Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения склонности к преждевременному разрушению твердых сплавов, используемых в качестве упрочняющих наплавок рабочих органов сельскохозяйственных машин

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, и может быть использовано для прогноза риска преждевременного разрушения (трещиностойкости) при эксплуатации твердых сплавов (на железной, никелевой основе и с добавками вольфрама), используемых в качестве упрочняющих наплавок рабочих органов сельскохозяйственных машин, по строению его структуры.

Известен способ определения склонности к разрушению твердых сплавов, керамики, например, метод индентирования, когда по измерению длин трещин, образующихся в углах отпечатка индентора, вычисляют значения коэффициентов вязкости разрушения (трещиностойкости) материалов /Методы измерения микротвердости и трещиностойкости наноструктурных керамик. Учебное пособие / О.Л. Хасанов, В.К. Струц, В.М. Соколов и др. Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2011. - 101 с./.

Недостатком известного метода является отсутствие трещин, образующихся из-за внедрения индентора в твердые сплавы (на железной, в т.ч. с добавками вольфрама и на никелевой основах) вследствие их более низкой твердости (твердость керамики и закаленной стали 82-87 и 55-68 HRC соответственно) и хрупкости.

Известен способ классического определения трещиностойкости при испытании образцов с предварительно наведенной усталостной трещиной (критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации K_IC) в соответствии с ГОСТ 25.506.

Недостатком известного метода является то, что он предполагает испытание образцов, минимальный размер которых должен быть не менее 10 мм, (например, образец - тип 4), что существенно больше толщин наплавок для рабочих органов сельскохозяйственных машин - от 0,6 до 4,0 мм.

Возможен также метод ранжировки трещиностойкости сталей и сплавов по вязкости на основе измерения доли вязкой составляющей в их структуре или изломах /Сталь на рубеже столетий. / Под ред. Ю.С. Карабасова. - М.: МИСиС. 2001. - 664 с./, где сплавам с большей долей вязкой составляющей в структуре соответствует большая сопротивляемость разрушению.

Недостатком этого метода является то, что в нем не учитывается влияние морфологии такой структурной составляющей на разрушение, поэтому часто можно получить противоречивые результаты, например, при одинаковой доле такой составляющей в структуре (или изломе) склонность металла к хрупкому разрушению может существенно отличаться и наоборот /Кудря А.В., Никулин С.А., Николаев Ю.А. и др. // Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2009. - №9. - С. 23-28/.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности оценки склонности к преждевременному разрушению (трещиностойкости) твердых сплавов по измерению геометрии строения их структур при обеспечении объективности прогноза, его привязки к структуре. Предлагаемое техническое решение позволит объективно определить критические параметры структуры, лимитирующие уровень свойств твердых сплавов, обосновать оптимальную конфигурацию структур новых твердых сплавов, что в целом должно способствовать повышению эксплуатационных и ресурсных характеристик быстроизнашиваемых деталей сельхозмашин в 1,8…2,7 раз. Реализация такого решения стала возможной только в настоящее время в связи с развитием средств цифровой регистрации изображений и появлением соответствующих программных продуктов, обеспечивающих быстрые, документированные и состоятельные измерения изображений в материаловедении, при необходимости в масштабах образца или изделия.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ определения склонности к разрушению (трещиностойкости) твердых сплавов, используемых в качестве упрочняющих наплавок рабочих органов сельскохозяйственных машин, включает определение сопротивляемости сплавов разрушению по величине предельной степени деформации ε квазивязких прослоек, расположенных между хрупкими составляющими в структуре твердых сплавов в соответствии с выражением

где, k_T и k_B - коэффициенты Холла-Петча для напряжения течения и разрушающего напряжения соответственно,

В - коэффициент деформационного упрочнения,

σ_B0; σ_T0 - предел прочности и текучести прослоек,

h - максимальная толщина прослойки.

При этом максимальную толщину прослойки h, соответствующую доле предельно деформированных прослоек р=0,16-0,34, при которой они образуют сплошной каркас в наплавке и начинается разрушение, определяют измеряя толщины прослоек в структуре и из обратной функции гамма-распределения значений их толщин вычисляют величину обратной функции . При заданном значении коэффициента асимметрии распределения толщин и доле деформированных прослоек р, определяют величину критической деформации ε, после достижения которой начнется разрушение наплавки.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан пример структуры износостойкой наплавки со случайным распределением упрочняющей фазы в матрице, на фиг. 2 показана зависимость критической деформации вязких прослоек от их средней толщины, на фиг. 3 показана зависимость критической деформации вязких прослоек от коэффициента асимметрии распределения по толщинам.

В используемых для упрочнения деталей сельскохозяйственных машин, твердых сплавах на железной основе, в т.ч. с добавками карбида вольфрама (до 30-45% масс), на никелевой основе (типа ПГ-ФБХ-6-2, ПР-Х30РНДЮ, ПР-Х4ГСР, ПГ-ФБХ-6-2 (68%) + WC (30%) + Al (2%) и ПР-НХ17СР4 (60%) + WC (40%) есть несколько видов структурных составляющих, лимитирующих уровень свойств наплавок (износостойкость и сопротивляемость разрушению). Это, в первую очередь, карбиды различной при-роды, бориды, дендриты, нитриды.

В типичной структуре износостойких наплавок относительно мягкая, пластичная матрица обволакивает случайным образом распределенные упрочняющие частицы (фиг. 1). При силовом контакте наплавки с абразивными частицами почвы последовательная пластическая деформация одних и тех же объемов металла приводит к износу наплавок. Наклеп, вызванный многократной пластической деформацией, приводит к достижению предела прочности матрицы в локальных объемах, после чего начинается ее разрушение.

С ростом количества упрочняющей составляющей в структуре твердых сплавов увеличивается их износостойкость и одновременно повышается вероятность отслоения (разрушения) достигших предела прочности прослоек матрицы. Из этого следует, что как износостойкость, так и сопротивляемость твердого сплава разрушению будут определяться совместным влиянием размеров упрочняющих частиц и межчастичным расстоянием между ними, с учетом вероятностного характера распределения которого, объективнее всего его возможно описать с использованием статистических характеристик.

Первый параметр прямо связан с объемной долей твердой фазы. Второй - коэффициент асимметрии g, оценивает отклонение от симметричности в распределении характеристик геометрии структуры (g=0 для симметричного, например нормального распределения).

В качестве универсального описания асимметричного распределения (значений толщин h вязких прослоек в данном случае) обычно используется гамма-распределение с плотностью вероятности

где Г(b) - гамма-функция Эйлера,

λ - масштабный фактор,

Параметр b распределения (1) - параметр формы. С его увеличением симметрия распределения возрастает, а коэффициент асимметрии уменьшается.

Псевдовязкие прослойки расположенные вокруг твердых частиц упрочняющей фазы ведут себя подобно тонким металлическим пленкам, прочностные параметры которых - предел текучести σ_T(h) и предел прочности σ_B(h) - зависят от их толщины h по закону, аналогичному закону Холла-Петча, где размер зерна d заменен толщиной пленки h. Уменьшение толщины прослойки приведет к увеличению напряжения течения и разрушающего напряжения и снижению пластичности. Деформация прослойки будет способствовать наклепу и их деформационному упрочнению. В результате деформации величиной ε напряжение течения прослойки толщиной h σ_T(ε,h) будет соответствовать выражению

где σ_T(h) - начальный предел текучести прослойки толщиной h,

В - коэффициент деформационного упрочнения.

Когда вследствие деформационного упрочнения напряжение течения в прослойке h достигнет предела прочности и ограничит в ней дальнейшую пластическую деформацию, произойдет разрушение прослойки. Отсюда приравняв напряжение течения (2) к пределу прочности, с учетом известных соотношений Холла-Петча можно получить условие предельно возможной деформации вязкой прослойки толщиной h, при достижении которой начнется ее разрушение:

или

где k_T и k_B - коэффициенты Холла-Петча для напряжения течения и разрушающего напряжения соответственно.

Когда предельная степень деформации (3) будет достигнута в некоторой доле р прослоек (начиная с самых тонких), начнется разрушение твердо-сплавной наплавки в целом. Достигшие предельной деформации бывшие вязкие прослойки становятся элементами своеобразного недеформируемого каркаса. Перколяционные модели оценивают долю р, при которой из отдельных элементов (в данном случае вязких прослоек) образуется сплошной каркас р=0,16-034 в зависимости от степени взаимного перекрытия образующих каркас объемов. Как правило для дальнейших расчетов можно ограничиться средним значением р=0,25.

Максимальную толщину прослойки h, соответствующую доле предельно деформированных прослоек р=0,25, можно определить из обратной функции гамма-распределения , вычисляя величину обратной функции , при заданном значении параметра формы b, определяемого с учетом значений коэффициента асимметрии распределения и р=0,25. После подстановки полученной величины h в уравнение (3), можно определить величину критической деформации ε, после которой начнется разрушение наплавки с заданным распределением толщин вязких прослоек.

Таким образом, по измерениям толщин квазивязких прослоек в структуре твердых сплавов, например, средствами цифровой световой микроскопии, и коэффициента асимметрии их распределения можно прогнозировать масштаб критической деформации, предшествующей разрушению твердых сплавов в наплавках (при отладке технологии наплавления, разработке новых сплавов, аттестации качества наплавок).

Пример реализации предложенного способа.

В качестве объекта исследования использовали твердые сплавы ПГ-ФБХ-6-2, ПР-Х30РНДЮ, ПР-Х4ГСР и ПГ-ФБХ-6-2 (68%) + WC (30%) + Al (2%), далее 1, 2, 3 и 4 соответственно. Твердосплавные покрытия были нанесены на металлическую основу (листовая сталь 30ХГСА) способом плазменной дуговой наплавки /Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой М.: Колос, 1993, 195 с./.

Измерение микроструктур твердых сплавов проводили на оптическом микроскопе Axio Observer D1m Carl Zeiss при увеличении до 1000 крат. Фрактографический анализ - с использованием сканирующего электронного микроскопа VEGA 3 SBH производства TESCAN с микроанализатором EasyEDX производства Bruker.

Статистика измерений толщин псевдовязких прослоек в структуре исследуемых твердых сплавов представлена в табл.

Для расчетов были приняты типичные значения параметров, фигурирующих в условии (3): σ_B0-σ_T0=300 МПа, k_T-k_B=5 МПа×мм^1/2, коэффициент деформационного упрочнения , где модуль сдвига железа G=80 Гпа /Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. II. Деформация. - М.: МИСиС, 1997. - 527 с./.

Варьирование вида кривой гамма-распределения проводили за счет изменения параметра формы b в пределах от 1 до 10, и соответствующего изменения коэффициента асимметрии g от 2 до 0,632. Рассматривали два возможных варианта, сначала при неизменном значении параметра формы b, изменяли масштабный фактор λ и среднюю толщину прослойки . Во втором, средняя толщина оставалась постоянной, а изменялся параметр формы b.

Установлено (фиг. 2), что критическая деформация ε, как мера сопротивляемости твердого сплава разрушению, возрастает по мере увеличения средней толщины прослоек (в масштабах их размеров по результатам прямого измерения в структуре исследуемых серийных твердых сплавов). При разных коэффициентах асимметрии зависимости ведут себя подобно, т.е. характер изменения слабо зависит от вида распределения прослоек по толщинам.

При неизменной средней толщине вязкой прослойки критическая деформация до разрушения наплавки может изменяться в несколько раз только за счет изменения асимметрии распределения прослоек по толщине (фиг. 3).

Таким образом, полученные результаты показывают, что соотношение значений средней толщины вязких прослоек матрицы твердого сплава и коэффициента асимметрии их распределения (по толщинам) соответствует определенной величине предельной степени деформации ε квазивязких прослоек, которая характеризует уровень сопротивляемости упрочняющих наплавок разрушению.

Сопротивление разрушению наплавок, как и других материалов, находит свое отражение в строении их изломов. Присутствие в структуре твердых сплавов упрочняющих составляющих, разделенных относительно вязкой средой, в процессе развития разрушения сопровождается сохранением перемычек позади фронта трещины (останцев, или мостов). Это делает возможным их изгиб, срез, вытяжку шейки вместо упругого растяжения (и сопутствующего хрупкого разрушения). В хрупких сплавах такие мосты, занимая небольшую долю площади излома, вносят наибольший вклад в общую работу разрушения.

В нашем случае мосты на поверхности разрушения твердых сплавов были выделены на основе сопоставления интенсивности яркости изображений элементов изломов наплавок, разрушенных в лабораторных условиях, (в 256 оттенках серого) и их геометрии с использованием разработанных компьютеризированных процедур. Показано, что для исследуемых сплавов (1-4) соотношение объемной доли мостов (%) в изломе 16:7:12:10. При практически одинаковой доле квазивязких прослоек в структуре (48-51%) соотношение средних значений их толщин h для сплавов (1-4) - 1,8:0,8:1,5:1,2 (см. табл.); уровень коэффициента асимметрии g (распределения значений толщин) варьировался достаточно в узком интервале значений от 2,47 до 2,74 (некоторое исключение составил сплав 1, но в его разрушении существенную роль играли также аномально крупные карбиды игольчатой формы длиной до 300 мкм), что с точки зрения классической статистики можно считать несущественным. При постоянном значении коэффициента асимметрии различие в средних значениях толщин квазивязких прослоек и определило вариацию сопротивляемости разрушению твердых сплавов.

Такая связь морфологии структур и изломов подтверждает возможность сопоставления риска преждевременного разрушения существующих, разрабатываемых твердых сплавов при эксплуатации - по измерению геометрических характеристик их структуры.