Как определить износостойкость стали

Испытания металла на износостойкость

Что такое износостойкость металла

Давайте дадим с вами определение: износостойкость — это способность металла и стали противостоять изменению свойств и разрушению с течением времени при механическим, физическом или химическом воздействии.

Существует достаточно много разновидностей износа, как правило, это происходит из-за воздействия внешних механических, физических или химических факторов. Это стоит принимать во внимание при проектировании и при контроле качества в строительной испытательной лаборатории.

Также есть еще так называемые подвиды износа: абразивный, кавитационный, контактный, динамический и т.д. Как мы уже сказали выше, все зависит от вида воздействия.

    Так, например, механический износ металла происходит в результате трения двух поверхностей. Как правило, это относится к подвижным конструкциям или конструкциям, которые испытывают постоянную нагрузку. При этом стоит учитывать, что тут возможны 2 разных вида механического износа. Первый — это истирание, а второй — деформация, хотя часто бывают случаи, когда они могут появиться одновременно.

  • А вот коррозионно-механический износ, как правило, возникает при воздействии химических средств, а также в результате других взаимодействий с веществами. Так, например, ни для кого не секрет, что у нас в Санкт-Петербурге погода достаточно дождливая, а вода и сырость в свою очередь воздействуют на металлы. Кроме того, в некоторых конструкциях (особенно подвижных) используют смазочные материалы, которые тоже так или иначе взаимодействуют с металлом и могут способствовать износу.
  • Для того, чтобы увеличить износостойкость металла, существуют различные способы. Например, это могут быть усиливающие конструкции, которые помогают компенсировать износ и равномерно распределить его. Также часто производят улучшение самого металла, покрывая его специальными средствами и т.д.

    Все эти параметры должны учитываться при проектировании, а задача испытательной лаборатории — провести испытания, а затем сверить соответствие полученных результатов с величиной нагрузки на этот металл.

    Какие свойства металлов определяют испытаниями на износостойкость

    Металл, как и любой другой материал, имеет ряд свойств, которые учитывают при строительных испытаниях, ведь они напрямую влияют на способность стали образовывать прочные сварные соединения, выдерживать перепады температур и нагрузки.

    Наиболее важные из них:

    • Литейные — способность металла принимать нужную форму
    • Усадка — изменение объема в зависимости от изменения температур
    • Химический состав
    • Способность к сварке
    • Стойкость при давлении
    • Прочность при резке
    • Стойкость при трении
    • Коррозионная стойкость
    • Ударная вязкость
    • Жаростойкость и устойчивость к холоду
    • Антифрикционность — способность взаимодействовать с другими металлами

    Конечно, не все из перечисленного определяет строительная лаборатория, ей достаточно лишь показателей, связанных с прочностью и износостойкостью.

    Методы испытания стали на износостойкость

    Основные методы, которыми пользуются при испытании металла строительные лаборатории, — это механические и физические. Механические испытания металлов — это динамические и статические воздействия. К динамическим относят испытания на ударный изгиб, а к статическим — растяжение, изгиб и скручивание.

    Также есть метод испытания металла ультразвуком.

    Кроме того, для испытания стали используют химические методы, но это уже больше относится к производственным испытаниям, чем к строительным.

    Иногда могут использоваться оптические средства испытаний, то есть сталь просматривается под большим увеличением для того, чтобы обнаружить в ней дефекты.

    Еще один метод — это радиографическое изучение металла при помощи гамма-лучей. То есть своеобразный рентген для стали. Очень часто данный метод применяют для испытания сварных швов.

    Конечно, это далеко не все методы, но мы не будем углубляться, так как основные методы, используемые для испытаний металла на строительных объектах, мы перечислили.

    Подробнее про некоторые методы мы поговорим в других наших статьях.

    Расчет износостойкости металлов

    Все расчеты производятся при помощи специальных формул. Тут мы их указывать не будем, так как таких формул достаточно много, а статья сайта не является учебником.

    В ГОСТах прописаны показатели, которым должны соответствовать измеряемые металлы, как раз на них лаборатория и опирается при вычислениях. Если говорить о единицах измерения, то это, как правило, ньютоны и паскали. Это логично, ведь мы измеряем прилагаемую силу и давление, которые выдерживает металл. Для каждого испытания показатели разные.

    Заключение

    В этой статье мы рассказали вам об исследовании износостойкости металлов и стали, ведь это один из показателей, который сопряжен с прочностью. Это лишь малая часть того, о чем мы будем говорить с вами в нашем блоге. Очень надеемся, что этот материал был вам полезен.

    Если вы хотите проконсультироваться с нашими специалистами относительно исследования металла на износостойкость, просто оставьте заявку в форме ниже.

    Подробнее про предоставляемые услуги исследования металлов и сварных швов вы можете узнать на наших страницах:

    Строительная лаборатория ООО «Бюро «Строительные исследования» занимается испытаниями конструкций и материалов в Санкт-Петербурге и Москве

    Основная специализация лаборатории:

    1. Заполнив форму на нашем сайте

    +7(812)386-11-75 — главный офис в Санкт-Петербурге

    +7(965)006-94-59 (WhatsApp, Telegramm) — отдел по работе с клиентами Санкт-Петербург и Москва

    3. Написать нам на почту

    Подписывайтесь на наши социальные сети и YouTube канал, там много интересной информации и лайфхаков.

    Читайте также:  Как отличить манганин от меди

    Источник

    Износостойкая сталь

    К износостойким сталям относятся сплавы, предназначенные для использования в экстремальных условиях. Благодаря особому химическому составу, они выдерживают серьезный абразивный износ, исключительные механические и сжимающие нагрузки, воздействие скольжения, трения. На рынке высокопрочных сталей представлено множество производителей и видов проката, разобраться в которых бывает сложно даже профессионалам. Из данной статьи вы узнаете, как правильно выбрать износостойкую сталь, и почему в разных отраслях промышленности просто необходимо использование качественных износостойких сплавов.

    Характеристики износостойких сталей

    Главное свойство износостойких сталей – повышенная твердость, которая обеспечивается присутствием в составе марганца и других легирующих элементов. Причем чем сильнее нагрузка на элемент, тем более износостойкой и твердой становится деталь, а разрушения поверхности и внутренней структуры не происходит.
    При высоких показателях прочности материал остается пластичным, не крошится, поддается сварке. При выборе высокопрочного сплава важно учитывать условия и интенсивность эксплуатации детали или узла. У проката, прошедшего закалку, повышается устойчивость ко всем разновидностям износа.

    Характеристики износостойких сталей

    Главное свойство износостойких сталей – повышенная твердость, которая обеспечивается присутствием в составе марганца и других легирующих элементов. Причем чем сильнее нагрузка на элемент, тем более износостойкой и твердой становится деталь, а разрушения поверхности и внутренней структуры не происходит.
    При высоких показателях прочности материал остается пластичным, не крошится, поддается сварке. При выборе высокопрочного сплава важно учитывать условия и интенсивность эксплуатации детали или узла. У проката, прошедшего закалку, повышается устойчивость ко всем разновидностям износа.

    Сферы применения износостойких сплавов

    Использование высокопрочных сталей увеличивает срок эксплуатации оборудования, машин и механизмов, значительно снижает затраты на их ремонт и обслуживание, устраняет простои на производстве. Металлопрокат используется в самых разных отраслях.

    1. Автомобилестроение
      Производство деталей и узлов, подверженных интенсивным нагрузкам и работающих в условиях трения – ролики и шарики подшипников, втулки, сменные накладки, поршневые кольца, коленчатые валы и другие фасонные изделия, бронированные элементы.
    2. Дорожная и строительная техника
      Изготовление экскаваторных ковшей, режущих кромок техники, козырьков землечерпалок, гидравлических молотов, элементов разравнивателя для асфальтоукладочной машины. В качестве футеровки желобов оборудования, дробилок, контейнеров, лопастей барабана, бетономешалок.
    3. Тяжелая карьерная и горнодобывающая техника
      Изготовление режущих кромок оборудования, кузовов для самосвалов, транспортировочных емкостей и желобов, бункеров, футеровка накопителей и других элементов дробилок, режущий инструмент.
    4. Железнодорожная отрасль
      Облицовка вагонов, в качестве элементов железнодорожных полотен, звеньев гусеничных механизмов, крестовин и т. д.
    5. Сельхозтехника и оборудование для лесозаготовки
      Концевые механизмы лесопогрузчика, перегружателя, элементы отжимного пресса, плужного оборудования, оборудования для транспортировки и хранения силоса.
    6. Станкостроение
      В качестве элементов производственного оборудования, подвергающегося серьезным нагрузкам и трению: валы, узлы, агрегаты, детали.
    7. Строительная отрасль
      Изготовление металлоконструкций различного назначения, предполагающих особую прочность строения. Для этих целей используются конструкционные марки.

    Виды и марки износостойких сталей

    При изучении классификации и выборе износостойких сплавов необходимо учесть, что ряд марок отечественных производителей обозначают индексами, а в зарубежных маркировках нет информации по химическому составу.

    Графитизированные марки (У16 (ЭИ336), 60Г, 65Г, 70Г, 40Х, 40ХН, 45ХН и др.) — отличаются высоким содержанием углерода, в состав также входит хром, никель, графит. Прокат упрочняется при динамической нагрузке, плохо поддается обработке.

    Шарикоподшипниковые сплавы ГОСТ 801-78 (ШХ20, ШХ15) – относятся к виду инструментальных сталей и обладают высокой прочностью и износостойкостью, твердостью и необходимым уровнем вязкости.

    Высокомарганцовистые марки (Г13Л, 110Г13Л) – в состав кроме марганца входят также железо, углерод, хром. Обладают самой высокой износостойкостью, которая сочетается с низкой твердостью и высокой прочностью. Согласно отечественной стандартизации, сплавы соответствуют ГОСТ 977-88.

    Как можно убедиться, высокое качество и надежность высокопрочных сталей делают их использование обоснованным во многих отраслях промышленности и машиностроения. Эти сплавы прочно завоевали позиции на рынке металлопроката и пользуются большой популярностью.

    Источник

    ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ

    Стали в зависимости от структуры можно расположить по возрастающей износостойкости в следующем порядке: Перлит + Феррит; Перлит; Перлит + Цементит; Мартенсит; Мартенсит + Цементит.

    В условиях ударно-абразивного усталостного износа мартенситная структура стали оказывается наиболее износостойкой; однако стали с высокой твердостью и низким уровнем пластичности в условиях изнашивания склонны к хрупкому выкрашиванию. В этом случае проявляется краевой эффект — выкрашивание периферийных участков образца.

    В процессе износа структура металла активного слоя и его свойства изменяются. Может осуществляться мгновенный местный нагрев металла поверхности трения, а при выходе из контакта – охлаждение. В зависимости от сочетания процессов механического и термического воздействия и степени их интенсивности в структуре может иметь место целая гамма переходов a«g и, в частности, выпадение или растворение избыточной фазы, быстро протекающие диффузионные процессы, способствующие местному изменению химического состава, и в результате этого вторичная закалка или отпуск; процессы рекристаллизации, коагуляции и коалесценции карбидов и др. Часть этих процессов как рекристаллизация и коагуляция, приводит к снижению износостойкости металлов. Из-за очень малого времени, в течение которого происходит нагрев и охлаждение могут образовываться промежуточные неравновесные структуры.

    Основные вторичные структуры, образующиеся при трении: вторичный аустенит образуется на базе исходной мартенситной структуры и часто при наличии остаточного аустенита, обладает более высокой микротвердостью, чем исходный; вторичный мартенсит — продукт распада вторичного аустенита, микротвердость

    850-925 кгс/мм 2 и выше, обладает более высокой травимостью; «белая зона» — структура, образующаяся при локальном импульсном силовом и тепловом воздействии, обладает высокой микротвердостью 900-1300 кгс/мм 2 , не травится в обычном реактиве.

    Читайте также:  Как носить золото для богатства

    Степень упрочнения слоев зависит от структуры стали. К примеру: упрочнение поверхностных слоев ст.45 с мартенситной структурой составляет 25%, а со структурой феррит + перлит 10%. Следовательно, наибольшее упрочнение для ст.45 наблюдается при мартенситной структуре. Высокоуглеродистые стали с мартенситной структурой наклёпываются сильнее. Это по-видимому можно объяснить тем, что кроме упрочнения от пластической деформации происходит упрочнение от превращения остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионного твердения мартенсита.

    Таким образом, износостойкость металла определяется не только структурой металла в исходном состоянии (до трения), но и структурой, формирующейся в результате совокупности единичных процессов, происходящих при трении.

    По сравнению с мартенситом аустенит является менее износостойкой структурой. Однако, являясь значительно более вязким, аустенит способствует хорошему удержанию карбидов. При этом более износостойкими являются сплавы с нестабильной аустенитной матрицей, поскольку в поверхностных слоях в процессе износа происходит превращение аустенита в мартенсит, создание внутренних сжимающих напряжений, выделение мелкодисперсных карбидов по плоскостям скольжения и т.д.

    Изучение влияния широкого диапазона микроструктур сталей 45,У8,У12,20Х, 18ХГТ, 12ХНЗМА, полученных при различных режимах термической обработки на износостойкость, показало следующее:

    — износостойкость перлита, сорбита и троостита определяется степенью дисперсности цементитных частиц; чем тоньше структура при заданном химсоставе, тем выше износостойкость стали;

    — износостойкость мартенситной составляющей определяется содержанием в ней углерода: чем больше углерода, тем выше износостойкость стали. Заэвтектоидная сталь со структурой мартенсит + избыточные карбиды обладает меньшей износостойкостью, чем та же сталь с чисто мартенситной структурой;

    — наличие в структуре стали остаточного аустенита не снижает ее сопротивление абразивному изнашиванию, что объясняется превращением аустенита в высоколегированный мартенсит в объемах, подвергающихся абразивному изнашиванию;

    — при отсутствии в структуре стали остаточного аустенита износостойкость ее определяется износостойкостью структурных составляющих, с учетом их количественного соотношения;

    — если в процессе изнашивания в материале поверхностного слоя протекают структурные изменения или фазовые превращения, то износостойкость будет определяться свойствами конечных продуктов превращения.

    Сопротивляемость отдельных структурных составляющих пластической деформации и разрушению при микроударном воздействии отражают данные, приведенные в табл. 11.1.

    Сопротивляемость структурных составляющих железоуглеродистых

    сплавов микроударному разрушению

    Структура Сплав НВ Потери массы образца за 10 час испытаний, мг
    Феррит Нелегированный Легированный хромом – 25% молибденом – 2% 996,4 284,8 168,2
    Аустенит Никелевый – 25% (С – 0,82%) Никелевый – 9% (хром – 18%, С – 12%) Марганцевый – 12% (хром – 14%, С – 0,23%) 218,3 198,6 64,4
    Перлит Нелегированный Легированный хромом — 0,8%, никелем — 1,5%; никелем — 1,5%, молибденом — 0,8%; хромом — 1,0%, ванадием — 0,5% 246,5 204,8 198,2 242,3
    Сорбит Троостит Бейнит Нелегированный 164,9 89,5 44,2
    Мартенсит (Углерод более 1%) Нелегированный Легированный хромом – 12%, ванадием — 0,8%; хромом – 12%, молибденом — 0,6%; хромом – 12% 8,2 5,9 7,5

    Каждый тип матрицы и упрочняющей фазы характеризуется предельной величиной энергии, в момент поглощения которой происходит образование трещины, или отрыв микрообъема металла от монолита.

    Исследования энергоемкости и износостойкости различных сплавов показало, что сплавы со стабильной матрицей — ферритной, аустенитной — могут поглотить, не разрушаясь, малое количество энергии. Они обладают малой износостойкостью даже при большой степени легированности и значительном содержании карбидов. Сплавы с нестабильной аустенитной основой, способные к структурным и фазовым превращениям, при деформации поверхности абразивами в процессе изнашивания оказываются более износостойкими, т.к. на превращения, вызванные воздействием, абразивов, уходит значительное количество энергии.

    Среди трех групп твердых соединений (карбиды, бор иды, нитриды) наиболее энергоемкой является карбидная группа. Способность поглощать энергию при механическом нагружении сильно развита у карбидов и боридов с ГЦК и ГП — решеткой типа ТаС, ТiС, WC, NdB2 и iТВ2. Им уступают карбиды кремния, бора и все нитриды. Еще меньшей энергоемкостью, а следовательно, и меньшей способностью сопротивляться разрушению обладают карбиды цементитного типа, наименее энергоемкими являются карбиды хрома.

    Представляет интерес исследование изменения износостойкости сталей и сплавов при введении в них диборидов титана, циркония, гафния, обладающих повышенной энергией, разрушения и свободной энергией образования по сравнению с другими боридами, нитридами.

    Бориды металлов IV-VI А групп периодической системы элементов обладают высокими значениями температуры плавления, твердости, модуля упругости.

    Известно, что при наличии на бинарных диаграммах особых точек, например максимумов, в расплавах обнаруживаются группировки, по составу сходные с конгруэнтно плавящимися соединениями. Чем выше температура плавления таких соединении, чем острее максимумы, тем прочнее связи между атомами элементов, составляющими эти группировки. Имеются данные о том, что если два элемента образуют прочные соединения между собой, то и находясь в растворенном состоянии в жидком железе, они могут объединиться в группировки, подобные молекулам такого соединения. Так например, на диаграмме состояния Мn-Р четко выражен максимум при составе, отвечающем соединению Мn32. Присутствие марганца в сплавах Fe-H, Fe-C-P и Fe-C-P-O столь существенно изменяет природу раствора, что фосфор перестает быть поверхностно-активным элементом. Он настолько прочно связывается с марганцем в группировки, вероятно, подобные молекулам Мn5Р2, что это даже сказывается на способности его к окислению.

    Бор известен как элемент, образующий с рядом металлом многочисленные соединения. Высокая температура плавления и форма максимумов боридов Ti, Zr, Hf и, особенно типа МnВ2 свидетельствует о их высокой прочности. Для того, чтобы дать представление о прочности боридов переходных металлов IV и V периодов в табл.11.2 приведены данные о величине изменения изобарно-изотермического потенциала образования их из компонентов, которые имеются в технической литературе. Для сравнения в таблице приведены данные по боридам, оксидам и нитридам.

    Читайте также:  Как определить массовое число изотопа олова

    Изменение изобарно-изотермического потенциала образования

    при 1900 К, температуры плавления боридов, оксидов и нитридов

    Соединение Изменение изобарно- изотермического потенциала Температура плавления Источники
    Бориды
    TiB2 ZrB2 -270,255 -242,102 -271,362 Куличков 4 Войтович 5 Войтович 5
    Нитриды
    AlN BN TiN -118,115 — 81,286 -148,808 -159,656 -180,170 -200,043 Эллиот 6 Эллиот 4 Куличков 6 Войтович 5 Куличков 4 Войтович 5
    Оксиды
    TiO2 -343,252 Эллиот 6

    Из данных табл.11.2 следует, что при температуре 1900 К изменения изобарно-изотермического потенциала реакции образования боридов Ті и больше по отрицательной величине, чем у реакций образования нитридов и приближаются к величине 1900 реакции образования ТіО2. Учитывая, что имеются надежные данные о выделении нитрида и окисла титана непосредственно в жидкой стали, можно предполагать возможность образования в жидком металле боридов Тi и Zr при совместном присутствии их в расплавленном металле в соотношениях концентраций, соответствующих наиболее устойчивым боридам ТiВ2 и ZrВ2.

    Из диаграмм состояния бора с железом и легирующими элементами следует, что бор обладает очень низкой растворимостью в этих металлах и образует на участках диаграммы состояния металл низкий по бору борид – эвтектику с достаточно высокой температурой плавления. Эта эвтектика, не подверженная структурным превращениям, которые вызывают охрупчивание стали: при повышенных температурах, повышающая жаропрочность аустенитных сталей и снижающая ее склонность к коррозионному растрескиванию, является упрочняющей фазой в аустенитных сталях, и сплавах с повышенной концентрацией бора. Сопоставление свойств боридов со свойствами карбидов и нитридов показывает, что бориды обладают более высокими показателями твердости, стойкости против окисления при высоких температурах, а также износостойкости. Такое сочетание свойств обусловлено особенностями кристаллической структуры и прочностью межатомных связей; в отличие от карбидов и нитридов, для которых характерны связи металлического или полного типа, атомы бора образуют сплошные решетки преимущественно с ковалентной связью. Структура и свойства, сплавов переходных металлов с боридами изучены чрезвычайно мало. Исследованиями Тихонович установлено существование зависимости антифрикционных свойств от физико-механических свойств сплавов. Следовательно, должна существовать корреляция между антифрикционными свойствами сплавов и их диаграммой состояния.

    Железо с диборидом титана образует диаграмму состояния эвтектического типа. Эвтектика плавится при 1250°С и содержит 1,5-2 мол % ТiВ2.

    Рядом авторов изучался вопрос износостойкости сплавов на основе железа с диборидами титана, и циркония. Изучаемые сплавы имели доэвтектический, эвтектический или заэвтектический состав.

    Износостойкость определялась на сплавах в литом и отожженном состояниях. Причем, термическая обработка не повлияла на износостойкость, что, вероятно, объясняется малой растворимостью диборидов в железе и их повышенной термостойкостью.

    Во всех исследованных системах (Fе-Тi(Zr)-В) наблюдалась одинаковая закономерность изменения значения коэффициента трения. Минимальное значение коэффициента трения приобретает система в случае сплавов эвтектического состава. Отклонение состава сплава в доэвтектическую или заэвтектическую области приводит к увеличению значения коэффициента трения.

    При этом, появление в структуре фаз внедрения, входящих в состав эвтектики, приводит к уменьшению изнашивания, а при достижении определенной доли твердой фазы в структуре сплава (эффектная объемная доля) интенсивность изнашивания устанавливается на одном уровне и практически не меняется при дальнейшем увеличении, количества твердой фазы.

    Подобное изменение интенсивности изнашивания можно объяснить тем, что по мере увеличения объемной доли твердой фазы в структуре сплава происходит перераспределение площади реального контактирования между матрицей, и упрочняющей фазой. При определенном содержании объемной доли твердой фазы, зависящей от удельной энергии разрушения, практически весь контакт с контртелом осуществляется через твердую фазу, поэтому дальнейшее увеличение количества твердой фазы не приводит к существенному изменению интенсивности изнашивания. В исследованных сплавах объемная доля боридной фазы не превышала 25%.

    В доэвтектических сплавах первичные кристаллы железа, образуют нефасетованные дендриты. Боридная фаза в этих сплавах присутствует как составляющая эвтектики.

    В эвтектическом сплаве Fе-ТiВ2 боридная фаза в каждой эвтектической колонии представляет собой единое образование; в сечении — шестигранной формы.

    В заэвтектических сплавах бориды образуют избыточные первичные кристаллы.

    Первичные боридные фазы во всех сплавах окружены эвтектикой. Во всех исследованных сплавах эвтектика имеет колониальное строение. Зарождающейся и, по-видимому, ведущей эвтектическую кристаллизацию фазой является боридная фаза.

    Сочетание мягкой металлической матрицы с твердыми боридными включениями при довольно большой: объемной доле придает сплавам повышенную прочность и износостойкость. Испытания сплавов железа с диборидом титана на износостойкость в условиях сухого трения в паре с износостойким хромистым чугуном показали, что эвтектический сплав имеет высокую износостойкость, превышающую износостойкость чистого железа в 100 раз.

    Суммарный износ образца и контртела при эвтектическом составе имеет минимальные значения, соизмеримые с данными для применяющихся в промышленности сталей, работающих в условиях сухого трения скольжения.

    Рис. 11.3. Закономерность изменения коэффициента трения и интенсивности изнашивания при трении скольжения в системах Fe-TiB2; Fe-ZrB2; Fe-HfB2

    а – схема политермических сечений;

    б – изменение интенсивности изнашивания;

    в – изменение коэффициента трения.

    Рекомендуется применение данных сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения и коррозии, методом литья без дополнительной термообработки или какой-либо иной обработки образцов. Обязательным условием для обеспечения высокой износостойкости является получение в процессе кристаллизации регулярном дисперсной структуры эвтектического типа.

    Дата добавления: 2015-09-18 ; просмотров: 5513 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

    Источник

    Поделиться с друзьями
    Металл и камни