Количественная классификация металла по зернистости для оценки структуры ультразвуковым методом

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (ВО). 2009

стальной поверхности образуется сервовитная пленка на основе меди.

В паре трения сталь — бронза износ поверхностей значительно уменьшается. При этом роль структурного фактора (твердых частиц карбидов в стали и интерметаллидов в бронзе) становится малозначимой.

Главную роль при износе играет состав смазки, а особенно наличие абразивных частиц, которые подавляют эффект образования сервовитной пленки на стальной поверхности. Экспериментальные данные (табл. 2) свидетельствуют о том, что износ стальных поверхностей превышает износ бронзовых в 3-4 раза. При этом твердость стали в 4 раза выше твердости бронзы. Добавка в смазку литол-24 трикрезилфосфата с порошком МоБ2 (композиция 4) снижает абразивный износ поверхностей трения. Присутствие присадки в смазке способствует образованию сервовитной пленки, которая сохраняется сплошным слоем при участии порошка МоБ^что и обеспечивает высокий эффект проти-воизносного действия в условиях абразивного изнашивания.

Исследования микротвердости поверхностей бронзы до и после испытания (рис. 1) свидетельствуют о том, что базовая поверхность (отпечатки слева) и рабочая зона после испытаний (отпечатки справа) имеют малую разницу по твердости (табл. 2), но все же прослеживается ее увеличение на рабочих поверхностях трения. При наличии абразива в составе смазки (образец 2, рис. 2) твердость слоя возрастает до значений НУ 1780 - 1890 МПа.

При проведении металлографических исследований получают видимое, увеличенное под микроскопом изображение структуры исследуемого металла, при этом количественные критерии оценки зернис-

Библиографический список

1. Рейш, А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин. — М. : Машиностроение, 1986. - 194 с.

2. Мальцев, М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. — М. : Металлургия, 1970. — 367 с.

3. Трение, изнашивание и смазка: справочник / под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. — М. : Машиностроение, 1979. — Кн. 2. — 358 с.

4. Голощапов, Г.А. Прибор для оценки противоиз-носных свойств смазочных материалов // Омский научный вестник. — 2002. —Вып. 20 — С.112-113.

МЕЛЬНИК Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, проректор СибАДИ по учебной работе.

КОРЗУНИН Юрий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии». ГОЛОЩАПОВ Георгий Алексеевич, инженер кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии».

РАСЩУПКИН Валерий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии».

644050, г. Омск, пр. Мира, 5

Дата поступления статьи в редакцию: 29.05.2009 г.

© Мельник С.В., Корзумин Ю.К., Голощапов Г.Л., Расщупкин В.П.

М. Б. КЛДИКОВЛ О. В. ГАТЕЛЮК

Омский государственный университет путей сообщения

тости сформулированы в ГОСТ [1]. В ультразвуковом методе для оценки зернистости металла служит косвенная характеристика — связь коэффициента затухания с диаметром зерен в контролируемом се-

УДК 620.179:629.4.083

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛА ПО ЗЕРНИСТОСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТРУКТУРЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ

Экспериментально подтвержден логарифмически нормальный закон распределения зерен металла по размерам с коэффициентом корреляции г = 0,99. Предложены математические выражения, связывающие видимое изображение металлографического шлифа с числовыми характеристиками логарифмически нормального распределения зерен металла, позволяющие выполнить количественную классификацию металла по зернистости для ультразвукового метода. Определены значения среднего диаметра и среднеквадратичного отклонения для разделения однородной, разнозернистой, мелкозернистой и крупнозернистой структур.

Ключевые слова: структура металла, зернистость, ультразвуковой метод.

чении, при этом количественные критерии зернистости отсутствуют. Как было показано в работе [2], заимствованный в (3] логарифмически нормальный закон распределения зерен по размерам открывает новые возможности для количественной оценки структуры металла ультразвуковым методом.

Для подтверждения логарифмически нормального распределения зерен выполнялся количественный анализ микроструктуры металла, нескольких образцов простой доэвтектоидной стали методом измерения длин хорд. Общее количество пересеченных зерен для каждого образца не менее 1000, что соответствует достоверности 95%. В результате строилась экспериментальная кривая функции распределения номеров зерен, а к ней подбиралась теоретическая с определенными значениями среднего диаметра и среднеквадратичного отклонения. В качестве примера представлены фотография микроструктуры (рис. 1) и кривые распределения зерен (рис. 2) одного из образцов.

Логарифмически нормальный закон распределения зерен по размерам на всех образцах подтвержден с коэффициентом корреляции г = 0,99.

На основании логарифмически нормального закона распределения зерен металла по размерам в [2] обоснованы математические выражения и выполнен расчет числовых характеристик распределения через границы интервалов количества зерен на площади металлографического шлифа, заданных в ГОСТ [ 1 ]. Интервалам для каждого номера зерна соответствует значение о « 0,06. Чем меньше ст, тем ближе друг к другу значения моды, медианы и математического ожидания, а кривая распределения более симметрична (рис. 3).

При металлографических исследованиях разнозернистой считают структуру, в которой имеются зерна, отличающиеся от основного (преобладающего) номера, соответствующего определенному эталону шкалы, более чем на один номер и занимающего на шлифе площадь более 10% [1]. Для оценки однородности структур может использоваться следующая формула:

P,S,

-)*юо%,

где Б — площадь, занимаемая структурой, отличающейся от основного более чем на один номер;

о,*1

Р,- f

о,

хсг

ж

ехр

(lnx-lna)2

2а

dx - вероятность

появления i-ro зерна; S, — площадь i-ro зерна; п — рассматриваемый номер зерна.

Расчеты по (1) показывают, что для всех номеров при a = 0,1-ь0,2 вероятность появления зерен, отличающихся от основного более чем на один номер, меньше одного процента, а значит, структура металла однородная. Результаты расчетов при о = 0,3 сведены в табл. 1.

Для номеров зерен с 7 по 10 значение среднеквадратичного отклонения 0,3 является границей, разделяющей однородную и разнозернистую структуры, а для зерен с 6 по 1 номер значение о = 0,3 входит в диапазон однородной структуры. Таким образом, установленный ГОСТ критерий однородности структуры имеет следующее количественное выражение: структура разнозернистая, если для зерен с номерами 7 - 10 a £ 0,3; мя зерен с номером 6 и крупнее а > 0,3.

Приближенно принято считать, что стали с зерном номер 5 и мельче относят к группе мелкозернистых, а крупнее к группе крупнозернистых [4]. Однако при формировании структуры средний диаметр (математическое ожидание) зерна может принимать произвольные значения и попадать на границы интервалов между двумя номерами шкалы ГОСТ [1 ], то есть может сформироваться однородная структура, которая состоит из двух номеров зерен. Например, средний диаметр зерна M(D) = 72 мкм, это максимальное значение диаметра зерна номер 5 и минимальное значение диаметра зерна номер 4 [2]. Таким образом, необходимо определить значения M(D) и а, которые являются границей разделяющей крупнозернистый и мелкозернистый металл.

При металлографических исследованиях структуру металла оценивают по преобладающему на шлифе номеру. Диапазон диаметров зерен внутри 5 номера 51-5-72 мкм. Для оценки площади, занимаемой определенным номером зерна, может использоваться следующая формула:

—тадщі

X p,s,

•100%

Обозначения как в (1). Граничные значения диаметров зерен и среднеквадратичных отклонений представлены в табл. 2.

Площадь, занимаемая структурой, размер зерна которой отличается от основного более чем на один номер, при о = 0,3

Таблица 1

Номер зерна 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

S,% 4 5 6 8 9 10 И 11 11 11

Таблица 2

Граничные значения М(О) и а, разделяющие крупнозернистый и мелкозернистый металл

Средний диаметр зерна M(D), мкм Среднеквадратичное отклонение о Площадь, занимаемая номером зерна, %

5 4

61 0.3 41 36

65 0.2 49 42

69 0,1 55 45

70 0,1 50 50

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (80). 2009

т

%

Рис. 1. Фотографии микроструктуры, хЮО

-•— Металлография - -д- - Расчет

Рис. 2. Функция распределения номеров зерен М(О) = 43 мкм, а = 0,6

ч

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02 0,00

а , ? = о,об 1 /

•I / ;|/ / М(0) = 0*61мкм

? = 0,3 . 1 \ в \ *  1 / » 1/  V и Ж в/\

? = 0,5 \JiBa 1 1  1 1

, /

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140 150 О,мкм

Рис. 3. Плотность вероятности логнормального распределения при постоянном математическом ожидании и изменении о

Таким образом, получены граничные значения средних диаметров и соответствующие значения среднеквадратичных отклонений для разделения структур по крупности зерен. Очевидно, что все значения средних диаметров, разделяющих крупнозернистый и мелкозернистый металл, находятся в диапазоне зерна номер 5 и при их увеличении значения среднеквадратичного отклонения уменьшаются. На основании этих данных сформулированы количественные критерии классификации металла по крупности зерна. Структура является крупнозернистой, если: £> > 61 мкм, о > 0,3; £> > 65 мкм, а > 0,2; й > 69 мкм, а > 0,1; £> £70 мкм.

Выводы

1. В результате количественного анализа микроструктуры металла простой доэвтектоидной стали методом измерения длин хорд подтвержден логариф-

мически нормальный закон распределения зерен по размерам с коэффициентом корреляции г = 0,99, что позволяет опираться на него при теоретических исследованиях.

2. На основании анализа логарифмически нормального закона распределения зерен металла по размерам с учетом количественных критериев зернистости металла, заданных в ГОСТ [ 1 ], обоснованы количественные критерии классификации металла по зернистости при применении ультразвукового метода для оценки структуры металла. Получены математические выражения, связывающие видимое изображение металлографического шлифа с числовыми характеристиками логарифмически нормального распределения зерен, позволяющие количественно классифицировать металл на однородный, разнозернистый, мелкозернистый и крупнозернистый.

3. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методик количественной оценки зернистости металла ультразвуковым методом.

Библиографический список

1. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. — М. : Изд-во стандартов, 1994. - 47 с.

2. Кадикова М.Б., Гателюк О.В. О влиянии статистики распределения размеров зерен на оценку структуры металла ультразвуковым методом // Омский научный вестник. — 2007. — № 3(60). — С. 32-34.

3. Papadakis Е.Р. Phys. Acoustics, v. 4В, N. Y., 1968, p. 269.

4. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М. : Металлургия, 1983. — 360 с. J

КАДИКОВА Милица Борисовна, преподаватель кафедры «Вагоны».

kadikovamb@mail.ru ГАТЕЛЮК Олег Владимирович, кандидат физико-ма-тематических наук, заведующий кафедрой высшей математики.

644046, г. Омск. пр. карла Маркса, 35

Дата поступления статьи в редакцию: 10.04.2009 г.

© Кадикова М.Б., Гателюк О.В.

УДК: 621.839-86 П. Д. БАЛАКИН

И. П. ЗГОННИК

Омский государственный технический университет

ГЕОМЕТРО-КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В МЕХАНИЧЕСКОМ ПЛОСКОРЕМЕННОМ АВТОВАРИАТОРЕ

Установлены рекомендуемые значения необходимой жесткости упругого элемента цепи управления по требуемой закономерности изменения передаточного отношения, адекватно зависимого от переменного внешнего нагружения.

Ключевые слова: соотношения, автовариатор, жесткость, изменение, нагружение.

В [ 1 ] приведены технические решения автовари-аторных схем передач, кинематические размеры звеньев которых автоматически изменяются в зависимости от уровня трансформируемого силового потока, обеспечивая стационарный, энергетически совершенный режим работы двигателя.

Из множества вариантов технических заданий на проектирование механической передачи остановимся на задаче схемного синтеза плоскоременного автовариатора с автоматическим изменением кинематических размеров основных звеньев в зависимости от уровня передаваемого силового потока [2, 3]. Автоизменение передаточной функции скорости вариатора достигается с помощью встроенной в конструкцию ведомого шкива автовариатора цепи управления, реализующей дополнительное к основному движение звеньев. Принципиальное исполнение предлагаемого технического решения шкива представлено на рис 1.

В исходном положении фланцы 1 и 3 находятся на минимальном расстоянии друг от друга, при этом од-нополостный гиперболоид вращения, образуемый несущими прямолинейными стержнями 5, имеет минимальный размер диаметра с1 = 2г( в горловом сечении.

При увеличении нагрузки на ведомом валу 2 фланец 3 поворачивается и смещается относительно ве-

домого вала 2, растягивая пружину 7, тем самым диаметральный размер гиперболоида в горловом сечении изменяется в большую сторону, что приводит к автоматическому увеличению передаточного отношения автовариатора U = о>д„ /сос = г/г, где г = const -

Рис. 1.1- фланец; 2 - ведомый вал;

3 - двухподвижный фланец, 4 - подшипник с ходовой посадкой на валу 2; 5 - несущие стержни; б - шарнир стержня; 7 - пружина растяжения;

$2 - холостая ветвь передачи; 5, - тянущая ветвь

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (80). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ