Анализ напряженного состояния, прочности и долговечности твердосплавных изделий с градиентной структурой

Abstract

Приведены результаты конечноэлементного анализа напряженного состояния буровой коронки ударно-вращательного действия, оснащенной твердосплавными вставками, при контактном взаимодействии с горной породой с учетом технологических напряжений после пайки. Установлены зоны наиболее вероятного разрушения вставок. На основании разработанного критерия усталостной прочности структурно-неоднородных материалов определено оптимальное с точки зрения долговечности содержание связующей фазы во вставках. Показано, что формирование градиентной структуры твердого сплава, при которой в основном объеме материала сохраняются исходные механические свойства, а в зоне действия растягивающих напряжений значение предела прочности при растяжении повышенное, приводит к увеличению эксплуатационной стойкости твердосплавных изделий и существенному уменьшению зависимости их циклической прочности от масштабного фактора.

Наведено результати скінченноелементного аналізу напруженого стану бурової коронки ударно-обертальної дії, що оснащена твердосплавними вставками, при контактній взаємодії з гірською породою з урахуванням технологічних напружень після паяння. На основі розробленого критерію міцності від утомленості структурно-неоднорідних матеріалів визначено оптимальний з точки зору довговічності вміст сполучної фази у вставках. Показано, що формування градієнтної структури твердого сплаву, коли в основному об’ємі матеріалу зберігаються початкові механічні властивості, а у зоні дії розтягуючих напружень границя міцності має підвищене значення, призводить до росту експлуатаційної стійкості твердосплавних виробів та суттєвого зменшення залежності їх циклічної міцності від масштабного фактора.

We present results of finite-element analysis of the stress-strain state of a shock-rotational crown bit, equipped with hard-alloy insertions, which is subjected to contact interaction with mountain rock, with account taken of technological post-soldering stresses in the crown bit. Zones of the most probable failure of insertions are established. Based on the proposed criterion of fatigue strength of structurally heterogeneous materials, we have specified the bonding phase composition, which is the optimal from the point of view of its durability. It is shown that formation of the hard alloy gradient structure, which ensures preservation of the initial mechanical properties in the material bulk volume, as well as increased tensile strength in the zone of tensile stress, results in the improvement of operational durability of hard-alloy parts and essential reduction of the dependence of their cyclical strength from the scale factor.