Особенности разрушения деталей из свинцовосодержащих бронз

УДК 62-22

© Н.В. Мартюшев, 2013

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СВИНЦОВОСОДЕРЖАЩИХ БРОНЗ

Рассмотрен механизм разрушения свинцовосодержащих бронз. В качестве материала для исследований взята бинарная свинцовистая бронза с 10 % свинца. Исследования показали, что формирование сферической формы свинцовых включений происходит при низких скоростях охлаждения и дает рост прочностных свойств. Высокие же скорости охлаждения при кристаллизации приводят к формированию свинцовых включений с острыми неровными краями и снижению прочностных свойств. Ключевые слова: бронза, свинце, кристаллизация, скорость охлаждения, предел прочности.

Бронзы широко применяются в современном машиностроении благодаря своим хорошим антифрикционным свойствам. Основная сфера применения бронз - работа в парах трения скольжения. Часто для обеспечения высоких антифрикционных и про-тивозадирных свойствам в бронзы вводят свинец. Свинец снижает коэффициент трения бронзы, улучшает её обрабатываемость резанием, может служить смазывающим материалов при отсутствии смазки. Однако вместе с этим свинец снижает механические свойства бронзы. В данной работе рассмотрены особенности разрушения свинцовосодержащих бронз.

Свинец практически не растворяется в меди и образует включения, значительно снижающие прочностные характеристики бронзы. На прочность бронз будет влиять не только количество свинца, но также форма и размер свинцовых включений, формирование которых определяется рядом технологических факторов (температурой заливки, скоростью охлаждения и др. [1-4]). В настоящей работе поведены сравнительные исследования структуры и механических свойств свинцовистой бронзы с различной морфологией свинцовых включений. Для исследования механизма разрушения взяли бинарную бронзу марки БрС10 содержащую 10 % (масс.) свинца и 90 % меди. Выплавку бронз проводили в высокочастотной индукционной тигельной печи ВЧГ2-100/0,066 из технически чистых металлов. Расплавленный металл заливали в гра-

фитовые формы, которые затем охлаждались на воздухе. Различные скорости охлаждения отливок достигались путем предварительного нагрева литейной формы до различных температур.

Сравнение формы свинцовых включений проводили на микроструктурах образцов, не подвергнутых травлению. Зерно и дендритное строение медной матрицы выявлялось путем травления травителем Марбле, состоящим из 50мл HCl, 2г CuSO4, 50мл спирта и 50 мл H2O. Микроструктуру бронзы изучали методом световой микроскопии (ZEISS AXIO Observer. A 1m). Механические испытания на растяжение проводили при комнатной температуре на машине МИРИ-100К (Россия) со скоростью 2 мм/мин на образцах диаметром 5 мм и длиной 50 мм (ГОСТ 1497-84).

Анализ микроструктуры отливок показал, что в образцах остывающих со скоростями охлаждения 160-140°С/с, включения свинца имеют вытянутую, пластинчатую форму с рваной межфазной поверхностью. Падение скорости охлаждения приводит к их сфероидизации и выравниванию межфазной поверхности. Так включения свинца в образцах остывающих со скоростями охлаждения <20°С/с, округлые, шарообразной формы с гладкой межфазной поверхностью, хотя вместе с тем попадаются и длинные продолговатые включения. Но и эти продолговатые включения имеют гладкие, скругленные границы. Падение скорости охлаждения так же привело к росту дендритов матрицы и увеличению размеров зерна. Согласно данным исследований снижение скорости охлаждения в 5-6 раз привело к росту расстояния между ветвями дендритов в 2-2,5 раза и росту размеров зерна в 3-4 раза. Проведенные механические испытания показали, что максимальной прочностью обладают образцы со сферической формой свинцовых включений, полученные при низких скоростях охлаждения. Это объясняется тем, что форма включений свинца очень сильно влияет на свойства таких бронз. Свинцовые включения являются своего рода пустотами в теле отливки (для меди оВ=220-250 МПа, для свинца оВ=13,5 МПа), обладая очень низкими прочностными характеристиками, и служат концентраторами напряжения при приложении нагрузки. Чем более правильную округлую форму и чем более ровные стенки имеют эти включения, тем равномернее распределяется нагрузка по сечению и меньше концентрируется в местах их расположения. Кроме того, острые и рваные края включений служат источником зарождения

трещины в материале. Исследуемые бронзы в промышленности и машиностроение не подвергаются действию растягивающих нагрузок из-за низкого предела прочности на разрыв. Тем не менее, испытания таких бронз на разрыв позволили более полно выявить механизм зарождения трещины и разрушения. Испытания показали что образцы, полученные при высоких скоростях охлаждения (~160 °С/с) имеют предел прочности 110 МПа. При снижении скорости охлаждения во время затвердевания до значений в ~10-20 °С/с, предел прочности образцов возрастает до 150 МПа.

Сфероидизация свинцовых включений с падением скорости охлаждения образцов, так же как и при испытаниях на ударную вязкость, приводит к росту предела прочности. Анализ поверхности изломов снова говорит о большей величине зерна у образцов, полученных охлаждением с низкими скоростями. Согласно общепринятым положениям возрастающая величина зерна дает ухудшение прочностных характеристик, но реально предел прочности возрастает. Медь имеет высокую склонность к дендритной кристаллизации и получению крупного зерна даже при высоких скоростях охлаждения. Это подтверждается проведенными исследованиями, средний диаметр зерен 0,1-0,2мм (что соответствует 1-2 баллу зерна) при скорости 110-120°С/с. Для крупных размеров зерна рост его величины практически не влияет на ударную вязкость и предел прочности. Таким образом, на распространение трещины будет оказывать существенное влияние в основном форма свинцовых глобул.

Свинцовые включения при микропластической деформации не наклепываются, температура рекристаллизации свинца лежит ниже комнатной. Можно предполагать, что в процессе продвижения трещины по телу зерна и столкновении со свинцовым включением, происходит снижение концентрации напряжений в устье трещины и временная остановка ее роста, если включение мелкое и округлой формы (рис. 1б). В случае, когда на пути трещины крупное, остроугольной формы или продолговатое, расположенное в направлении роста трещины, свинцовое включение следует ожидать скачкообразного её роста (рис. 1а). Таким образом, наличие большого количества ориентированных в самых различных направлениях, вытянутых РЬ включений имеющих острые края в образцах полученных быстрым охлаждением облегчает продвижение трещины, снижая работу по её распространению.

а б

Рис. 1. Трещины на поверхности образцов полученных с различными скоростями охлаждения: а - 158°С/с; б - 10°С/с;

Исследование микроструктуры отливок из бронзы БрС10 показало, что снижение скорости охлаждения приводит к росту дендритов матрицы и величины зерна. По данным механических испытаний отливки из бронзы БрС10 полученные при более низких скоростях охлаждения обладают более высокими значениями ударной вязкости и предела прочности. Вместе с тем выше и пластичность этих образцов. Такие изменения механических свойств объясняются изменениями морфологии свинцовых включений. Более округлая форма включений с гладкой межфазной поверхностью служит меньшим концентратором напряжения в сравнении с вытянутыми, рваными включениями.

Результаты работы, представленные в настоящей статье, выполнены при поддержке гранта Президента РФ MK-6661.2013.8.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. D. Empl, V. Laporte, E. Vincent, N. Dewobroto, A. Mortensen Improvement of elevated temperature mechanical properties of Cu-Ni-Sn-Pb alloys // Materials Science and Engineering A 527 (2010), pages 43264333

2. Mehmet Sirac Ozerdem,*, Sedat Kolukisa Artificial neural network approach to predict the mechanical properties of Cu-Sn-Pb-Zn-Ni cast alloys // Materials and Design, 30 (2009), pages 764-769.

3. Osmo Teppo, Jaana Niemela, Pekka Taskinen The copper-lead phase diagram // Thermochimica Acta; Volume 185, Issue 1, 21 August 1991, Pages 155-169

4. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов: учебник для вузов. - М.: МИСиС, 1998. - 400 с.

5. Martyushev N. V., Pashkov E. N. Tribotechnical properties lead bronzes // Applied Mechanics and Materials. — 2013 — Vol. 379. — P. 87-90.

6. Martyushev N. V., Pashkov E. N. Bronze sealing rings defects and ways of its elimination // Applied Mechanics and Materials. — 2013 — Vol. 379. — P. 82-86.

УДК 531.36 © Г.Р. Зиякаев, С. Л. Катанухина,

А.В Пономарев, 2013

ВЛИЯНИЕ ТРЕНИЯ НА ТОЧНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ НЕУРАВНОВЕШЕННЫХ РОТОРОВ

Рассмотрено влияние трения в подшипнике на точность автоматической балансировки неуравновешенных роторов шаровыми автоматическими балансирующими устройствами. Получена зависимость остаточного удельного дисбаланса системы от параметров АБУ и трения качения в контакте шар-обойма

Ключевые слова: автоматическая балансировка, автобалансирующие устройства, неуравновешенные роторы, виброзащита, дисбаланс, колебания, собственная частота

В связи с ростом угловой скорости вращения роторов приборов и машин увеличиваются уровни вибраций, вызываемые ими. Вредная вибрация нарушает планируемые конструктором законы движения машин, приводит к интенсивному износу деталей машин и подшипников, а в некоторых случаях и к авариям. Вибрация может явиться источником ухудшения качества выпускаемой продукции. Также вибрация оказывает непосредственное влияние на человека.