4.2 Матеріалознавчі параметри трибосистеми

Процеси, які супроводжують тертя і знос, в значній мірі впливають на матеріалознавчі параметри поверхневих шарів сплавів. Багаторазові пружні деформації приводять до виникнення явищ утоми, пластична деформація викликає зміну властивостей, утворення нового структурно-фазового стану матеріалу. Товщина деформованого шару залежить від швидкості відносного переміщення, температури, тиску, розмірів, форми абразиву та ін. Визначення загальних закономірностей впливу всіх параметрів одночасно на даному етапі наукових досліджень дуже складне. Однак виявлення особливостей впливу чинних факторів у конкретних умовах зношування і врахування їх у системі критеріїв матеріалознавчих параметрів сталей і сплавів при їхній розробці забезпечує максимальне наближення до оптимального хімічного складу, структури і властивостей матеріалу.

Аналіз поверхні тертя деталей машин, які працюють в умовах інтенсивного абразивного зношування, яке супроводжується ударним навантаженням та поверхневою деформацією, механоактивацією і іншими зовнішніми силовими впливами дозволяє виявити особливий нерівно ваговий структурно-фазовий стан сплаву зі значною зміною фізико-механічних, дюраметричних, кристалографічних та інших властивостей. В деяких випадках формування таких структурно-фазових станів, на думку частини науковців, не може бути відтворене у рамках звичайної термодинамічної системи і викликає необхідність залучення більш загальної термодинамічної теорії незворотніх процесів. Мова іде про так звані дисипативні структури, які мають тимчасове або просторове упорядкування у деякому інтервалі зовнішніх параметрів у вигляді системної самоорганізації. Принципова можливість появи таких структур при вивченні тертя і зношування зіштовхується з деякими концептуальними проблемами, які не дозволяють знаходитись у рамках загальноприйнятого розуміння синергетики як наукового напрямку. Це пов’язано з тим, що дисипативна структура, в рамках нерівновагової термодинаміки повинна бути просторовою, відкритою, стаціонарною, зворотною, нерівноваговою, без фінальною термодинамічною системою, яка формується в гомогенному середовищі після переходу деякої критичної точки біфуркації – нерівно вагового кінетичного переходу, який супроводжується утворенням нового когерентного стану, який володіє узгодженою взаємодією часток речовини. Однак вивчення абразивного руйнування деталей машин показує, що природа процесів, які відбуваються в поверхневих шарах металів при деформації, пов’язана зі звичайним фазовим переходом, що протікає не доходячи до критичної точки кінетичного переходу до когерентного стану. Крім цього будь-який мікрооб’єм деформованого металу має нестаціонарну, незворотну і тим більше негомогенну структуру, динаміка зношування якої пов’язана з підвищенням ентропії, яке викликане пластичним відтискуванням, передеформуванням, мікрорізанням і в кінцевому підсумку руйнуванням металу.

Таким чином, вказівка деякими науковцями на можливість утворення в сплавах, які піддаються інтенсивному абразивному зношуванню дисипативних структур вимагає, з однієї сторони більш глибокого і комплексного доказу, а з іншої – рішення концептуальних проблем за рахунок розширення і деструктуризації загальної класифікації явищ, які спостерігаються в поверхневих шарах сплавів після значного енергетичного впливу на принципах метастабільних структурно-фазових переходів, які забезпечують дисипацію зовнішньої енергії в рамках квазідисипативної системи.

Концепція визначення матеріалознавчих параметрів оптимального сплаву для роботи в умовах абразивного зношування містить у собі східчасті дослідження, які дозволяють приймати рішення стосовно зносостійкості матеріалів у конкретних умовах експлуатації деталей. Дуже важливим при цьому є вірогідність отриманих експериментальних даних, наявність повної адекватності лабораторних і реальних умов абразивного руйнування.

На погляд багатьох дослідників, такі дослідження доцільно проводити за допомогою стандартних добре вивчених сталей (наприклад, сталь 45, У8, У12, 110М13Л, Х20, Х12, Х12Ф1, Х12М) і сплавів ПП-3Х2В8; ПП-АН105; ЭН-Н60; ПП-АН104; ПП-АН125; ПП-АН101; ЦС-1 «Сормайт»; Т-590; Т-620; ЭН-ИТС-01; КБХ45; ПП-АН170; ЭН180Х12Р4; Реліт Т3; ЭН150Х13Р34 250Х10Р3Ф та ін., на базі яких можливе створення матеріалів з широким структурним рядом (ферит, перліт, аустеніт, мартенсит, проміжні структури, нестабільний залишковий аустеніт) з різною зміцнюючою фазою (карбіди, бориди, борокарбіди, карбобориди, силіциди, інтерметаліди, оксиди і т.п.).

4.3 Математичне планування адаптації сплавів до зовнішніх умов, за рахунок мартенситного перетворення в залежності від хімічного складу.

Математичне планування експерименту спрямоване на створення рівняння регресії по визначенню впливу хімічного складу на зносостійкість сплавів.

При абразивному зношуванні основне значення має властивість матеріалу опиратися впровадженню та переміщенню по поверхні тертя абразивних часток. Цей комплекс характеристик визначається опором металу пружним і пластичним деформаціям. Показовою характеристикою при цьому є агрегатна твердість сплаву, а також твердість його окремих структурних складових, початкових, чи здобутих в процесі спрацьовування.

Тому за параметр оптимізації прийнято відносну зносостійкість ε, твердість наплавленого металу HRC та кількість зміцнюючої фази, %. А в якості основних незалежних факторів було обрано: вміст вуглецю, марганцю та бору в наплавленому металі.

Оптимізація хімічного складу наплавленого металу дозволяє знайти максимальні значення відносної зносостійкості у конкретних умовах зношування.

Рівняння регресії представляють у вигляді поліному:

(4.1)

де b₀, b_1, b₂…b₁₂₃ – вибіркові коефіцієнти регресії, які можна одержати , використовуючи результати реалізованого експерименту.

У той же час, рівняння регресії не дозволяє досліджувати механізм впливу окремих факторів на фізико-механічні властивості сплавів, тому у даному випадку при плануванні експерименту у якості змінних були прийняті такі легуючі елементи, вплив яких на властивості зносостійких матеріалів вивчено, і необхідно встановити тільки їх взаємний вплив на зносостійкість матеріалів, обговорених в умовах абразивного зношування.

Склад наплавлених матеріалів, що випробовувалися, наведено в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 – Склад наплавлених матеріалів і сплавів, що випробовувалися в процесі адаптації до зовнішніх умов.

№	Назва сплаву	Середня масова частка елементів у наплавленому металі, %
		С	Cr	В	Si	Mn
1	ЭН-ИТС-01	3,50	14	0,50	-	-
2	КБХ-45	2,30	14	1,90	-	0,36
3	ЭН Т-620	3,25	14	1,20	2,20	1,10
4	ЭН Т-590	2,75	14	1,50	0,65	1,30
5	ПП-АН104	1,80	14	0,50	3,00	0,60
6	ЭН-180Х14Р3	1,60	14	3,00	-	-
7	ПП-Х12Ф1	1,35	14	0,50	1,93	0,65
8	ПП-АН170	1,00	14	2,70	0,60	0,65

Еталоном була обрана сталь 45 у відпаленому стані.

Відносна зносостійкість даної сталі: ε = 1,00.

У даному випадку планування експерименту відтворено для трьох незалежних змінних на трьох рівнях варіювання. Вибір рівнів та інтервалів варіювання легуючих елементів здійснювався виходячи з результатів апріорної інформації.

Інтервали варіювання та кодування факторів, що впливають на експеримент зображено в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 – Кодування факторів експерименту

Фактори	Кодове позначення	Рівні				Інтервал варіювання		Розмірність
		-1	0	+1
Вуглець (С)	Х1	1,00	2,25	3,50	1,25		%
Бор (В)	Х2	0,5	1,75	3,00	1,25		%
Марганець (Mn)	Х3	0	0,65	1,3	0,65		%

Масова частка хрому у всіх дослідах залишалася постійною і дорівнювала 14%. Це пов’язано з тим, що введення хрому у наплавлений метал необхідно для утворення хромистих карбідів, боридів або карбоборидів, при цьому його вміст в сплаві необхідно обмежити 13-16%, тому що встановлено, що збільшення вмісту хрому понад 15-20% не приводить до істотного підвищення зносостійкості.

Масову частку кремнію ми не стали розглядати як фактори багатокритеріального аналізу тому, що згідно літературним даним вміст кремнію не впливає на температуру початку мартенситного перетворення. А отже цей фактор не є основним.

Нижній рівень легування вуглецем (С) і бором (В) встановили 1,0 і 0,5% відповідно. Більш низький рівень легування цими елементами визначає значне зниження кількості зміцнюючої надлишкової фази або її повну відсутність, викликає необґрунтоване збільшення факторного простору в області сплавів з обумовлено низькою зносостійкістю в умовах абразивного зношування без значних ударних навантажень.

Верхній рівень легування вуглецем обмежили 3,5%. Подальше збільшення вмісту вуглецю у сплавах недоцільно, тому що це приводить до підвищення евтектичності сплавів, збільшення розмірів надлишкової фази, появи у сплавах вільного вуглецю, який розташовується по границях зерен між надлишковою і зміцнюючою фазами і матрицею. Все це викликає значне окрихчення металу та зниження працездатності і зносостійкості. Максимум зносостійкості сплавів системи Fe-C-Cr, легованих бором відповідає концентрації бору 2,5…5%. Так як поточно ставилась задача вивчення питання про можливість зменшення вмісту бору у сплавах системи Fe-C-Cr-В, без зниження їх зносостійкості, то верхній рівень легування бором був обмежений 3,0%.

Вибір інтервалів варіювання марганцем 0…1,3% обумовлений тим, що при вмісті більше 1,5% він стабілізує аустенітну γ-область і значно знижує положення мартенситної точки.

Кількість необхідних дослідів обчислюється за наступною формулою:

(4.2)

де k – кількість факторів;

Кожний дослід був повторений два рази, після чого було знайдено середнє арифметичне значення показників. На основі отриманих даних була складена матриця планування і результатів експерименту. Ці дані наведені у таблиці 4.3.

Таблиця 4.3 – Матриця планування і результати експерименту.

№	Назва сплаву	Х1	Х2	Х3	Y1			Y2				Y3
					1	2	сер		1	2	сер		1	2	сер
1	ЭН-ИТС-01	+	-	-	5,78	6,02	5,90		63	57	60		64	66	65
2	КБХ-45	+	+	-	6,02	6,38	6,20		64	66	65		72	68	70
3	ЭН Т-620	+	-	+	5,74	5,46	5,60		57	53	55		57	53	55
4	ЭН Т-590	+	+	+	5,53	5,27	5,40		53	51	52		51	49	50
5	ПП-АН104	-	-	-	3,82	3,38	3,60		51	49	50		14	16	15
6	ЭН-180Х14Р3	-	+	-	6,93	7,27	7,10		64	62	63		66	64	65
7	ПП-Х12Ф1	-	-	+	2,40	2,10	2,15		42	48	45		14	10	12
8	ПП-АН170	-	+	+	6,63	6,27	6,50		59	63	61		49	51	50

Число ступенів волі визначається за формулою:

(4.3)

де n – кількість дослідів;

Далі необхідно з’ясувати відхилення результатів від середнього арифметичного, тобто повну дисперсію відтворюваності експерименту. Вона характеризує розсіювання результатів дослідів на певному сполученні рівнів факторів і обчислюється за формулою:

(4.4)

де y – значення параметру оптимізації для i-го експерименту,

у_ср – середнє значення параметру оптимізації для і-го експерименту,

f – число ступенів волі.

у – значення параметру оптимізації для і-го експерименту

Якщо порівнювальна кількість дисперсій більша двох і одна дисперсія значно перевищує інші, то для визначення їх однорідності можна скористуватися критерієм Кохрена. Відтворюваність паралельних дослідів обґрунтована, якщо виконується нерівність:

(4.5)

Розрахункове значення критерію Кохрена обчислюється за формулою:

(4.6)

Щоб скласти рівняння регресії, необхідно розрахувати коефіцієнти для кожного з факторів.

Коефіцієнти рівняння регресії розраховуються матричним методом:

(4.7)

де (4.8)

(4.9)

B – матриця коефіцієнтів рівняння регресії

Для простоти відображення, розраховані коефіцієнти наведено в таблиці 4.4.

Таблиця 4.4 – Коефіцієнти для рівнянь регресії

Коефіцієнт	Перше рівняння	Друге рівняння	Третє рівняння
b0	0,695	38,70	-39,250
b1	1,470	5,80	29,50
b2	2,360	7,60	33,50
b3	-2,065	-5,77	3,808
b12	-0,640	-1,66	-9,00
b13	0,546	0,846	-2,846
B23	0,573	3,462	-4,154
b123	-0,208	-1,692	0,308

Перевірку на адекватність рівняння регресії виконується за допомогою критерію Фішера. Адекватність обґрунтовано, якщо справедлива нерівність:

(4.10)

Табличне значення визначається при 5% рівні значущості і при певному ступені волі.

Розрахункове значення критерію Фішера визначається відношенням дисперсії адекватності до повної дисперсії відтворюваності і обчислюється за формулою:

(4.11)

Оцінку дисперсії адекватності розраховували за формулою:

(4.12)

де N – кількість незалежних експериментів;

K – кількість значимих факторів в рівнянні регресії;

– середнє значення параметра оптимізації для і-го досліду;

– і-те значення параметра оптимізації, розраховане за рівнянням;

n – кількість незалежних серій в досліді.

Оцінку значущості коефіцієнтів регресії здійснюється за допомогою критерія Ст’юдента. Коефіцієнт вважається значущим, якщо виконується нерівність:

(4.13)

де t_(0.05;fy) – 5% точка розподілу Ст’юдента з f_y ступенями вільності;

S_y – дисперсія відтворюваності;

n – кількість дослідів.

Після проведення всіх обчислень за зазначеними вище формулами, результати обчислень розрахункових значень параметрів оптимізаціі і статистичної перевірки приведені в таблицях 4.5 і 4.6 відповідно.

Таблиця 4.5 – Результати регресійного аналізу експерименту.

№	Відносна зносостійкість, ɛ			Твердість, HRC				Кількість карбідної фази, %
	Експе-римент	Роз-раху-нок	Відхи-лення, %	Експе-римент	Роз-раху-нок	Відхи-лення, %	Експе-римент		Роз-раху-нок	Відхи-лення, %
1	5,90	5,966	1,1%	60	60,336	0,5%	65		64,772	0,4%
2	6,20	6,087	1,8%	65	64,403	0,9%	70		70,884	1,2%
3	5,60	5,687	1,5%	55	55,459	0,8%	55		54,696	0,5%
4	5,40	5,380	0,3%	52	51,919	0,1%	50		50,058	0,1%
5	3,60	3,442	4,8%	50	52,175	4,3%	15		15,553	3,6%
6	7,10	7,164	0,9%	63	67,334	6,8%	65		64,777	0,3%
7	2,15	2,252	4,7%	45	47,102	4,7%	12		11,477	4,3%
8	6,50	6,476	0,4%	61	63,812	4,6%	50		50,612	1,2%

Таблиця 4.6 – Результати статистичної перевірки рівнянь регресій

Для рівняння	Критерій Кохрена		Критерій Фішера		Довірчий інтервал ±Δbij	Дисперсія
	Gp розр	Gт табл	Fp розр	Fт табл		Адекватно-сті, S2ад	Відтворю-ваності,S2у
ε	0,22	0,68	0,24	5,32	0,21	0,062	0,259
HRC	0,30	0,68	0,74	5,32	24,53	22,41	30,00
K	0,52	0,68	0,07	5,32	13,90	1,238	17,00

Незначущий коефіцієнт при факторі означає, що даний фактор не впливає, або впливає незначно, на параметр оптимізації. Однак на величину коефіцієнту регресії впливає не тільки роль даного фактору, але також обраний інтервал варіювання. Це означає, що при дуже вузьких межах зміна параметру оптимізації може бути дійсно дуже малою. Однак тільки за цим не можна ще робити висновок про те, що фактор є незначущим. Тому статистичний сигнал фактора повинен бути за можливістю перевірений, або хоча б проаналізований з технологічної точки зору.

Таким чином, в результаті обробки результатів матриці планування експерименту після проведення перевірки, внаслідок статичного характеру залежностей, були отримані наступні адекватні рівняння регресії:

(4.14)

де С – масова доля вуглецю, %;

В – масова доля бору, %;

Mn – масова доля марганцю, %;

Аналіз отриманої регресії показує, що вуглець (x₁), бор (x₂) та марганець (x₃) входять в рівнянні зі знаком плюс і викликають підвищення зносостійкості металу, хоча одночасний їх вплив (x₁, x₂, x₃) викликає деяке зниження сплава до опору зношуванню, а також незначне зменшення твердості, і твердості зміцнюючої фази. При розгляданні парних взаємодій вуглець-бор, і вуглець-марганець бачимо, що вони викликають двоякий вплив на зношування сплаву, так як в одному випадку входять в рівняння зі знаком плюс, а в іншому зі знаком мінус. Негативний вплив, напевне, пов’язаний з «конкуренцією» вуглецю, бору, марганцю в підвищенні зносостійкості металу, оскільки при його кристалізації виникають різні процеси як карбідоутворення, так і утворення боридної фази, які напевно можуть подавляти одна іншу.

Для вивчення всьго факторного простору впливу легуючих елементів С, В і Mn на фізико-механічні властивості сплавів були побудовані просторові діаграми (поверхні відгуку) взаємного впливу хімічного складу для відносної зносостійкості ε, твердості металу HRC і кількості карбідної фази К (рис. 4.4 – 4.6).

а) б)

в)

Рисунок 4.4 – Діаграми взаємного впливу хімічного складу для відносної зносостійкості ε (а), твердості металу HRC (б) і кількості карбідної фази К (в) при постійному вмісті бору В=1,75.

а) б)

в)

Рисунок 4.5 – Діаграми взаємного впливу хімічного складу для відносної зносостійкості ε (а), твердості металу HRC (б) і кількості карбідної фази К (в) при постійному вмісті марганцю Mn=0,65.

а) б)

в)

Рисунок 4.6 – Діаграми взаємного впливу хімічного складу для відносної зносостійкості ε (а), твердості металу HRC (б) і кількості карбідної фази К (в) при постійному вмісті вуглецю С=2,5.

Таким чином, результати досліджень випробуваних сплавів за матрицею планування, а також аналіз побудованої математичної регресії показали, що обрані фактори (С, В, Mn) і рівні їх варіювання дозволяють одержати сплави з високою зносостійкістю (ε ≥ 7). Аналіз розрахунків та аналіз перетинів поверхні відгуку показали, що максимальне значення відносної зносостійкості досягається при наступній масовій долі наплавленого металу,%: Сr = 12; C = 1,6; B = 3.

ВИСНОВКИ

Підвищення зносостійкості сталей і сплавів досягається за рахунок збільшення чутливості металу до зміцнення в процесі роботи в абразивному середовищі. Такі матеріали мають метастабільну структуру, яка містить включення карбідів. Проведені дослідження дали можливість розділити сталі за ступенем адаптації до зовнішніх енерго-механічних впливів.

Протікання γ→α перетворень визначається положенням точки початку мартенситних перетворень, положення якого обумовлює виникнення приросту енергії деформації ΔЕ, що у свою чергу підвищує температуру початку мартенситного перетворення з Мн до М´н, тобто спостерігається зниження енергії початку перетворень.

Задача адаптації матеріалів до зовнішніх умов зношування полягає у тому, щоб спрогнозувати вплив зовнішніх умов навантаження у сполученні з процесами γ→α перетворювання, при якому буде досягнутий максимум одержання мартенситу деформації у робочому шарі металу. Також необхідно враховувати утворення нових фаз, які формуються в інтервалі допустимих напружень деформації. Згідно аналізу діаграми, навантаження не повинно перевищувати 25 МПа.

Також було проведено математичне планування зносостійкості сплавів в залежності від хімічного складу. Аналіз розрахунків та аналіз перетинів поверхні відгуку показали, що максимальне значення відносної зносостійкості досягається при наступній масовій долі наплавленого металу,%: Сr = 12; C = 1,6; B = 3.

Таким чином, перспективним напрямком на який вказують ряд дослідників, є розробка матеріалів, які в процесі зношування здатні адаптуватися до умов експлуатації, однак, процес наукових пошуків і доказів цих явищ вимагає більш глибокого вивчення.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. А.П. Гуляев. Термическая обработка стали. – М.: Машгиз, 1960. – 496 с.

2. Б.И. Костецкий. Сопротивление изнашиванию машин. - М.: Машгиз, 1959. – 478 с.

3. В.В. Сагарадзе, А.И. Уваров. Упрочнение аустенитных сталей. - М.: Наука, 1989. – 270 с.

4. М.М. Тененбаум. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. - М.: Машиностроение, 1966. – 332 с.

5. М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. Абразивное изнашивание. - М.: Наука, 1970. – 252 с.

6. Справочник металлиста. В 5-и т. Т.2. Под. ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. М.: Машиностроение, 1976. – 720 с.

7. Бишутин С.Г., Горленко А.О., Матлахов В.П. Износостойкость деталей машин и механизмов Учеб. пособие под ред. С.Г. Бишутина. - Брянск: БГТУ, 2010. - 112 с.

8. Попов В.С. Зносостійкість, сплавів відновлення та зміцнення деталей машин. Навчальний посібник. - Запоріжжя: Вид-во ВАТ «Мотор Січ», 2006.

9. Сильман Г.И., Горленко О.А. Триботехническое материаловедение и триботехнология. Учебник для вузов / Г. И. Сильман, О. А. Горленко. - М.: Машиностроение, 2006. - 348 с.

10. Основы трибологии и триботехники. Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербин В.М. – М.: Машиностроение, 2008. – 206 с.

11. Узлы трения машин. Справочник. Крагельский И.В. – М.: Машиностроение, 2008. – 280 с.

12. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника. Краткий курс. – М.: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2008. - 344 с.

13. Жарков В.Я. Триботехническое материаловедение. Учеб. пособие. - Брянск: БГТУ, 2007. - 159 с.

14. Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербин В.М. Основы трибологии и триботехники. Учеб. пособие. - М: Машиностроение, 2008. - 206 с.

15. Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей. М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

16. Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин. Курс лекций. – Н.: Новгород: ВГАВТ, 2006. – 296 с.

17. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин. В. М. Сорокин, А. С. Курников. – М.: ФГОУ ВПО "ВГАВТ", 2006. – 296.

18. Д.Н. Гаркунов. Триботехника. Конструирование, изготовление и эксплуатация машин. Учебник. 5-е изд. перераб. доп. 2007.

РЕФЕРАТ

ПЗ: 39с., 11 рис., 6 табл., 18 джерел, 25 формул.

Об’єкт розробки – сплав з високим показником зносостійкості в умовах адаптації матеріалів.

Мета роботи – оптимізація хімічного складу наплавленого металу в умовах адаптації матеріалів за рахунок дисипативних та квазідисипативних систем.

Дано хімічний склад сталі. Проведено математичне планування зносостійкості сплавів в залежності від хімічного складу. Розраховано рівняння регресії для трьох параметрів оптимізації.

ДИСИПАЦІЯ, ДИСПЕРСІЯ ВІДТВОРЮВАНОСТІ, ПАРАМЕТР ОПТИМІЗАЦІЇ, СТУПІНЬ ВІЛЬНОСТІ, МАРТЕНСИТ, γ-α ПЕРЕТВОРЕННЯ, ЗНОСОСТІЙКІСТЬ.

АНОТАЦІЯ

Важливою задачею при вивченні процесів мартенситного перетворення є дослідження розподілу витрат енергії, тобто її дисипації, яка здійснює запуск механізмів зношування робочої поверхні деталі, що зношується.

Розглянуто фактори, що впливають на процес γ-α перетворення, проаналізовано вплив напружень та хімічного складу сталі на положення мартенситної точки.

Розглянуто методологію багатокритеріального підходу до аналізу зношування сталей та сплавів і проведено математичне планування зносостійкості сплавів в залежності від хімічного складу.