Введение к работе
Актуальность работы.
Разрабатываемые и изготавливаемые на предприятиях отрасли
машины специального назначения содержат большое число узлов
трения, ресурс долговечности которых предопределяется выходом из
строя изнашивающихся в условиях трения скольжения, газовой эрозии
и ударных нагрузок деталей. Последние в соответствии с
существующими технологическими рекомендациями изготавливаются
из конструкционных теплостойких сталей, упрочняемых
традиционными способами термической обработки часто с последующим гальваническим хромированием. В связи с этим перспектива применения методов термодиффузионного упрочнения является несомненно заслуживающей пристального внимания.
Работоспособность трущихся упрочненных деталей стрелково -пушечного вооружения (СПВ) определяется контактноусталостной долговечностью покрытий и безопасностью нижележащего гетерогенного по структуре подслоя материала. Надежность последнего может быть связана с возникновением внезапных отказов, обусловленных усталостными процессами в связи с распространением трещины. Для диффузионных слоев, таким образом, весьма важной является задача кинетического исследования роста усталостной трещины, в связи с их реальной структурой с учетом степени гетерогенности и фазового состава.
Работами, проведенными некоторыми научными школами в направлении повышения долговечности элементов узлов трения машин, доказана перспективность внедрения такого низкотемпературного способа ХТО как никотрирование. Оценка ресурса никотрированных слоев на сталях должна базироваться в том числе на знании исходной структуры и свойствах диффузионных слоев, а также закономерностей их изменения в процессе эксплуатации. Создание моделей и критериев работоспособности при контактноусталостном изнашивании на основе комплекса структурных характеристик позволит, с одной стороны, проводить надежную оптимизацию характеристик качества поверхностного слоя и формулировать требования к технологическим параметрам никотрирования. С другой же - решение задач прогнозирования долговечности покрытий необходимо строить на физических закономерностях поверхностной повреждаемости и, соответственно, на структурных критериях работоспособности.
В связи с этим установление закономерностей структурообразования диффузионных зон при никотрированин сталей и их повреждаемости в режиме циклического воздействия внешней среды, а также разработка критериальных оценок усталостной
долговечности гетерогенных структур позволит определить направления совершенствования технологии никотрирования и обеспечить наилучший комплекс технологических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев. Полученные модельные обобщения дадут возможность обосновать рекомендации по созданию оптимальной технологии никотрирования с учетом реальных условий эксплуатации деталей автоматики СПВ, изготавливаемых из конструкционных теплостойких сталей.
Цель работы: Разработка модельных подходов и критериев оценки усталостной долговечности никотрированных теплостойких конструкционных сталей на основе установления закономерностей структурообразования в их диффузионных зонах.
Автор защищает:
выявленные закономерности влияния времени никотрирования на фазовый состав и характеристики гетерогенности диффузионных зон теплостойких сталей;
эмпирические зависимости для расчета параметров структуры в эффективных диффузионных зонах теплостойких сталей в зависимости от времени никотрирования;
- обоснованные механизмы и кинетику зарождения и
распространения усталостных трещин в диффузионных зонах
никотрированных сталей с различными параметрами гетерогенности
структуры;
- разработанные структурные критерии оценки долговечности
эффективных диффузионных зон никотрированных теплостойких
сталей на латентной и кинетической стадиях усталостного разрушения;
- разработанную методику расчета ресурса усталостной
долговечности никотрированных теплостойких сталей на базе
дюрометрических распределений в их диффузионных зонах;
- данные по скорости распространения усталостных трещин в
никотрированных слоях различных теплостойких сталей.
Научная новизна:
- обосновано использование метода дюрометрии для анализа
фазового состава и расчета характеристик гетерогенности структуры в
диффузионных зонах никотрированных конструкционных
теплостойких сталей;
- установлен характер влияния времени никотрирования на
распределение размеров, объема и плотности нитридных и
карбонидных частиц по глубине эффективных диффузионных зон
теплостойких сталей;
предложены структурные модели усталостного разрушения различных по гетерогенности диффузионных зон, в рамках которых разработаны структурные критерии оценки их ресурса на стадиях зарождения и распространения усталостной трещины;
разработан энергетический критерий оценки длительности латентной стадии усталостной трещины в различных по гетерогенности структурах никотрированных сталей.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
определены оптимальные режимы никотрирования конструкционных теплостойких сталей, обеспечивающие создание долговечных диффузионных зон на деталях высокоскоростных технологических машин, эксплуатирующихся в условиях циклического воздействия внешней среды;
- полученные результаты внедрены на АК "Туламашзавод" путем
рационального никотрирования деталей автоматики стрелково-
пушечного вооружения (СПВ). Получен экономический эффект в
размере 546 млн.руб (в ценах до января 1998г.) за счет повышения
живучести никотрированных деталей СПВ;
- разработана и внедрена методика расчета усталостных
характеристик гетерогенных структур в химико-термических
покрытиях теплостойких сталей на основе дюрометрических
показателей в их диффузионных зонах.
Методика исследований.
Для изучения структуры и свойств диффузионных зон применяли
металлографический, дюрометрический, рентгеноструктурный и
электронномикроскопический анализы. Микроструктурные
исследования выполнены на оптических микроскопах МИМ-8М и "Neophot-21". Рентгеноструктурный анализ осуществляли с помощью дифрактометра ДРОН-2.0. Измерения микротвердости проводили на приборе ПМТ-3. Статистическую обработку экспериментальных результатов выполняли в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Для исследования механизмов и кинетики распространения усталостных трещин в диффузионных зонах никотрированных сталей использовали специально созданную установку, позволяющую моделировать схему изгиба при нагрузках до ~ 500 МПа.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на XVII-XXI (1981-1985г.г.) научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ; на Всесоюзной конференции "Пути повышения эффективности использования инструмента" (Минск, 1983г.); Республиканском Совещании "Современные процессы поверхностного упрочнения
деталей машин и инструмента" (Пенза, 1985г.); Всесоюзных конференциях "Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов" (Тула, 1986-1987г.г.); Всесоюзной конференции "Эффективность использования металлов и сплавов в машиностроении и металлургии" (Новокузнецк, 1989г.); Международной конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1996г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, получено 4 положительных решения о выдаче авторских свидетельств по заявкам на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 195 наименований. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста и содержит 98 рисунков и 30 таблиц.
