СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к физике твердого тела, а конкретно к исследованию свойств твердых материалов, и может быть использовано для прогнозирования прочностных и эксплуатационных характеристик при создании материалов с заданными свойствами в металлургии сплавов.

Известен стандартный способ [1] испытания материалов на абразивный износ, заключающийся в осуществлении трения испытуемого и эталонного образцов о поверхность с закрепленными на ней абразивными частицами на машине трения Х4-Б при статической нагрузке, отсутствии нагрева и последующем сравнении полученных результатов. Способ предусматривает жесткую унификацию размеров образцов и строгое соблюдение условий их подготовки во избежание структурных изменений и физико-химических превращений в материале вследствие нагрева. Перед испытанием поверхности шлифуют и прирабатывают для достижения их полного прилегания к шкурке. Абсолютный износ оценивают в линейных единицах, пользуясь микрометром. Относительную износостойкость (ε) вычисляют по формуле
ε = , (1) где Δl_э - абсолютный линейный износ эталонного образца, мм; Δl_и - абсолютный линейный износ испытуемого образца, мм; d_э - фактический диаметр эталонного образца, мм; d_и - фактический диаметр испытуемого образца, мм.

Основным недостатком этого способа является низкая достоверность экспериментальных данных, выражающаяся в разнице линейного износа даже эталонных образцов, например, из отожженных технически чистых железа и алюминия, достигающей 53-66%. Последнее обусловлено некорректностью в учете нормативного пути, проходимого образцами при их истирании, и необоснованно упрощенным подходом к оценке опытных данных из двух результатов идентичных испытаний. Кроме того, осуществление этого способа связано со значительными трудностями, заключающимися в отсутствии лабораторных установок ввиду невозможности приобретения уже апробированных и малого объема серийного производства. Во избежание вышеперечисленных недостатков широкое распространение получило прогнозирование механических свойств по оптимальному химическому составу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ [2] оценки абразивной износостойкости из ее корреляционной связи с химическим составом. Способ включает подготовку образцов, проведение их спектрального анализа, заключающегося в возбуждении излучения исследуемого вещества, получении и обработке спектрограмм, построении калибровочных характеристик в координатах ΔS, lgC, определении массовой доли легирующих элементов и нахождении абразивной износостойкости из регрессионного уравнения, полученного для высокого содержания бора:
S^III_I = 15,58 - 57,82С + 3,04Сr - 20,29Сr² - 22,59В² + 23,9СхВ = 3,7Сr х В. (2)
Оптимальный состав (0,8-1,2% углерода, 18-24% хрома, 2,4-2,9% бора) обеспечивает относительную износостойкость (по отношению к стали 45) 4,5-6,5 при абразивном износе. Несмотря на удовлетворение тесноты связи между исследуемыми параметрами требованиям ОСТ 1434-78 ( σ_p= =0,93) способ все же характеризуется низкой достоверностью полученных результатов. Это обусловлено, во-первых, тем, что спектральный анализ - метод относительный и требует для своего осуществления наличия стандартных образцов, идентичных по структуре и составу испытуемым пробам. Практически это требование удовлетворить почти невозможно. Неидентичность стандартных и испытуемых образцов проявляется через селективность эрозии материала в искровом источнике света, используемом для определения вышеупомянутых концентраций элементов, и приводит к искажению результатов спектрального анализа на 15-30%. Во-вторых, подобные сплавы характеризуются значительной макронеоднородностью. Неоднородность химсостава и микроструктуры материалов отрицательно сказывается на их эксплуатационных свойствах, вызывая анизотропию абразивной износостойкости и, как следствие, неоднородный износ. Наличие анизотропии абразивной износостойкости и структурной неидентичности эталонных и испытуемых образцов затрудняет получение достоверных результатов испытания известными способами.

Целью изобретения является повышение достоверности способа.

Для достижения цели по способу определения абразивной износостойкости гетерогенных материалов, включающему подготовку образцов, возбуждение излучения исследуемого материала, регистрацию его эмиссионного спектра, измерение плотности почернения аналитической пары спектральных линий легирующего и основного элементов и определение абразивной износостойкости, в качестве критерия для оценки абразивной износостойкости используют параметр макронеоднородности элементов структурных составляющих, ответственных за износостойкость, для определения которого в спектре исследуемого материала находят гомологичную пару спектральных линий основного элемента, измеряют плотности почернений этих линий, определяют средневзвешенные дисперсии разностей плотностей почернений спектральных линий легирующего и основного элементов и сравнивают их по F-распределению. Абразивную износостойкость образцов находят из ее корреляционной связи с макронеоднородностью элементов по эталонной кривой ε= f(F), где ε - абразивная износостойкость; F - параметр макронеоднородности.

На чертеже показаны эмпирически полученные зависимости относительной абразивной износостойкости от макронеоднородности вольфрама (кривая 1) и бора (кривая 2) в вольфрамовых и борсодержащих композиционных материалах. В таблице приведены сравнительные данные по достоверности предлагаемого и известного способов.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Представительную пробу композиционных материалов системы Fe-W-C, состоящую из пяти темплетов, обрабатывают на наждачном круге до шероховатости не более 20 мкм по ГОСТ 2789-73. Зачищенные поверхности пробы подвергают воздействию высоковольтным конденсированным искровым разрядом от генератора ИГ-3 или ИВС-23 в режиме, например, С = 0,01 мкФ, L = 0,15 мкГ, i = 1,8-2 А, U = 220В, противоэлектрод - угольный стержень диаметром 6 мм, заточенный на усеченный конус или полусферу. Производят по четыре обыскривания поверхности каждого темплета. Разлагают излучение в спектр с помощью спектрографа ИСП-30 и полученные спектры регистрируют на фотопластинку, например, тип-I чувствительностью 6 ед. ГОСТ. Обработка полученных спектрограмм состоит из выбора под спектропроектором, например ПС-18, спектральных линий аналитической (W П 239, 709 нм-Fe П 241,10 нм) и матричной (Fe П 241,107 нм-Fe П 241,331 нм) пар и измерения плотностей почернений этих линий на микрофотометре, например МФ-2. Элемент вольфрам определен предварительными исследованиями, из которых следует, что только для этого элемента (из изучаемых марганца, кремния, вольфрама, хрома, алюминия и титана) имеет место корреляционная связь ε= f(F_w), показанная на чертеже (кривая 1) и подтвержденная дисперсионным анализом. После обработки спектрограмм находят разности плотностей почернений для аналитической ΔS_w-Fe и матричной ΔS_Fe-Fe пар линий. Затем определяют макронеоднородность вольфрама F_w. Для этого находят выборочные (см. формулу 3) и средневзвешенные (см. формулу 4) дисперсии:
S2i

_m1,2 = ; (3) ]S2i_1,2 = , (4) где i - число темплетов; m - число обыскриваний; 1, 2 - аналитическая или матричная пара линий; ΔS_m - разность плотностей почернений линий; f_i - число степеней свободы. i S_im1² S_im2² 1 0,0042 0,00015 2 0,0022 0,00017 3 0,0100 0,00012 4 0,0035 0,00023 5 0,0090 0,00050 S_i1,2² 0,0063 0,00022
Полученные значения S_i1², S_i2² сравнивают по F-распределению F = . Отсюда F_0,95^экс{15;15} = 28,5, тогда как F_0,95^табл. {15;15} = 2,3 (квантили распределения Фишера находят из таблиц приложения любого пособия по статистическим методам анализа). Так как 28,5 > 2,3, то вольфрам в этой пробе распределен неравномерно. Аналогично обрабатывают спектрограммы и находят параметр F_w для пяти эталонов с надежно установленными значениями относительной абразивной износостойкости, ε . Строят график в координатах ε , F_w (кривая 1), откуда определяют ε для испытуемого образца, которая составляет 10,35 по отношению к стали 45. Погрешность в определении равна 0,5%.

Ожидаемый от использования изобретения положительный эффект заключается в повышении достоверности предлагаемого способа в 1,6-4 раза по сравнению с известными.

Способ включает подготовку образцов, возбуждение излучения исследуемого вещества, получение и обработку спектрограмм и нахождение износостойкости из корреляционной связи параметров. Новым в способе является использование в качестве критерия для оценки абразивной износостойкости параметра макронеоднородности элементов структурных составляющих, ответственных за износостойкость, которую определяют после обработки спектрограмм проверкой на значимость по F-распределению средневзвешенных дисперсий разностей плотностей почернений для аналитической и матричной пар спектральных линий этих элементов. Абразивную износостойкость образцов находят из ее корреляционной связи с макронеоднородностью элементов по эталонной кривой. 1 ил., 1 табл.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОКОСТИ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий подготовку образцов, возбуждение излучения исследуемого материала, регистрацию его эмиссионного спектра, измерение плотности почернения аналитической пары спектральных линий легирующего и основного элементов и определение абразивной износостойкости, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности способа, в спектре исследуемого материала определяют гомологичную пару спектральных линий основного элемента, измеряют плотности почернений этих линий, определяют средневзвешенные дисперсии разностей плотностей почернений спектральных линий легирующего и основного элементов, которые используют для определения по F-распределению параметра макронеоднородности элементов структурных составляющих, ответственных за износостойкость, и находят износостойкость образцов из ее корреляционной связи с макронеоднородностью элементов по эталонной кривой ε = f(F), где ε - абразивная износостойкость, F - параметр макронеоднородности.