сталі 40Х, де він став підґрунтям для такого висновку: величина реологічного параметру R ви- значається співвідношенням інтенсивності зміни показників ICK і Пh за даної температури відпуску. Якщо результати, що отримані в даній роботі проаналізувати з цієї точки зору , то можна констатувати, що вона поширюється на сталі решти структурних класів. Таким чином, вперше встановлено закон відповідності між зміною реологічного параметру та абразивної зносостійкості, залежно від температури відпуску сталей. Для кожного класу сталі, незалежно від характеру зміни взаємозв’язку показників в’язкості руй- нування та розміру пластичної зони, визначальним для абразивної зносостійкості є реологічний пара- метр. Між зміною реологічного параметру та зносостійкістю сталей у всьому інтервалі температур від- пуску простежується повна відповідність вказаних залежностей. Реологічний параметр у кожному структурному класі сталі визначає рівень і тенденцію зміни її зносостійкості при відпуску. Величина реологічних властивостей, а отже зносостійкості, зумовлена, головним чином, хіміч- ним складом сталі. Відомості про числові значення реологічних властивостей, що забезпечують максимальну зносо- стійкість у кожному структурному класі сталі можна отримати з таблиці. Найвищу зносостійкість показала карбідна сталь Р18. Досягнуто це за рахунок найбільшої вели- чини реологічного параметру. Мартенситно-старіюча сталь Н18К9М5Т володіє низьким реологічним параметром, тому не ви- сокою є її зносостійкість. Таке саме можна сказати про аустенітну сталь 110Г13Л, зносостійкість якої майже не відрізняється від зносостійкості сталі Н18К9М5Т. Найбільше зменшення реологічного параме- тру після відпуску за температури 893 К по відношенню до його величини після відпуску за температури 493 К спостерігається у мартенситної сталі 95Х18 (зменшення у 2,6 рази), що супроводжується відповід- ним зниженням її зносостійкості. При переході від сталі мартенситного класу до сталей інших структурних класів – перлітного, аустенітного та мартенситно-старіючого вказаний ефект спочатку поступово зменшується до практично нульового рівня у мартенситно-старіючої сталі, після чого, при переході до карбідної сталі відбувається його інверсія – величина реологічного параметру після відпуску за температури 893 К зростає по відно- шенню до його значення після відпуску за температури 493 К. Ці результати дозволили розкрити загаль- ну картину зміни зносостійкості та реологічного параметру сталей різних структурних класів, показати тенденцію зміни їх триботехнічних та реологічних властивостей за різних температур відпуску, співста- вити переваги та недоліки сталей кожного класу з урахуванням їхньої максимальної зносостійкості та реологічного параметру. Виявлений закон відповідності зносостійкості та реологічного параметра може бути корисним у орієнтуванні металофізиків та металознавців на створення нових зносостійких металевих матеріалів. Висновки У результаті цієї роботи встановлено таке: 1. Леговані сталі різних структурних класів підлягають такому закону відповідності: з підвищен- ням реологічного параметру зносостійкість сталі зростає. Отже, для інтерпретації міцнісного фактора у природі та механізмі абразивної зносостійкості слід застосовувати реолого-кінетичний підхід. 2. Тенденція зміни реологічних показників при відпуску залежить від структурного класу сталі. З підвищенням температури відпуску вона може мати зростаючий, немонотонний або спадаючий характер. 3. Величина реологічного параметру та зносостійкості сталей різних структурних класів визна- чається співвідношенням інтенсивності зміни в’язкості руйнування і розміру пластичної зони за даної температури відпуску. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 19 Література 1. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание / М.: Наука, 1970. – 251с. – Библиогр.: С. 242-247. 2. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердих тел. / М.: Наука, 1970. – 247 с. – Библиогр.: С. 237-245. 3. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию / М.: Машиностроение, 1976. – 270 с. – Библиогр.: С. 263-268. 4. Брыков Н.Н. К вопросу о закономерностях сопротивляемости сталей и сплавов абразивному изнашиванию // Проблеми трибології. – 1997. – № 4. – С. 13-20. 5. Брыков М.Н. Основы теории износостойкости железоуглеродистых сплавов при абразивном изнашивании // Проблеми трибології. – 2007. – № 2 – С. 46-56. 6. Виноградов В.Н. Абразивное изнашивание / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, М.Г. Колоколь- ников: – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с.: ил., табл. – Библиогр.: С. 217-219. 7. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твердих тел / В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский: – М.: Наука, 1974. – 560 с.: ил., табл. – Библиогр.: С. 536-560. 8. Латишенко В.А. Диагностика жест кости и прочности материалов / Рига: Зинатне, 1968. – 320 с.: – Библиогр.: С. 274-299. 9. Виноградов В.Н. Абразивное изнашивание бурильного інструмента / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, В.А. Доценко: – М.: Надра, 1980. – 206 с.: ил., табл. – Библиогр.: С. 198-203. 10. Меделяев И.А., Албагачиев А.Ю., Сорокин Г.М. Физическая природа разрушения материа- лов при абразивном изнашивании // Трение и знос. – Т. 25, № 2. – С. 148-154. 11. Ирвин Д., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушение // Разрушение. Инженерные основы и воздействие внешней среды. – М.: Мир, 1976. – Т. 3 – С. 17-66. 12. Дворук В.И. Научные основы повышение абразивной износостойкости деталей машин / К.: КМУГА, 1997. – 101 с. – Библиогр.: С. 95-99. 13. Дворук В.І. Реолого-кінетична концепція абразивної зносостійкості та її реалізація в керу- ванні працездатністю механічних трибосистем: Автореф. дис. доктора техн. наук / НАУ. – К., 2007. – 40 с. 14. Хеккель К. Техническое применение механики разрушения / М.: Металлургия, 1974. – 64 с. – Библиогр.: С. 92-93. 15. Сорокин Г.М., Малышев В.Н. Аспекты металловедения в природе механического изнашива- ния // Трение и знос. – 2005. – Т. 26, № 6. – С. 598-607. 16. Дворук В.І., Герасимова О.В. Вплив структурного стану на абразивне руйнування сталі // Проблеми тертя та зношування: Зб. наук. праць. – К., 2007. – № 47. – С. 82-94. 17. Дворук В.І., Кіндрачук М.В. Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі // Про- блемитрибології. – 2011. – № 3. – С. 24-28. 18. Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Меделяев И.А. Некоторые аспекты выбора и создание изно- состойких металлических материалов для условий абразивного изнашивания // Трение и износ. – 1990. – Т. 11, № 5. – С. 773-781. Надійшла 30.11.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com