Спосіб визначення зносостійкості конструкційних матеріалів

Реферат: Спосіб визначення зносостійкості конструкційних матеріалів полягає у тому, що зразок конічної, пірамідальної чи призматичної форми здійснює тертя вершиною по плоскій поверхні при постійних значеннях нормального навантаження та швидкості ковзання. Зносостійкість визначається на основі залежності лінійного зносу та номінального нормального тиску від часу, відповідно до яких визначають емпіричну залежність інтенсивності лінійного зношування як функції номінального нормального тиску. Для визначення інтенсивності зношування використовується відносний комплексний показник оброблюваності досліджуваного конструкційного матеріалу, що враховує його хімічний склад та фізико-механічні властивості. Обчислюється показник шляхом використання методів багатовимірного статистичного аналізу, що включає методи зменшення розмірності масивів початкової інформації, методи класифікації, групування та розпізнавання образів. UA 83409 U (12) UA 83409 U UA 83409 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до методів визначення зносостійкості конструкційних матеріалів та може бути використана в машинобудуванні при виборі та оцінці їх працездатності. Відомий спосіб визначення зносостійкості аустенітних сталей і сплавів [1], який полягає в тому, що досліджуваний матеріал намагнічують, розміщуючи його в магнітному полі, визначають один з його магнітних параметрів та, за отриманою раніше залежністю цього магнітного параметра від зносостійкості для еталонних матеріалів, визначають зносостійкість. Як магнітний параметр визначають питому парамагнітну сприйнятливість аустеніту. Недоліками цього способу визначення зносостійкості є його трудомісткість, необхідність використання спеціалізованого обладнання, можливість застосування лише для аустенітних сталей і сплавів, а також те, що не враховуються конкретні властивості досліджуваних матеріалів. Відомий спосіб визначення зносостійкості сталей і сплавів [2], що включає сканування індентором поверхні матеріалу. Параметр матеріалу, за яким визначається зносостійкість, є величина тангенціальної сили опору поверхневого шару, що виникає при контактній деформації під час сканування індентором поверхні досліджуваного матеріалу. Недоліком даного способу є необхідність проведення довготривалих експериментальних досліджень, визначення зносостійкості проводиться за даними трибограм тангенціальної сили тертя індентора під час сканування зразків. Відомий спосіб прогнозування зносостійкості металевих деталей [3] шляхом формування індентором на поверхні натурної деталі кільцевої доріжки тертя, а зносостійкість оцінюється за зміною роботи виходу електронів на кільцевій доріжці тертя та за її межами. Недоліком цього способу є складність проведення експериментальних досліджень з визначення роботи виходу електронів на кільцевій доріжці тертя і за її межами. Відомий спосіб оцінки відносної зносостійкості матеріалу [4], який полягає у тому, що виготовляють із еталонного матеріалу два ідентичних зразки з постійною площею поперечного перерізу циліндричної форми або у вигляді прямокутного паралелепіпеда. Формують зміцнений шар на одній із їх торцевих поверхонь. Для оцінки товщини зміцненого шару випробовують один із припрацьованих зразків. Другий з них піддають зношуванню шляхом стирання абразивної поверхні на глибину, яка перевищує товщину зміцненого шару (покриття). Зношування еталонного матеріалу здійснюється після зносу зміцненого шару (покриття), визначають зміну лінійних розмірів зразка після припрацювання і після зношування, за їх співвідношенням роблять висновки про зносостійкість матеріалу зміцненого шару (покриття). Потім стирають еталонний матеріал, визначають лінійний розмір зразка та розраховують відносну зносостійкість. Недоліком даного способу є трудомісткість та довготривалість проведення експериментів, оскільки при кожному нормальному навантаженні є необхідність періодичного вимірювання лінійного зносу, що пов'язано із зупинкою процесу, а також побудова кривої накопичення зносу від часу. Найбільш близький до корисної моделі, що пропонується, є спосіб визначення зносостійкості конструкційних матеріалів [5], який полягає в тому, що зразок конічної, пірамідальної чи призматичної форми здійснює тертя вершиною по плоскій поверхні при постійних нормальному навантаженню і швидкості ковзання. Зносостійкість визначається на основі залежності лінійного зносу і номінального нормального тиску від часу, на основі яких обчислюють емпіричну залежність інтенсивності зношування як функції номінального нормального тиску. Недоліком даного способу є те, що при визначенні інтенсивності зношування не враховуються дійсні значення фізико-механічних властивостей та хімічного складу досліджуваного матеріалу. Основою корисної моделі є об'єктивний і економічний спосіб визначення зносостійкості конструкційних матеріалів без проведення довготривалих експериментальних досліджень на основі аналізу їх хімічного складу та фізико-механічних параметрів. Поставлена задача вирішується шляхом обробки інформації про параметри досліджуваного матеріалу (структуру, хімічний склад та фізико-механічні властивості), що не потребує великої кількості експериментальних досліджень, витрат часу та коштів. Пропонується визначення інтенсивності лінійного зношування конструкційних матеріалів виконувати на основі порівняння параметрів досліджуваного матеріалу з відповідними параметрами відомих конструкційних матеріалів. Але внаслідок того, що кожний матеріал характеризується великим набором характеристик (хімічний склад, фізико-механічні властивості тощо), таке порівняння традиційними методами виконати надто складно. Для вирішення цієї задачі пропонується використовувати багатомірний статистичний аналіз, що включає методи зменшення розмірності масивів початкової інформації, методи класифікації, групування та розпізнавання образів. 1 UA 83409 U 5 10 15 Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 - структурну схему визначення зносостійкості конструкційних матеріалів, яка реалізує спосіб, що заявляється; на Фіг. 2 - схему тертя зразка конічної форми по плоскій поверхні; на Фіг. 3 - схему тертя зразка пірамідальної форми по плоскій поверхні; на Фіг. 4 - схему тертя зразка призматичної форми по плоскій поверхні. Структурна схема містить: 1 - блок визначення параметрів досліджуваного конструкційного матеріалу; 2 - блок класифікації та групування конструкційних матеріалів; 3 - блок визначення класифікаційної групи, до якої належить досліджуваний матеріал; 4 - блок стиснення інформації про характеристики визначеної класифікаційної групи, 5 - блок визначення узагальнених характеристик для матеріалів класифікаційної групи; 6 - блок вибору еталонного матеріалу із класифікаційної групи; 7 - база даних результатів експериментальних досліджень матеріалів класифікаційної групи; 8 - блок проведення експериментальних досліджень еталонного матеріалу (при необхідності); 9 - блок обробки експериментальних даних та визначення степеневої залежності інтенсивності зношування від нормального тиску (при необхідності); 10 блок визначення інтенсивності зношування досліджуваного конструкційного матеріалу. Спосіб реалізується наступним чином. Відомо, що оброблюваність будь-якого конструкційного матеріалу M i кожної класифікаційної групи, можна однозначно характеризувати множиною значень параметрів: 20 25 30 Mi  Oi1, Oi2..., Oil , i  1 2, ... m , (1) , O ij - значення j-ї ознаки і-то конструкційного матеріалу; де m - розмір класифікаційної групи конструкційних матеріалів, що підлягає дослідженню; i - кількість параметрів, що характеризують будь-який конструкційний матеріал. Як такі параметри використовують структуру, хімічний склад та фізико-механічні властивості досліджуваного матеріалу. Тому, для реалізації запропонованого способу визначення інтенсивності лінійного зношування досліджуваного конструкційного матеріалу, спочатку засобами, що відповідають блоку 1, визначають дійсні значення вказаних властивостей цього матеріалу. Далі всі конструкційні матеріали за сукупністю наведених вище параметрів, які можуть мати як кількісні, так і якісні значення, за спеціальною методикою багатомірного статистичного аналізу класифікують на окремі групи (блок 2) та визначається класифікаційна функція для кожної класифікаційної групи hk  bk 0  bk1x1  bk 2x2  ...  bkp xp , k  1 g , (2) ,..., де h k - значення функції для класифікаційної групи матеріалів k ; xi , i  1 2, ... p - ознаки, що характеризують властивості конструкційних матеріалів; , 35 40 45 50 55 b ki - коефіцієнти, які визначають вплив і-ї ознаки матеріалу на значення k-ї класифікаційної функції. За реальними значеннями ознак, що характеризують досліджуваний матеріал, за допомогою отриманих в блоці 2 класифікаційних функцій, в блоці 3 визначають класифікаційну групу, до якої належить цей матеріал. Внаслідок того, що кількість ознак, які характеризують матеріали класифікаційної групи, є значною, в блоці 4 виконують стиснення масивів початкової інформації без зниження їх інформативності шляхом отримання латентних змінних та відповідних функцій, що пов'язують ознаки конструкційного матеріалу з цими змінними. Кількість отриманих латентних змінних, що в сукупності характеризують будь-який конструкційний матеріал класифікаційної групи, є значно меншою від загальної кількості ознак. Але для визначення інтенсивності лінійного зношування в блоці 5 за спеціальним алгоритмом встановлюють узагальнені параметри кожного матеріалу з врахуванням вагомості латентних змінних в функціях стиснення інформації. В блоці 6 вибирається матеріал-еталон. Далі відбувається звернення до блока 7 бази даних попередньо проведених експериментальних досліджень. У випадку, коли для матеріалу даної класифікаційної групи експериментальні дослідження вже проводилися і встановлені відповідні степеневі залежності, відбувається перехід до блока 10, що значно скорочує кількість експериментальних досліджень. В іншому випадку відбувається перехід до блока 8 експериментальних досліджень. На кресленнях (Фіг. 2-4) представлені схеми тертя зразків конічної, пірамідальної та призматичної форми по плоскій поверхні. Зразки піддають зношуванню, в результаті чого відбувається втрата маси зразка і його укорочення на величину лінійного зносу h та утворення площадки зносу, яка є паралельною площині тертя, шириною D . 2 UA 83409 U 5 По мірі розвитку лінійного зносу h збільшується нормальна площа контакту зразка з поверхнею тертя, що призводить до зменшення номінального нормального тиску. Проводять вимірювання ширини площадки зносу D і за цими даними в блоці 9 обчислюють величину лінійного зносу h та номінальний нормальний тиск q : для конічного зразка: h q D ctg 2 ; (3.а) 4N D 2 ; (3.б) для пірамідального зразка: h q 10 D ctg 2 ; (4.a) N D2 ; (4.б) для призматичного зразка: D ctg 2 ; (5.а) N q bD . (5.б) h 15 На основі математичного опрацювання отриманих експериментальних даних отримують наступні степеневі залежності: q Cq tn ; (6) h  Chtm , (7) де C q , C h , n , m - емпіричні константи; t - час процесу. Із формули (7) отримують залежність швидкості зношування як функції часу: 20 dh  Chmtm 1 dt , (8) ih  де ih - швидкість зношування. На основі формул (6-8) отримують рівняння швидкості зношування як функції нормального тиску: ih  Aq p , (9) m 1 25 A  mChCq n p 1 m n . де ; Із виразу (9) отримують степеневу залежність інтенсивності зношування від нормального тиску: ih A p   q  Kq p   , (10) де  - швидкість ковзання зразка конічної, пірамідальної чи призматичної форми по плоскій I 30 поверхні. Далі відбувається перехід до блока 7 і запис до бази даних результатів обчислень. В блоці 10 визначають відносний комплексний показник оброблюваності досліджуваного матеріалу як K'  35 Пдос Пет , (11) де Пдос та Пет - узагальнені параметри характеристик відповідно досліджуваного матеріалу та матеріалу-еталону. Тоді інтенсивність зношування досліджуваного матеріалу визначають за формулою: I  KK'qp (12) 40 Джерела інформації: 1. Патент України № 68116, кл G01N 27/76, G01N 3/56, 2012 р.; 3 UA 83409 U 2. Патент України № 70446, кл G01N 3/58, 2012 р.; 3. Патент України № 13900, кл G01N 3/56, 2006 р.; 4. Патент Российской Федерации № 2315284, кл G01N19/02, 2006 р.; 5. Патент Российской Федерации № 2433384, кл G01N 3/56, 2011 р. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб визначення зносостійкості конструкційних матеріалів, який полягає у тому, що зразок конічної, пірамідальної чи призматичної форми здійснює тертя вершиною по плоскій поверхні при постійних значеннях нормального навантаження та швидкості ковзання, зносостійкість визначається на основі залежності лінійного зносу та номінального нормального тиску від часу, відповідно до яких визначають емпіричну залежність інтенсивності лінійного зношування як функції номінального нормального тиску, який відрізняється тим, що для визначення інтенсивності зношування використовується відносний комплексний показник оброблюваності досліджуваного конструкційного матеріалу, що враховує його хімічний склад та фізико-механічні властивості, та обчислюється шляхом використання методів багатовимірного статистичного аналізу, що включає методи зменшення розмірності масивів початкової інформації, методи класифікації, групування та розпізнавання образів. 4 UA 83409 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5