3 Аналітичне вивчення впливу легуючих елементів на мартенситне перетворення в сталях

З метою збільшення витрат енергії на утворення мартенситу деформації в сплавах при зношуванні, вибір типу легуючих елементів і їхньої кількості варто робити відповідно до їх впливу на температуру початку мартенситних перетворень [4].

Вплив легуючих елементів на величину енергоємності сплавів, яка головним чином пов'язана зі структурними перетвореннями, виявляється головним чином за рахунок зміни точки початку мартенситних перетворень, а також утворення міцних атмосфер з атомів вуглецю на дислокаціях, що виникли при мартенситних перетвореннях [9], що сприяє закріпленню дислокацій і вимагає додаткових витрат енергії на їхнє переміщення при деформації матеріалу абразивними тілами. Деякі елементи підвищують мартенситну точку і зменшують кількість залишкового аустеніту (Al, Co), інші не впливають на неї (Si), але більшість знижують точку мартенситного перетворення і збільшують кількість залишкового аустеніту.

Рисунок 3.1 – вплив вуглецю на температуру початку і кінця мартенситного перетворення.

Рисунок 3.2 – Вплив легуючих елементів на температуру початку мартенситного перетворення (а) та кількість залишкового аустеніту (б) сталей, що містять 1% С.

З діаграми, зображеної на рисунку 3.2, бачимо, що, наприклад, 5% Mn знижує мартенситну точку до 0 °С, значить, при такому (чи більшому) вмісті цього легуючого елемента охолодженням можна зафіксувати аустенітний стан.

Якщо у складі сталі одночасно присутні декілька легуючих елементів, то діаграми ізотермічних перетворень можуть суттєво відрізнятися як за ступенем стійкості аустеніта, так і за зовнішнім виглядом, від тих, що спостерігаються у випадку легування тільки одним елементом.

Тобто цей вплив треба визначати експериментально.

4. Багатокритеріальний аналіз адаптації матеріала до зовнішніх умов, за рахунок мартенситного перетворення

4.1 Методологія багатокритеріального підходу до аналізу зношування сталей та сплавів.

Процес зношування охоплює сукупність складних явищ, що відбуваються при взаємодії поверхневих шарів металу зі зношуючим середовищем у визначених конкретних, специфічних умовах експлуатації. Усі компоненти цього процесу, що включають і метал, і зношуюче середовище та зовнішні умови, за якими зношування відбувається взаємозалежні і кожний з них окремо і у взаємодії з іншими факторами впливає на кінцевий результат – процес зношування та величину зносу.

Тому дуже важливо знайти методичні шляхи оптимізації цих параметрів, які забезпечують отримання найменшої величини зносу та збільшення терміну служби, як окремих деталей, так і машин і апаратів у цілому.

Підставою до такого підходу є розгляд зносостійкості з урахуванням комплексної трибосистеми: матеріал – умови зношування – зношуюче середовище (рис. 4.1), вивчення якої має самостійне значення, оскільки уточнює предметні уявлення про зносостійкість і розширює базу знань у цій предметній площині.

1. Зношуюче

середовище

1. Характеристика абразивного матеріалу.

2. Розмір і форма абразивних зерен.

3. Механічні властивості абразивів.

4. Супутнє середовище.

2. Зовнішні умови

зношування

1. Температура.

2. Тиск.

3. Характер застосування навантаження.

4. Ступінь корозійного впливу.

5. Швидкість відносного переміщення.

1. Хімічний склад.

2. Структура матриці сплавів.

3. Здатність до утворення мартенситу деформації

у процесі експлуатації.

4. Зміцнююча фаза.

5. Фізико-механічні, дюраметричні, корозійні

властивості.

3. Зносостійкий

сплав

Рисунок 4.1 – Структурна схема залежності зносостійкості сплавів від чинників зношування.

Окремі наукові розробки, проведені до теперішнього часу не можуть вирішити проблеми трибології у вигляді узагальненої структурної системи, оскільки виконувалися з різними методичними підходами. Тому виявити загальні закономірності, які враховують зносостійкість сталей та сплавів в залежності від конкретних умов абразивної руйнації усієї гами матеріалів, які мають різні фізико-механічні властивості, структурно-фазовий стан, хімічний склад є дуже складною, трудомісткою, але вкрай актуальною проблемою науки і практики трибоматеріалознавства. Нижче подано аналіз загальних закономірностей зношування сталей і сплавів у різних умовах експлуатації і застосування цих знань до конкретних обставин спрацьовування обладнання.

Пропонований підхід до дослідження зносостійкості матеріалів ґрунтується на комплексній єдиній системі:зношуюче середовище – умови зношування – зношуючий матеріал (рис. 4.2).

Зносостійкі деталі машин

Зносостійкий сплав (матеріал)

Триботехнічні параметри зношування

Експлуатаційні параметри зношування деталей машин (сплавів)

Металознавчі параметри сплаву

Економічні параметри підвищення зносостійкості і терміну служби деталей машин

Технологічні параметри виготовлення і обробки сплаву

Рисунок 4.2 – Загальна структурна схема багатокритеріального підходу при розробці зносостійких сплавів деталей машин.

На відміну від відомих методів, які стосуються тієї чи іншої спрощеної схеми трибосистеми, багатокритеріальний підхід дає можливість врахувати все необхідні параметри фізичної моделі, при якій буде зведений до мінімуму діапазон допущень. Розглянуті в комплексі основні параметри зношування дозволяють при різних початкових умовах отримати сукупність окремих рішень багатофакторної системи тертя и зношування.

Пропонований підхід до вивчення зносостійкості має важливе методологічне значення, оскільки дозволяє досліджувати взаємозв’язок всіх компонентів в єдиній системі, уточнює предметні уявлення про зношування, дає можливість виявити закономірності у зміні зносостійкості, а також виробити принципи створення нових високо зносостійких матеріалів на основі аналізу системи: середовище – умови експлуатації – зносостійкий матеріал.

Багатокритеріальний підхід при вивченні зношування сталей і сплавів базується на системному факторному аналізі (рис. 4.3), який вивчає систему на принципі початкової факторної диференціації і кінцевої системної критеріальної інтеграції.

Трибосистема

Зносостійкість матеріалу

Технологічність процесу

Вибір критеріїв

Надійність деталі

Економ. доцільність

Факторна критеріальна диференціація

Метало-знавчі параметри

Триботех-нічні параметри

Техніко-експлуата-ційні параметри

Економічні параметри

Техноло-гічні параметри

Параметричний аналіз

Критеріальна параметрична інтеграція

Рисунок 4.3 – Структурна схема багатокритеріального системного факторного аналізу трибосистеми.

Це означає, що на першому етапі аналізу кожної із систем, які включають металознавчі, триботехнічні, технологічні, експлуатаційні, економічні параметри відбувається їх диференціація і вибір основних критеріїв, які в максимальному ступені визначають процес руйнування металу у даному конкретному випадку експлуатації деталей. Обрані критеріальні чинники для аналізу з різних систем інтегруються на основі багатокритеріальних східчастих методів планування та обробки експерименту зі складанням математичних моделей. Побудовані рівняння регресії обробляються відомими методами багатомірної оптимізації, що дозволяє одержати оптимальні значення параметрів для створення і експлуатації зносостійкого сплаву.