Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою
Вивчено контактну втому долотної сталі 20ХН3А після цементації та шліфування з поверхневою нанокристалічною структурою, сформованою механоімпульсної обробкою за різних режимів оброблення. Досліджували в оливі та воді з кварцовим піском за максимальних робочих навантажень на долото. Показано, що по...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136254 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою / В.І. Кирилів, Б.П. Чайковський, О.В. Максимів, А.В. Шалько // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-136254 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1362542018-06-17T03:13:23Z Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою Кирилів, В.І. Чайковський, Б.П. Максимів, О.В. Шалько, А.В. Вивчено контактну втому долотної сталі 20ХН3А після цементації та шліфування з поверхневою нанокристалічною структурою, сформованою механоімпульсної обробкою за різних режимів оброблення. Досліджували в оливі та воді з кварцовим піском за максимальних робочих навантажень на долото. Показано, що поверхнева нанокристалічна структура підвищує контактну довговічність сталі у різних робочих середовищах порівняно зі шліфуванням і залежить від режимів механоімпульсної обробки. Исследовано контактную выносливость долотной стали 20ХН3А после цементации и шлифования с поверхностной нанокристаллической структурой, сформированной механоимпульсной обработкой с различными режимами упрочнения. Исследования проведено в индустриальном масле и воде с кварцевым песком при максимальных рабочих нагрузках на долото. Показано, что поверхностная нанокристаллическая структура повышает контактную выносливость в различных рабочих средах сравнительно со шлифованием и зависит от режимов механоимпульсной обработки. The contact fatigue of chisel steel 20ХН3А is investigated after cementation and grinding with surface nanocrystalline structure formed by mechanical pulse treatment with different parameters. The investigations have been carried out in the oil and water solution with quartz sand with maxima working loads on the chisel. It is shown that the surface nanocrystalline structure improves the contact durability in different working media compared with grinding and depends on the mechanical pulse treatment parameters. 2015 Article Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою / В.І. Кирилів, Б.П. Чайковський, О.В. Максимів, А.В. Шалько // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136254 622.245.002.4 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Вивчено контактну втому долотної сталі 20ХН3А після цементації та шліфування з
поверхневою нанокристалічною структурою, сформованою механоімпульсної обробкою за різних режимів оброблення. Досліджували в оливі та воді з кварцовим піском
за максимальних робочих навантажень на долото. Показано, що поверхнева нанокристалічна структура підвищує контактну довговічність сталі у різних робочих середовищах порівняно зі шліфуванням і залежить від режимів механоімпульсної обробки. |
| format |
Article |
| author |
Кирилів, В.І. Чайковський, Б.П. Максимів, О.В. Шалько, А.В. |
| spellingShingle |
Кирилів, В.І. Чайковський, Б.П. Максимів, О.В. Шалько, А.В. Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Кирилів, В.І. Чайковський, Б.П. Максимів, О.В. Шалько, А.В. |
| author_sort |
Кирилів, В.І. |
| title |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою |
| title_short |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою |
| title_full |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою |
| title_fullStr |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою |
| title_full_unstemmed |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою |
| title_sort |
контактна втома сталі 20хн3а з поверхневою наноструктурою |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136254 |
| citation_txt |
Контактна втома сталі 20ХН3А з поверхневою наноструктурою / В.І. Кирилів, Б.П. Чайковський, О.В. Максимів, А.В. Шалько // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 16 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT kirilívví kontaktnavtomastalí20hn3azpoverhnevoûnanostrukturoû AT čajkovsʹkijbp kontaktnavtomastalí20hn3azpoverhnevoûnanostrukturoû AT maksimívov kontaktnavtomastalí20hn3azpoverhnevoûnanostrukturoû AT šalʹkoav kontaktnavtomastalí20hn3azpoverhnevoûnanostrukturoû |
| first_indexed |
2025-07-10T00:59:53Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:59:53Z |
| _version_ |
1837219651221716992 |
| fulltext |
75
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 6. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 622.245.002.4
КОНТАКТНА ВТОМА СТАЛІ 20ХН3А
З ПОВЕРХНЕВОЮ НАНОСТРУКТУРОЮ
В. І. КИРИЛІВ 1, Б. П. ЧАЙКОВСЬКИЙ 2, О. В. МАКСИМІВ 1, А. В. ШАЛЬКО 2
1 Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів;
2 Львівський національний університет ветеринарної медицини
та біотехнологій ім. С. З. Гжицького
Вивчено контактну втому долотної сталі 20ХН3А після цементації та шліфування з
поверхневою нанокристалічною структурою, сформованою механоімпульсної оброб-
кою за різних режимів оброблення. Досліджували в оливі та воді з кварцовим піском
за максимальних робочих навантажень на долото. Показано, що поверхнева нанокрис-
талічна структура підвищує контактну довговічність сталі у різних робочих середови-
щах порівняно зі шліфуванням і залежить від режимів механоімпульсної обробки.
Ключові слова: нанокристалічна структура, механоімпульсна обробка, контакт-
на втома, долотна сталь 20ХН3А.
Сьогодні значний інтерес викликають нанокристалічні структури (НКС) з
високими експлуатаційними властивостями та технології їх отримання. У Фізи-
ко-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України розроблено техноло-
гію механоімпульсної обробки (МІО) для отримання поверхневих НКС з вико-
ристанням енергії високошвидкісного тертя. Показано [1, 2] залежність фізико-
механічних властивостей таких структур від технологічних режимів оброблення.
Важливою характеристикою несучої здатності деталей машин є їх опір руйнуван-
ню за контактних навантажень. Це важливо для підшипників кочення, зубчатих
передач, бурильних доліт, деталей металургійної оснастки тощо. Опір руйнуван-
ню матеріалів за таких умов вивчений мало.
Здебільшого контактна втома характеризується тими ж ознаками, що й інші
види втомного руйнування, але її відмінністю є ще більша локалізація напружень,
ніж за звичайної втоми. Стан матеріалу за контактних навантажень характеризу-
ється перш за все великими градієнтами напружень, їх локалізацією у відносно не-
великих об’ємах поблизу поверхні і значними діючими напруженнями за дво- і три-
вимірної системи [3]. Оскільки такі напруження нерідко в невеликих об’ємах біля
поверхні деталей перевищують границю пружності та призводять до виникнення
тріщин, то якість поверхневих шарів суттєво впливає на їх роботоздатність [4, 5].
Встановлено [3] складну взаємодію поверхонь з проковзуванням у межах
контактної ділянки навіть за нормального стиску тіл і значну дію сил тертя на
напружений стан матеріалу поблизу поверхні контакту. Переміщення зони кон-
такту викликає циклічну зміну напружень. Щоб визначити вплив циклічності
контактних напружень, розглядають механізм контактних деформацій за пульсу-
ючого контакту кочення і кочення з проковзуванням [6], оскільки саме з цим по-
в’язане обмеження несучої здатності опор кочення.
У реальних умовах статичного стиску деталей, крім нормального тиску, ді-
ють значні тангенціальні зусилля, які намагаються зсунути одну із поверхонь від-
носно іншої. Додаткові зовнішні тангенціальні сили впливають на розподіл на-
пружень у зоні контакту, призводячи до зменшення глибини залягання ділянок
Контактна особа: В. І. КИРИЛІВ, e-mail: kyryliv@ipm.lviv.ua
76
з максимальними дотичними напруженнями, збільшуючи контактну площу про-
ковзування навколо центральної зони зчеплення, а також суттєво змінюючи на-
пруження у крайньому поверхневому шарі поблизу ділянки контакту. Розробле-
но [3] гіпотезу про можливу втрату стійкості поверхневих шарів під дією напру-
жень стиску. Згідно з нею, тонкий шар матеріалу, пластично деформований попе-
редніми навантаженнями, не маючи підтримки із зовнішньої сторони, втрачає
повздовжню стійкість і випучується (рис. 1). Повздовжня стійкість залежить від
товщини зміцненого поверхневого шару. При цьому між розглядуваним і нижче
розміщеними шарами виникають розтягувальні напруження і деформації, які
досягають такого значення, що порушується суцільність матеріалу і утворюється
первинна підповерхнева тріщина, яка розвивається у прогресуючий пітинг.
Рис. 1. Схема випучування тонкого
поверхневого шару і утворення
підповерхневої тріщини під впливом
залишкових напружень стиску [3].
Fig. 1. The scheme of the thin surface
layer buckling and formation
of undersurface crack affected
by residual compressions [3].
Здебільшого тріщини утворюються на поверхні навіть за відсутності знач-
них залишкових напружень стиску, а інколи і там, де є залишкові напруження
розтягу. Однак втрата повздовжньої стійкості поверхневого шару під дією дотич-
ної складової на контакті кочення можлива за значних напружень стиску, які ді-
ють вздовж поверхні попереду контакту. Такі напруження і відповідні деформа-
ції можливі за тертя ковзання, коли його коефіцієнт високий, а нормальні тиски
на контакті невисокі і не можуть викликати значних напружень розтягу поблизу
зони контакту.
Мета роботи – вивчити опір контактно-втомному руйнуванню долотної сталі
20ХН3А з поверхневою наноструктурою в різних робочих середовищах залежно
від товщини зміцненого поверхневого шару.
Матеріал і методики досліджень. Досліджували сталь 20ХН3А, яку вико-
ристовують для виготовлення лап бурильних доліт. Циліндричні кільцеві зразки
діаметром 35 mm досліджували після цементації на глибину 1,5…1,7 mm, гарту-
вання і низькотемпературного відпуску. Твердість поверхневого шару HRC 58…59.
Після цього зразки шліфували та частину з них зміцнювали МІО з використанням
різних режимів інструментом зі сталі 40Х та титанового сплаву ВТ6 (див. табли-
цю). Контактну втому вивчали на трироликовій машині [7] за суцільного змащу-
вання індустріальною оливою І-50А (ГОСТ 20799-88) або водою з додаванням
кварцового піску. Вода з кварцовим піском моделює умови, що виникають за про-
мивання свердловини під час буріння. Контактне навантаження для досліджень
вибирали 5000 MPa, що відповідає робочим навантаженням на кулькові доріжки
бурильного долота за максимальних навантажень у зоні буріння [8]. Початок руй-
нування фіксували автоматичним вимикачем [9]. Фазовий склад поверхневих ша-
рів сталі після зміцнювальної обробки вивчали на дифрактометрі-дифрактографі
ДРОН-3 в СuKα-випромінюванні (U = 30 kV, I = 20 mA) з кроком 0,05° та експо-
зицією у точці 4 s. Обробляли дифрактограми, використовуючи програмне забез-
печення CSD [10]. Рентгенограми ідентифікували за картотекою JCPDS-ASTM
[11]. Мікротвердість вимірювали на твердомірі ПМТ-3 за навантаження 100 g.
Обговорення результатів. Виходячи із наведеного у праці [3] положення
про залежність поздовжньої стійкості від товщини зміцненого шару, вибирали
різні режими зміцнення зразків. Вони повинні забезпечувати якомога більшу
77
глибину зміцнення та плавний перехід від зміцненого поверхневого шару до ос-
нови без провалів мікротвердості в перехідній зоні, оскільки саме там можуть за-
роджуватись підповерхневі тріщини. Для порівняння вибирали такі режими об-
роблення (див. таблицю). Вони забезпечують різну товщину і мікротвердість
зміцненого поверхневого шару (рис. 2).
Режими зміцнення зразків МІО
№
зa/п
Зразки
Матеріал
зміцнювального
інструменту
Частота
обертання
зразка, s–1
Час
обробки,
s
Поперечна
подача,
mm
1 Шліфовані – – – –
2 3,83 8 0,40
3 5,75 15 0,25
4
Сталь 40Х
3,83 15 0,40
5
Зміцнені
МІО
Титановий сплав ВТ6 3,83 15 0,40
Рентгенівські дослідження структури зміцненого шару зразків показали, що
у всіх випадках утворюється мартенситно-аустенітна структура. Зерно мартенси-
ту здрібнене до 21,9 та 17 nm для режимів № 4 і 5, відповідно.
Рис. 2. Мікротвердість (а) сталі 20ХН3А після МІО за різних режимів
(криві відповідають номерам режимів у таблиці) та місце зародження тріщини
в цементованих зразках після МІО (b).
Fig. 2. Microhardness (a) of 20ХН3А steel after mechanical-pulse treatment (MPT)
with different parameters (curves correspond to the regime numbers in the Table)
and the place of crack initiation in cemented specimens after MPT (b).
Згідно із побудованими кривими мікротвердості (рис. 2), найсприятливіши-
ми є режими № 4 і 5, що відповідають вищенаведеним критеріям. Саме вони за-
безпечують найвищу опірність контактній втомі в оливі та у воді з кварцовим
піском (рис. 3). Однак у водному середовищі опірність контактним навантажен-
ням суттєво знижується. Причиною цього є, очевидно, дія середовища, яке під
впливом термо- і механодеструкції розпадається з утворенням радикалів водню і
кисню. Під впливом контактних напружень стиску і зсуву вони проникають у
приповерхневі шари. Показано [12], що в наноструктурних металах, отриманих
інтенсивною пластичною деформацією, з’являються низькотемпературні анома-
лії зерномежевої дифузії: значне (на декілька порядків) збільшення коефіцієнтів і
зменшення (майже у два рази) енергії активації дифузії порівняно із крупнокрис-
талічним станом. Причому, як показано раніше [1], у водному середовищі кон-
центрації “шкідливих елементів” (водень, кисень) [13] вищі, ніж в оливі, що при-
швидшує руйнування зміцненого поверхневого шару. Це підтверджено і в працях
[14, 15], де виявлено, що під час тертя у воді деформація поверхневих шарів ме-
талу супроводжується насиченням примежових областей структурних фрагмен-
78
тів не тільки атомами вуглецю, але і атомами кисню, що проникає в метал із ро-
бочого середовища через термомеханічну деструкцію молекул води у точках кон-
такту мікронерівностей. Це призводить до виникнення у примежових областях
структурних фрагментів метастабільних атомних кластерів Fe–O–C, що є октапо-
рою ОЦК-заліза, у центрі якої знаходиться атом кисню, а два атоми заліза на вер-
шинах заміщені атомами вуглецю.
Ці кластери і атоми заліза кристалічної ґратки розділяють області з пониженою
електронною густиною, які виникають у результаті зниження електронної густини s-
і p-електронів і збільшення просторової локалізації валентних d-електронів на атомах
заліза, що оточують атоми кисню і вуглецю. Це призводить до обмеженої участі ва-
лентних електронів у формуванні зв’язків між атомами заліза кристалічної ґратки і
атомами кластерів і, як наслідок, відносно легкому їх руйнуванню під час зміщення
структурних елементів уздовж утворених кластерами меж [14, 15].
Зміцнення зразків за різними режимами, зокрема частотою їх обертання і гли-
биною врізання, впливає на рівень і характер розподілу мікротвердості та товщину
зміцненого шару. Як відомо [16], зменшення частоти обертання призводить до
збільшення товщини зміцненого шару через зростання часу перебування оброблю-
ваної поверхні в зоні фрикційного контакту, температури на поверхні та в глибині.
Так само впливає збільшення глибини врізання. Однак зростання цих параметрів
призводить до оплавлення поверхневого шару і відповідно зменшення його товщи-
ни. Така зміна відбувається за глибини врізання більше 0,4 mm. Тому оптимальни-
ми є режими зміцнення № 4 і 5 – частота обертання 3,83 s–1 та глибина врізання
0,4 mm [16]. Саме за цих режимів спостерігали найвищу мікротвердість, значну
товщину та плавний перехід твердості до основної матричної структури. Такі умо-
ви, згідно з працею [3], є найсприятливішими для високої опірності дії контактних
навантажень, що і підтверджено цими дослідженнями.
Рис. 3. Контактна довговічність сталі 20ХН3А після цементації і шліфування та МІО
за різних режимів (а); загальний вид лапи бурильного долота у зборі (b)
та після її експлуатації (с): 1 – цементація і шліфування; 2–5 – цементація + МІО
за різними режимами зміцнення; � – індустріальна олива; � – вода і кварцовий пісок.
Fig. 3. Contact durability of chisel steel 20ХН3А after cementation, grinding and MPT with
different parameters of strengthening (a); the general view of the assembled drilling bit leg (b)
and after exploitation (c): 1 – cementation and grinding; 2–5 – cementation and МPT under
different conditions; � – industrial oil; � – water and quartz sand.
У робочих умовах найнавантаженішою ділянкою лапи бурильного долота є
крайня доріжка, яка служить внутрішньою обоймою роликового підшипника
(рис. 3b). На ній, виходячи зі співвідношення діаметрів, виникають найбільші
контактні напруження і саме ця ділянка лімітує ресурс роботи багаторядного
комбінованого підшипника пари лапа–шарошка.
ВИСНОВКИ
Таким чином, дослідження показали, що використання механоімпульсної
обробки для формування поверхневої нанокристалічної структури на долотній
79
сталі 20ХН3А після цементації та шліфування підвищує її контактну довговіч-
ність в оливі та воді з кварцовим піском, яка залежить від режимів оброблення та
використовуваного робочого середовища.
РЕЗЮМЕ. Исследовано контактную выносливость долотной стали 20ХН3А после
цементации и шлифования с поверхностной нанокристаллической структурой, сформиро-
ванной механоимпульсной обработкой с различными режимами упрочнения. Исследова-
ния проведено в индустриальном масле и воде с кварцевым песком при максимальных ра-
бочих нагрузках на долото. Показано, что поверхностная нанокристаллическая структура
повышает контактную выносливость в различных рабочих средах сравнительно со шли-
фованием и зависит от режимов механоимпульсной обработки.
SUMMARY. The contact fatigue of chisel steel 20ХН3А is investigated after cementation
and grinding with surface nanocrystalline structure formed by mechanical pulse treatment with
different parameters. The investigations have been carried out in the oil and water solution with
quartz sand with maxima working loads on the chisel. It is shown that the surface nanocrystal-
line structure improves the contact durability in different working media compared with grin-
ding and depends on the mechanical pulse treatment parameters.
1. Nykyforchyn H., Kyryliv V., and Maksymiv O. Physical and mechanical properties of surface
nanocrystalline structures, generated by severe thermal-plastic deformation / Eds.: O. Fesen-
ko, L. Yatsenko // Nanocomposites, Nanophotonics, Nanobiotechnology, and Applications.
– Inbunden: Springer, 2014. – P. 31–41.
2. Бабей Ю. И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. – К.: Наук.
думка, 1988. – 240 с.
3. Пинегин С. В. Контактная прочность и сопротивление качению. – М.: Машинострое-
ние, 1969. – 243 с.
4. Fulita K. and Yoshida A. Damaging behaviour of roller under rolling contact stress // Proc.
16th Jap Congr. Mater. Res. Kyoto. – 1973. – P. 132–139.
5. Tricot R. Influence des parameters metalurgigues sur la fatigue de contact en roulement-
grissconent des contact en engrenages // Congr. mond. Engren. – 1977. – 1. – P. 795–811.
6. Johnson K. L. A review of the theory of rolling contact stresses // Wear. – 1966. – 9, № 1. – P. 4–19.
7. Долговечность буровых долот / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, А. Н. Пашков, В. М. Пу-
барх. – М.: Недра, 1977. – 256 с.
8. Стойкость буровых долот / Под ред. К. Б. Кацова. – К.: Наук. думка, 1979. – 244 с.
9. Стришевский А. И. Электронный автоматический выключатель в машинах для испыта-
ния на контактную выносливость // Заводская лаборатория. – 1959. – № 9. – С. 1136–1137.
10. Krous W. and Nolze G. Powder cell – a program for the representation and manipulation of
crystal structures and calculation of the resulting X-ray powder patterns // J. Appl. Cryst.
– 1996. – 29. – P. 301–303.
11. Powder Diffraction File 1973: Search manual alphabetical listing and search section of
frequently encountered phases. – Inorganic-Philadelphia, 1974.
12. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов / Ю. Р. Колобов,
Р. З. Валиев, Г. П. Грабовецкая и др. – Новосибирск: Наука, 2001. – 232 с.
13. Гликман К. Э., Брувер Р. Э. Равновесная сегрегация на границах зерен и интеркристаллит-
ная хладноломкость твердих растворов // Металлофизика. – 1972. – 43, вып. 42. – С. 42–63.
14. Тихонович В. В. Роль активных элементов рабочей среды в формировании нанострук-
турных износостойких поверхностных слоев трения стали // Тезисы ІV Междун. науч.
конф. “Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии” НАНСИС-2013
(19–22 ноября 2013). – Киев, 2013. – С. 575.
15. Горский В. В. Физическая природа и свойства легированных кислородом сплавов Ме–Ме′–О
в зоне контакта металлов при трении: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. – К., 1989. – 41 с.
16. Каличак Т. Н., Кырылив В. И., Фенчин С. В. Механоимпульсное упрочнение длинно-
мерных деталей типа штоков гидроцилиндров // Физ.-хим. механика материалов.
– 1989. – 25, № 1. – С. 106–108.
(Kalichak T. M., Kyryliv V. I., Fenchyn S. V. Mechanopulsed hardening of long components
of the hydraulic cylinder rod type // Materials science. – 1989. – 25, № 1. – P. 96–99.)
Одержано 08.04.2015
|