4_Dvoruk.doc Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 24 Дворук В.І., Кіндрачук М.В. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна АБРАЗИВНА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ХОЛОДНОДЕФОРМОВАНОЇ СТАЛІ Завдання дослідження Одним з актуальних завдань науки і техніки є забезпечення абразивної зносостійкості конструк- ційних матеріалів. Впершу чергу воно стосується сталі – найрозповсюдженого сплаву, який за цим пока- зником не задовольняє потреби інженерної практики. Протягом XX-століття абразивна зносостійкість вуглецевих та легованих сталей істотно підвищилась. Цей прогрес досягнуто завдяки ускладненню хімі- чного складу сталей, розробці нових методів їх зміцнення, а також створенню спеціальних багатокомпо- нентних залізовуглецевих сплавів на базі наукових відомостей про механізм абразивного зношування. За сучасними уявленнями [1-3 тощо] у механізмі абразивного зношування лежить міцнісне підґрунтя. Ви- ходячи з цього, логічним виглядає припущення про підвищення зносостійкості та міцності як єдиній проблемі. У ракурсі вказаного припущення методи зміцнення сталі, що застосовують на сучасних під- приємствах металургійної, машино - і приладобудівної галузі слід розглядати, як технології подвійного призначення і тому не існує потреби у створенні додаткової спеціалізованої інфраструктури для захисту сталевих виробів від абразивного зносу. Наукові і практичні перспективи, що відкриваються на шляху використання міцнісного підходу до підвищення зносостійкості були визначальними аргументами для прийняття його на озброєння у деяких провідних наукових школах з вивчення явища абразивного зно- шування, зокрема, Російського державного університету нафти і газу ім. І.М. Губкіна (В.М. Виноградов, Г.М. Сорокін) [2]. Позитивний вплив високих міцнісних характеристик на абразивну зносостійкість сталі відміча- ють також інші дослідники [4, 5 тощо]. Поряд із цим, відомі наукові праці, результати яких не підтвер- джують зазначений факт. Наприклад, у [6, 7] констатовано, що підвищення міцності сталі термічною об- робкою не впливає на її абразивну зносостійкість. Вельми ефективним методом підвищення міцності сталі вважається холодна пластична деформація прокатуванням, волочінням, екструзією тощо. Зокрема, холоднотягнутий сталевий дріт – це один з найміцніших металевих виробів [8]. Однак така обробка практично не впливає на абразивну зносостійкість сталі [1, 6, 9 - 15]. Механізм абразивного зношування обумовлюється особливостями зовнішньо-силової дії абра- зивної частинки на поверхню, серед яких можна виділити два етапи: перший етап характеризується тис- ком частинки на поверхню і завершується її зануренням у метал; другий – поступальним рухом зануре- ної частинки поверхнею, який супроводжується складним деформуванням та руйнуванням останньої. У результаті на поверхні формується подряпина – канавка, по краях якої видавлено метал, що утворює на- вали. Така схема взаємодії абразивної частинки з поверхнею наближає процеси зношування до процесів, що супроводжують випробування поверхні на твердість дряпанням [15]. Експериментальним підтвердженням подібності вказаних процесів може бути той факт, що тве- рдість дряпанням, так саме, як абразивна зносостійкість не залежить від попереднього зміцнення поверх- ні холодним деформуванням [17]. Пояснюється це існуванням для твердості дряпанням тісного кореля- ційного зв’язку з істинним опором руйнуванню металу. Тому у багатьох сучасних теоріях [1, 12, 15 тощо] абразивна зносостійкість холоднодеформова- ної сталі інтерпретується на підґрунті аналізу процесу дряпання. Існує думка [1], що у місцях взаємодії абразивної частинки з металом при зношуванні відбува- ється гранично можливе зміцнення останньою, яке більше за передуюче. Товщина зміцненого шару дуже незначна, тому що незначною є товщина частинок зносу. Ще меншою повинна бути товщина гранично зміцненого шару, твердість якого виміряти надто складно. Виходячи з цього зроблено висновок про не- обхідність розглядати відносну абразивну зносостійкість, як характеристику механічних властивостей, що відповідає граничній міцності даного металу. Такий висновок обґрунтовується виявленою відповідністю між діаграмами «істинний опір руй- нуванню – границя міцності» та «відносна абразивна зносостійкість – твердість» для деформаційно зміц- нених металів. Однак щодо питання про вплив холодної пластичної деформації на істинний опір руйну- ванню відомі різні точки зору [12]. Пояснюється це розмаїттям способів деформаційного зміцнення і ха- рактерів деформацій у матеріалах. Так, наприклад, збільшення істинного опору руйнуванню, зазвичай, відмічається у випадках прокатування або протягування, коли в матеріалах можливе утворення волокон у напрямі подальшого розтягу при механічних випробуваннях. Таке саме можна сказати щодо гіпотези про граничне зміцнення у місцях взаємодії абразивної частинки з металом (див. вище), яка за результа- тами роботи [15] не знайшла експериментального підтвердження. На думку автора основною причиною відсутності впливу холодної пластичної деформації може бути те, що абразивні частинки взаємодіють з металом, який зміцнений передуючими частинками під час зношування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 25 Прийнято вважати, що проявом деформаційного зміцнення металу при дряпанні є зменшення ширини подряпини після початку горизонтального руху індентора поверхнею. Однак такий саме ефект спостерігався як у матеріалах, що схильні до зміцнення (метали), так і не схильних до цього (свинець пластилін тощо) [12]. Пояснюється він розвитком навалів по краях і попереду рухомого індентора, під дією яких останній виштовхується з подряпини. Тому причина нечутливості твердості дряпанням до де- формаційного зміцнення складається у перерозподілі нормального навантаження між матеріалом навалів та сліду за рахунок зменшення виштовхування індентора. Незважаючи на розбіжності запропонованих гіпотез [1, 12, 15], що висунуті для пояснення ефек- ту незмінності абразивної зносостійкості холоднодеформованої сталі, спільним у них є те, що абразивне руйнування вважається в’язким і розглядається на підґрунті класичних вчень про механіку та міцність матеріалів. Отже, за такого підходу вказаний ефект може мати різну інтерпретацію. Холоднодеформованим сталям притаманна одна характерна особливість, яка у зв’язку з їх абра- зивною зносостійкістю досі не ураховувалась. Мова йде про зменшення густини сталі після холодної пластичної деформації [8]. Відомо, що дислокації та вакансії унаслідок ангармонізму силового поля міжатомної взаємодії збільшують об’єм холоднодеформованого металу. Однак елементарний розрахунок показує, що навіть граничні значення густини дефектів кристалічної будови невзмозі збільшити об’єм більш ніж на 0,1 %, тоді як дослідні дані сягають 1 %. Аномальне збільшення об’єму пояснюється наявністю мікротріщин, що виникають і розвиваються у металі при пластичній деформації. У зв’язку з цим для холоднодеформованої сталі розрахункову модель континууму матеріалу і ві- дповідну їй класичну схему руйнування [18] слід визнати неадекватною. Прийнятними представляються моделі дисконтинууму і некласична схема руйнування,на яких побудовано реолого-кінетичну концеп- цію абразивної зносостійкості [19]. Згідно вказаної концепції абразивне руйнування за фізичною класи- фікацією розглядається як квазікрихке. Однак остаточний висновок про доцільність застосування реоло- го-кінетичного підходу до інтерпретації ефекту незмінності абразивної зносостійкості холоднодеформо- ваної сталі можна зробити лише за результатами спеціального вивчення цього питання, що є метою даної роботи. Методичне забезпечення дослідження Деформаційному зміцненню підлягала нормалізована сталь 40Х шляхом обтискування під гідра- влічним пресом заготовок, з яких після цього виготовляли зразки для дослідження. Ступінь обтискуван- ня заготовок складала 20%, 40% і 60%. Дослідження абразивної зносостійкості ε та реологічних властивостей – критичного коефіцієнту інтенсивності напружень КІС, розміру пластичної зони у вершині тріщини hпд проводили за тими самими методиками, які були використані в роботі [18]. Для визначення вмісту об’ємних дефектів кристалічної будови у металі залучали волюмометрію. При цьому об’ємні зміни зразків визначались за показником їх густини методом зважування на гідроста- тичних терезах марки ВЛО20г-1. Оцінку величини залишкових напружень розтягу на межі пластичної зони у вершині тріщини проводили розрахунковим методом за допомогою співвідношення запропоно- ваного у роботі [20]. Експериментальна і аналітична частина дослідження Дані щодо зміни трибомеханічних та реологічних властивостей досліджуваної сталі унаслідок зміцнення холодним деформуванням приведені у табл. 1, 2. Таблиця 1 Залежність трибомеханічних властивостей сталі 40Х від режиму обтискування Механічні властивості Марка сталі Ступінь обтискування, % Твердість, НВ, МПа Границя міцності, σв, МПа Відносне звуження, Ψ, % Зносостійкість, ε × 102, г -1 0 170 400 78,5 3,57 20 234 680 65 3,47 40 281 790 61 3,3 40Х 60 286 880 46 3,22 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 26 Таблиця 2 Залежність реологічних властивостей сталі 40Х від режиму обтискування Реологічні властивості Марка сталі Ступінь обтискування, % В’язкість руйнування, КІС×10 6, Па√м Розмір пластичної зони у вершині тріщини, hпд × 10-6, м Реологічний параметр, R3 × 1010, Па Інтенсивність зменшення hп, hпн / hпд Інтенсивність зменшення КІС, КІсн / КІССТ 0 58,9 6,73 2,27 1 1 20 49,8 5,08 2,21 1,33 1,18 40 46,6 4,93 2,1 1,37 1,26 40Х 60 43,9 4,58 2,05 1,47 1,34 З рис. 1 видно, що після зміцнення холодним деформуванням, незважаючи на збільшення твер- дості НВ (табл.1), реологічний параметр R так саме як і зносостійкість ε істотно не змінюється. Тому для функції ( )Rf=ε експериментальні дані, які відповідають зміцненому і незміцненому стану сталі укладаються в одну точку. Отже, при зміцненні холодним деформуванням реологічний параметр R зв’язаний з абра- зивною зносостійкістю ε сталі. Незмінність числових значень R і зміну реологічних характеристик, які входять до його складу можна спостерігати за результатами проведеного дослідження (табл. 2), які у графічній формі представ- лені на рис. 1. Звідки можна бачити, що деформаційне зміцнення сприяє одночасному зниженню в’язкості руйнування КІС і розміру пластичної зони hп у вершині тріщини, яке відбувається з майже од- наковою інтенсивністю при всіх ступенях обтискування сталі (табл. 2). Отже, незмінність R зумовлена паралелізмом змін КІС і hп. Для порівняння доречно пригадати, що після зміцнення термічною обробкою КІС і hп також одночасно знижувались, але з різною інтенсивністю: зниження hп відбувалось інтенсивні- ше, ніж КІС, що сприяло зростанню R , а, разом з ним, зносостійкості ε сталі [18]. Рис. 1 – Зіставлення зносостійкості ε з критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень КІС, товщиною пластичного деформованого шару hп і реологічним параметром R сталі 40Х після обробки холодним деформуванням з різним ступенем обтискування λ (Р = 1055 МПа, V = 0,5 м/с, Lтр = 30 м, повітря) Реолого-кінетична концепція зносостійкості [19] розглядає абразивне руйнування як послідов- ність актів відокремлення частинок зносу металу, що утворюються у результаті перетину бокових гори- зонтальних тріщин з вертикальними клиноподібними тріщинами. Бокові тріщини зароджуються на ме- жах пластичних зон у вершинах вертикальних тріщин під дією результуючих напружень, які одержують- ся суперпозицією полів головних та залишкових напружень. Критерієм опору зародженню бокових трі- щин визначено реологічний параметр R. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 27 Поширення вказаних тріщин відбувається у горизонтальній площині під дією поля залишкових напружень розтягу після розвантаження металу. Згідно теорії зносостійкості, що запропонована в роботі [1] значне підвищення твердості металевих матеріалів після наклепу повинно супроводжуватись підви- щенням їх зносостійкості. Насправді ж у випадку, що розглядається цього не спостерігається і зносостій- кість сталі з підвищенням твердості по мірі збільшення ступеня її обтискування не лише не підвищуєть- ся, але навіть незначно знижується (табл.1). Для пояснення вказаного ефекту триботехнічним досліджен- ням передувала оцінка питомого об’єму і підповерхневих залишкових напружень після зміцнення холод- ним деформуванням. За результатами вимірювання (рис.2) встановлено зростання питомого об’єму сталі при всіх ступенях обтискування, що свідчить про інтенсивне розкриття вертикальних тріщин, а, отже збільшення їх довжини. Рис. 2 – Залежність питомого об’єму ΔV/V сталі 40Х від ступеня обтискування λ Рис. 3 – Залежність залишкових напружень σзал сталі 40Х від ступеня обтискування λ Оцінка залишкових напружень розтягу біля деформованих зон показала (рис. 3) їх поступове зростання по мірі збільшення ступеню обтискування сталі. На першому етапі контактної взаємодії (див. вище) відбувається занурення абразивних частинок у поверхню попередньо деформованої сталі. Оскільки міцність останньої при збільшенні ступеню обтис- кування зростає (табл. 1), то глибина занурення частинок у поверхневий шар повинна відповідно змен- шуватись. Формування та відокремлення частинок зносу відбувається на другому етапі контактної взає- модії – поступального руху абразивних частинок робочою поверхнею. У зв’язку з цим висловлено при- пущення [2], щодо існування зв’язку між зносостійкістю та механічними характеристиками, які визнача- ють міцність сталі на цьому етапі. На підставі аналізу результатів дослідження сталей різних структурних класів попередньо зміц- нених термічною обробкою дійшли висновку [2], що головна роль у забезпеченні зносостійкості нале- жить границі міцності σв. Однак автори зазначеної праці чомусь не звернули увагу на той факт, що за їх власними даними аналогічно до границі міцності σв зміцнюється також границя текучості σт і твердість HRC сталей. На додаток до цього, результати нашого дослідження [18] показали, що, окрім усіх цих ха- рактеристик зі зносостійкістю тісно корелює реологічний параметр R. Отже, вивчення впливу лише од- ного фактору – термічної обробки не дозволяє однозначно встановити міцні сну характеристику, яка ко- релює абразивну зносостійкість сталі. Для обгрунтованішої відповіді на це питання необхідно вивчити особливості впливу інших факторів, зокрема, фактору, обробки сталі холодним деформуванням, який за- лишився поза увагою авторів праці [2]. Результати вивчення впливу цього фактору, що представлені у даній роботі (табл. 1, 2) не підтверджують наявність кореляції зносостійкості ε не лише з твердістю НВ, але також з границею міцності σв, тоді, як з реологічним параметром Rз зазначений зв'язок простежуєть- ся. Таким чином першою причиною відсутності впливу наклепу на абразивну зносостійкість може бути те, що вказана обробка не змінює опір зародженню бокових тріщин на межах пластичних зон, завдяки незмінності результуючих напружень. Друга причина – зміна структури результуючих напружень за ра- хунок перерозподілу внесків їх складових: зменшення внеску головних напружень і відповідного зрос- тання внеску залишкових напружень (рис. 3), що спричинено зменшенням глибини занурення абразив- них частинок у зміцнену поверхню. Унаслідок цього бокові тріщини зароджуються пізніше, ніж у незмі- цненій поверхні, але поширюються вони швидше. Тому час, що витрачається на відокремлення частинок зносу від зміцненої поверхні не повинен істотно відрізнятись у порівнянні з незміцненою поверхнею. Третя причина складається у практично однаковій товщині частинок зносу зміцненої і незміцне- ної поверхні, оскільки після обробки холодним деформуванням збільшення довжини вихідних тріщин PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Абразивна зносостійкість холоднодеформованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 28 (рис. 2) супроводжується одночасним зменшенням розмірів відповідних пластичних зон (табл.2), завдяки чому сумарні розміри тріщин і прилеглих до них деформованих зон залишаються практично однаковими. Висновки У результаті цієї роботи встановлено таке: 1. Величина реологічного параметру Rз так саме як зносостійкість ε сталі не залежить від зміц- нення холодним деформуванням. 2. Ефект відсутності впливу холодного деформування на абразивну зносостійкість сталі доцільно інтерпретувати на підґрунті реолого-кінетичної концепції. 3. Після обробки холодним деформуванням зносостійкість сталі практично не змінюється унас- лідок незмінності: а) опору зародженню бокових тріщин; б) часу відокремлення частинок зносу від пове- рхні; в) товщини частинок зносу. Література 1. Исследование изнашивания металлов: (Монография)/ М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. – М.: АН СССР, 1960. – 351 с. – Библиогр.: с. 337-342. 2. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов /М. Недра, 2000 – 316с. –Библиограф: с. 314-315 3. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. / М.: Наука, 1970. – 247 с. – Библиогр.: С. 237-245. 4. Михайличенко Т.А., Синявский А.Ф. Структурные аспекты абразивной износостойкости изо- термически закаленной стали // Изв. ВУЗов Черн. металлургия. – 1964 – № 4. – С. 23-25. 5. Eyre T.S. Wear resistans of metals // Treatise of Mater. Sci and Technol. – 1979. –V.13. – P. 363 - 442. 6. Misra A. Correlation between two – body and three – body abrasion and erosion of metals // Wear. – 1981. – V68, $ 1 – P. 33-39. 7. Либерман Э.Н. Влияние структуры на износостойкость низколегированной стали // МиТОМ. – 1964. – № 11. – С. 37-39. 8. Гриднев В.Н. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали / В.Н. Гриднев, В.Г. Гаврилюк, Ю.Я. Мешков: – К.: Наукова думка, 1974. – 230 с.; ил., табл.. – Библиограф. – С. 210-222. 9. Батаев А.А., Батаев В.А., Тушинский Л.И. и др.. Влияние гетерофазной структуры на характер поверхносного разрушения сталей // Изв. ВУЗов Черн. Металургия – 1999. – № 7. – С. 47-50. 10. Савицкий К.В. Влияние наклепа на износ металлов // Труди Сиб. Физико-технич. ин-та. – 1947. Вып. 24. – С. 21-27. 11. Кащеев В.Н. Износ стали при трении о личной напильник и твердость по методу царапания в зависимости от наклепа // Труды Сиб. Физико-технич. ин-та. – 1948 – Вып. 26. – С. 40-48. 12. Лаврентьев А.И. К вопросу о независимости абразивного изнашивания от наклепа // Трение и износ. – 1986. Т.7. – № 4. – С. 654-660. 13. De Gee A.W.J.Verschleib und Verschleibprufung //Zeitschriftfur Werkstofftehnik. – 1972. – Bd.3, №2. – S. 58-64. 14. Richardson R.C.D. The wear of metals by relatively soft abrasive //Wear. – 1968. – Vol.11, №2. – Р. 245-275. 15. Богомолов Н.И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла: Автореф. дис. доктора техн. наук / КИИГА. – К.: 1967. – 46 с. 16. Виноградов В.Н., Ливиниц Л.С., Левин С.М. и др. Критерий стойкости стали при абразивном и ударно-абразивном изнашивании // Трение и износ. – 1988. – Т 9, № 2. –С. 207-211. 17. Избранные труды: В 2-х т. – Т.1 Динамическая прочность и хрупкость металлов /Н.Н. Дави- денков. – К.: Наукова думка. 1981. – 704 с. 18. Дворук В.І., Герасимова О.В. Вплив структурного стану на абразивне руйнування сталі // Проблеми тертя та зношування: Зб. наук праць. – К., 2007.- Вип. 47. – С. 82-94. 19. 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. 20. Swain M.V. A note the residual stress about a pointed indentation impression in a brittle solid // J. Mater. Sci. – 1976. V.11, N12. – P. 2345-2348. Надійшла 10.05.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com