Прогнозирование относительной абразивной износостойкости на основе механических и термодинамических свойств металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование относительной абразивной износостойкости на основе механических и термодинамических свойств металлов

Абразивное изнашивание является главным фактором, ограничивающим срок службы машин различного назначения, в том числе сельскохозяйственных, строительных и других. Быстрый износ деталей сельхозмашин помимо затрат средств на их ремонт и изготовление запасных частей вызывает также большой простой сельхозтехники, что в период уборки урожая приводит к большим финансовым потерям.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что повышение износостойкости деталей сельскохозяйственных машин является важной научно-хозяйственной проблемой. М.М. Хрущов и М.А. Бабичев предлагают относительную износостойкость е для технически чистых металлов и сталей в отожжённом состоянии определять по формуле [1]

абразивный изнашивание металл сталь

где b - коэффициент пропорциональности; H - твёрдость материала.

Для конструкционных и некоторых инструментальных углеродистых и легированных сталей, испытанных в состоянии после закалки и отпуска, относительную износостойкость предложено определять по соотношению [1]

_о + b^' (H_уп - H_о),

где _о - относительная износостойкость стали в отожжённом состоянии; b^' - коэффициент, имеющий разную величину для сталей различного химического состава; H_о - твёрдость стали в отожжённом состоянии; H_уп - твёрдость стали после упрочнения.

В.Н. Кащеевым относительную износостойкость е металлов предлагается рассчитывать по модулю упругости Е [2]:

Все рассмотренные методы прогнозирования базируются на одном физико-механическом параметре материала, что приводит к разным значениям относительной износостойкости при одинаковой твёрдости. Так, у разных марок сталей, имеющих одинаковую твёрдость HV 6000 МПа, относительная износостойкость при абразивном трении (а следовательно, и износ) отличается в 2-3 раза (рис. 1).

Для решения этой проблемы был разработан расчетно-аналитический метод прогнозирования относительной износостойкости сталей при абразивном трении на основе механико-термодинамического подхода к процессу разрушения твердых тел, который базируется на термодинамическом критерии разрушения U_*, равном энтальпии плавления материала Н_S [3-5]:

U_* = U_o + ДU_i = U_eo + U_{Т o} + ДU_еi + ДU_Тi = Н_S = Const, (1)

где U_o - начальный уровень внутренней энергии; ДU_i - приращение внутренней энергии в процессе абразивного трения; U_eo, U_То - начальный уровень скрытой и тепловой составляющих внутренней энергии; ДU _еi, ДU_Тi - изменение скрытой и тепловой составляющих внутренней энергии в процессе трения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Зависимость относительной износостойкости материалов от твёрдости при трении о закреплённые абразивные частицы [1]

Относительная износостойкость е на основе механико-термодинамического подхода определяется соотношением, записанным в виде формулы (1).

Механико-термодинамический подход к разрушению сталей разных марок заключается в том, что материал образцов в процессе трения разрушается при накапливании внутренней энергии, равной величине ДU_i (в интервале напряжений от физического предела текучести у_Т до истинного предела прочности S_к). Учитывая приведённое условие разрушения, соотношения для расчёта коэффициентов относительного износа образцов К_еп и К_еэ можно записать в виде формул (3) и(4).

(2)

где К_еп - коэффициент относительного износа испытуемого образца; К_еэ - коэффициент относительного износа эталонного образца.

(3)

(4)

С учетом полученных соотношений (3) и (4) формула (2) преобразуется и записывается в виде уравнения, которое позволяет теоретически прогнозировать относительную абразивную износостойкость на основе механических и термодинамических свойств материала:

 (5)

Значения физического предела текучести у_Т и истинного предела прочности S_к для конкретной марки стали выбираются по справочнику. Величина критической плотности внутренней энергии U_* для сталей принимается равной энтальпии плавления Н_S = 10 Дж/мм³.

Начальный уровень плотности скрытой энергии U_eo рассчитывается по твёрдости образцов HV_o:

U_{eo =} 85•10^-5HV_o.

Начальный уровень тепловой составляющей внутренней энергии U_То определяется с учётом температуры окружающей среды Т_i и теплоёмкости стали С_V:

U_То = C_VТ_i.

Для проверки полученных теоретических положений были проведены экспериментальные исследования на машине трения МИ-1М. В качестве образцов использовались колодки шириной b = 12 мм, высотой h = 12 мм, длиной L = 22 мм. Материал и твёрдость образцов выбирались аналогичные тем, на которых проводили экспериментальные исследования М.М. Хрущов и М.А. Бабичев: сталь 35 (HV 1800 МПа), сталь 40 (HV 2000 МПа, HV 6000 МПа), инструментальная сталь У8 (HV 2200 МПа, HV 6000 МПа), инструментальная сталь У12 (HV 3200 МПа, HV 6000 МПа). Для получения заданной твёрдости образцы подвергались соответствующей термообработке. Разброс величин твёрдости после термообработки составил от 3 до 8% от заданной. В качестве контртела использовался алмазный круг АСО 125/100 100% М1. Замер образцов после остановки машины трения осуществлялся с помощью микрометра с точностью 0,001 мм через час после начала эксперимента. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) применялось индустриальное масло марки 20А (ГОСТ 20799-88). Экспериментальные исследования проводились на следующих режимах: скорость вращения алмазного круга V_к = 1,1 м/с, нагрузка Р = 250 Н. Сопоставление экспериментальных (е_э) и расчётных (е_р) значений относительной износостойкости различных марок сталей при трении о закреплённые абразивные частицы представлено в виде графика на рис. 2. Обозначение материалов аналогично обозначению на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Сопоставление экспериментальных (еэ) и расчётных (ер) значений относительной износостойкости материалов (экспериментальные данные М.М. Хрущова и М.А.Бабичева)

Анализ экспериментальных и расчётных значений относительной износостойкости сталей при трении о закреплённые абразивные частицы показал их хорошее совпадение (коэффициент корреляции составил r_k = 0,89), что свидетельствует о глубокой взаимосвязи между закономерностями износа и механико-термодинамическими характеристиками металлических материалов типа сталей, описываемой формулой (5).

Разработанный расчётно-аналитический метод прогнозирования относительной износостойкости сталей при абразивном трении позволяет увеличивать долговечность и надёжность эксплуатации деталей различных машин и механизмов, особенно почвообрабатывающих, без проведения длительных экспериментальных исследований, что значительно сэкономит на производстве материальные и финансовые затраты.

Список литературы

1. Хрущов, М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. - М.: Наука, 1970. - 252 с.

2. Кащеев, В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов / В.Н. Кащеев. - М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

3. Хачатурьян, С.В. Методика экспериментальных исследований энергетического баланса процесса изнашивания металлов при внешнем трении / С.В. Хачатурьян, В.Я. Коршунов, В.В. Фёдоров // Заводская лаборатория. - 1977. - №7. - С. 892. - 895.

4. Хачатурьян, С.В. Экспериментальные исследования взаимной связи закономерностей износа металлов с энергетическими характеристиками процесса внешнего трения / С.В. Хачатурьян, В.Я. Коршунов, В.В. Фёдоров // Теория трения, износа и смазки: тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Ташкент, 1975. - Ч. 1. - С. 170. - 172.

5. Фёдоров, В.В. Исследование взаимной связи износостойкости и долговечности подшипниковых материалов с энергетическими характеристиками процесса трения скольжения / В.В. Фёдоров, В.Я. Коршунов, С.В. Хачатурьян.

Размещено на Allbest.ru