книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

блюдать, что для исходной микроструктуры характерно равномерное распределение зерен составляющих, разме­ ры зерен практически одинаковы. Ближе к поверхности образца все четче проявляется вытянутость зерен в на­ правлении подачи деформирующего инструмента. Ста­ новятся менее заметными границы отдельных зерен и структурных составляющих, а в непосредственной близо­ сти от поверхности они трудно различимы (особенно у стали 15).

Электронные микрофотографии позволили полнее представить картину изменений микроструктуры поверх­ ностного слоя. Непосредственно у поверхности структура мелкодисперсна, ее составляющие, как и границы зерен, неразличимы. В этих объемах сталь потеряла специфи­ ческие свойства, характерные для кристаллических тел, и приобрела структуру,' характерную аморфным телам. Здесь микроструктура стали 45 и стали 15 практически одинакова. Это позволяет заключить, что физико-механи­ ческие свойства в этих областях стали иные, чем у исход­ ных структур.

Можно полагать, что равномерная мелкодисперсная структура, образующаяся на основе мелких блоков, должна вызвать упрочнение границ зерен.

По мере удаления от обкатанной поверхности состав­ ляющие структуры становятся крупнее, видны границы зерен и их конфигурация в плоскости образца, что осо­ бенно заметно при изменении содержания углерода в стали.

Таким образом, упрочнение стали в процессе поверх­ ностного пластического деформирования связано со структурными изменениями, измельчением блоков и, как показали проведенные исследования, с повышением плотности дислокаций и остаточных внутренних на­ пряжений.

Исследования тонкой структуры сталей с помощью электронного микроскопа подтвердили сделанные вы­ воды. Отмечено, что тончайшая пленка на поверхности деформированного образца имеет мелкодисперсную структуру, границ зерен и линий скольжения не видно, что изменение структуры наблюдается только после при­ ложения усилия, превышающего предел текучести мате­ риала, т. е. изменения в микростроении вызывает лишь пластическая деформация.

90

2. Остаточные напряжения в сталях, упрочненных наклепом

Обработка стальных деталей наклепом приводит к неравномерному изменению объема материала, располо­ женного на разной глубине. Ближе к поверхности более деформированные слои стремятся занять больший объем, чем слои, находящиеся под ними. Следствием этого явля­ ется возникновение остаточных напряжений. Н. Н. Давиденковым [42] остаточные напряжения классифицирова­ ны как напряжения I, II, III рода.

1.Напряжения I рода, макроскопические напряже­ ния, уравновешивающиеся в пределах больших объемов, имеющих размеры одного порядка с размерами тела. Это напряжения, вызванные неоднородной пластической де­ формацией, явившейся результатом действия внешних сил. Рентгенографически остаточные напряжения первого рода проявляются в смещении интерференционных линий (в большей степени задних линий).

2.Напряжения II рода, микроскопические, или кристаллитные напряжения, уравновешивающиеся в малых объемах одного порядка с размерами одного или несколь­ ких кристаллитов, рентгенографически эти напряжения

проявляются в размытии интерференционных линий (в большей степени задних).

3. Напряжения III рода, ультрамикроскопические (элементарные), уравновешивающиеся в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой. Эти напряжения при рентгеноскопии проявляются в ослабле­ нии интенсивности линий высших порядков дебаевского спектра и в усилении фона.

Макроскопические напряжения оказывают влияние на прочностные свойства изделий, иногда вызывают пластическую деформацию в больших объемах металла, коробление деталей, а порой их разрушение. Следствием

ция, вызывающая изменение межплоскостиых расстояний

вкристаллах, приводит к смещению соответствующих ли­ ний на рентгенограммах [5]. Эта взаимосвязь и положена

воснову рентгенографического метода определения оста­ точных напряжений, возникающих при пластическом деформировании металлов.

9 1

Проведенные работы по рентгенографическому ис­ следованию процессов деформации в основном связаны с обработкой металлов давлением, с весьма большими объ­ емами и скоростями деформации. Они не дают достаточ­ ных сведений о развитии искажений атомно-кристалли­ ческой решетки при упрочнении стальных деталей на­ клепом.

Обкатывание стальной поверхности роликами вызыва­ ет фпзпко-механпческпе изменения в поверхностном слое. Для изучения этих изменений применен рентгенострук­ турный анализ, с помощью которого были определены остаточные напряжения I рода, остаточные напряже­ ния II рода, размер блоков мозаики, плотность дис­ локаций.

Этот метод определения физических величин является косвенным, однако он имеет преимущества перед другими хотя бы в том, что не нарушает целостности детали или образца, является более прогрессивным и точным.

Исследования были выполнены на рентгеновском ап­ парате с ионизационной регистрацией УРС-50И. Пре­ имущества аппарата со счетчиком Гейгера для регистра­ ции дпфрагмнрованных рентгеновских пучков перед фото­ графическим методом неоспоримы. Наряду с ускоренным получением рентгенограмм значительно повышается чувствительность при измерении интенсивностей рентге­ новских лучей. Расходимость пучка ограничивается с по­ мощью трех щелевидных диафрагм, находящихся между рентгеновской трубкой и образцом, а также перед счет­ чиком. Диафрагма и устройство гониометра ГУР-3 дают возможность осуществлять падежную фокусировку.

Съемка рентгенограмм осуществлена с цилиндри­ ческой поверхности образца, вращающегося относитель­ но своей вертикальной оси с л = 30 обIмин. Была сконст­ руирована и изготовлена специальная головка (рис. 26). Для рентгеноструктурного анализа использованы такие же образцы, как и для испытаний на износ при трении скольжения. В качестве эталонов были приняты образцы из исследуемых марок сталей и армко-железа, отожжен­ ные при 850 °С. Режим работы аппарата следующий: из­ лучение Ка—Со, напряжение на трубке 30 кВ; сила тока

92

счетчике соответствовал 80 мм записи на диаграмме. Для определения остаточных напряжений и размера блоков мозаики выбраны интерференционные линии от кристал­ лографических плоскостей (ПО), (211), (220). Интерфе­

вместе с механическими свойствами являются основными

обработки стальной поверхности роликами позволили более подробно изучить (на одних и тех же образцах) взаимосвязь элементов тонкой кристаллической структу­ ры сталей с механическими и физическими свойствами, полученными при разной степени предварительного на­ клепа. Микроскопический и электронноскопический ана­ лизы, а также измерение твердости облегчили решение поставленной задачи. Остаточные напряжения и блочность структуры определялись по методике Г. В. Курдюмова и Л. И. Лысака [101, 102].

Напряжения I рода оценивались по изменению брегговского угла Ѳ, а II — по уширеншо одной из задних интерференционных линий (ß2) или (ß3).

93

Сумма главных остаточных напряжений первого рода равна:

Ѳ — брегговский угол, соответствующий взятым интерфе­ ренционным линиям; ДѲ — изменение брегговского угла за счет остаточных напряжений первого рода, рад.

Расчет остаточных напряжений первого рода сводится к рентгенографическому определению АѲ.

Расстояние L интерференционной линии на диаграмме

т. е. изменение записи на 1 мм соответствует 6,51 кГ/мм2. Междублетное расстояние с поправкой на Каі—а2 дублет для интерференционных линий найдено из выра­

жения

волн кобальтового излучения, соответственно равные 1,78890’

Углы для сталей найдены по формуле Вульфа—Брегга для кубической решетки

зіпѲ= Т 1 (Л2 + * 2 + <М. Об),

94

где п — удшрение интерференционных линий за счет на­ пряжений II рода; т — уширение интерференционных

УРС-50И 160 мм (расстояние от образца до щели счет­ чика); X— длина волны излучения А'а—Со.

Для определения величины напряжении II рода и за­ мера блоков был применен метод аппроксимации. Рас­ пределение интенсивности с некоторым приближением согласуется с теоретическими кривыми функций:

построенными в том же масштабе, что и эксперименталь­ ная кривая. Опытным путем (наложением) было установ­ лено, что распределение интегральной интенсивности / интерференционных линий (ПО), (2 1 1 ), (2 2 0 ) лучше все­

го согласуется с распределением интенсивности по кри­ вой функции Гаусса (39).

Как отмечено выше, уширение интерференционных ли­ ний обусловлено наличием в отражающем объеме микро-

95

искажений решетки и когерентно рассеивающих блоков малых размеров (ПО).

Ширина интерференционных линий была определена путем измерения интегральной интенсивности с помощью планиметра и последующего деления полученной площа­ ди на максимальную интенсивность: B' = S/H.

где В° = В'180 — угловая ширина интерференционных линий, град.

Средняя интегральная ширина интерференционных линий с поправкой на К а _ а дублет функции

во

представлена на рис. 27.

Истинное уширеине линий за счет остаточных напря­ жений II рода и блочиости структуры определено из вы­

= f{tn, п), т, п — уширение линии за счет дисперсности блока и микроскопических напряжений.

9 6

Для теоретической кривой (39)

При аналитическом разделении т и я использована различная угловая зависимость расширения, вызванного дисперсностью и микроискажениями. Этот метод раз­ дельного распределения микроискажений и размеров блоков впервые был предложен Делингером и Кохендорфером [45]

где 1 и 2 — индексы, относящиеся к первой и второй рас­

сматриваемым линиям. Из системы уравнений (45) — (48) найдены значения т и я для соответствующих ин­ терференционных линий.

При определении минимальной плотности дислокаций было сделано допущение, что на поверхности блока име­ ется я дислокаций, в этом случае длина дислокационной линии, приходящейся на один блок, 6 яП/2 , а их плот­

ность, выраженная через размер частиц,

При числе блоков в единице объема, равном 1/Z)3, я определяется или задается равным единице, что соот­ ветствует или отожженному состоянию (минимальная плотность дислокаций), или очень сильно деформирован­ ному состоянию, когда расположение дислокаций ста­ новится почти хаотическим.

Несмотря на то что иаилучшим вариантом для прово­ димых исследований была комбинация данных по интер­ ференционным линиям ( 1 1 0 ), (2 2 0 ), иногда из-за слабой

интегральной интенсивности интерференционной линии (2 2 0 ) необходимо было провести для контроля дополни­

тельные эксперименты по интерференционной линии

(2 1 1).

Подсчитать абсолютное значение остаточных напря­ жений второго рода не представилось возможным из-за большого отношения ß5/ß2, превышающего 1 /А. Поэтому

изменение остаточных напряжений второго рода дано как изменение ушпрения задней интерференционной ли­ нии ß2 или ß3. Следует отметить, что в литературе, как

правило, изменение остаточных напряжении дается как изменение уширения задней интерференционной линии, отвечающей изменению напряжений II рода. Это вызвано еще и тем, что нет данных о величине модулей упругости для отдельных кристаллографических направлений.

Рентгеноструктурпые исследования подтвердили нали­ чие тесной связи между тонкой кристаллической структу­ рой, твердостью и износостойкостью деформированного слоя стали. Данные экспериментов и выведенные на их основе зависимости для исследуемых материалов указы­ вают, что при обкатывании в поверхностном слое растут остаточные напряжения, уменьшается размер блоков и изменяется плотность дефектов кристаллической решетки. Характер изменения макро- и микроискажений решетки аналогичен изменению при объемной деформа­ ции. Поэтому теория о пластическом деформировании металлов приемлема для объяснения явлений, происхо­ дящих в поверхностном слое при обкатывании.

Как было отмечено, для объяснения некоторых про­ цессов, протекающих в металлах и сплавах при обработ­ ке их пластическим деформированием, все чаще исполь­ зуется теория дислокаций. Большой ее успех связан с тем, что понятие дислокации очень широко, оно дает воз­ можность обобщить и объяснить ряд явлений и особен­ ностей, происходящих в металле. Эта теория использова­ на для объяснения механизма упрочнения поверхности наклепом. Она позволила высказать предположения о

9 8

влиянии технологических режимов обкатывания на кристаллическую структуру. Под действием внешних сил в отдельных кристаллах поверхностного слоя деталей происходит дробление блоков, скольжение по плоскостям, в которых атомы расположены более плотно.

Эксперименты подтвердили, что с ростом усилия об­ катывания, особенно в начальный период, уменьшается размер областей когерентного рассеивания (блоков). Величина блоков при наибольшей степени наклепа ста­ ли 45 равна 1,60-10-6, стали 35— 1,84-ІО-6, стали 15— і ,83 -10— 6 и стали 45Г2— 1,31 • 10_ 6 см. Характер измене­

ния размера блоков от усилия обкатывания идентичен для всех исследуемых сталей, величина же их различна, она зависит от физико-механических свойств сталей. При средних усилиях обкатывания (исследуемого диапазона) особенно сильное дробление блоков наблюдается у сталей 15 и 45Г2 (рис. 28).

С дроблением блоков изменялся характер распреде­ ления и плотность дислокаций (рис. 29). В зависимости от усилия обкатывания плотность колебалась в пределах для стали 45—5,52-10"— 11,58-1011; для стали 35— 3,75-10й—8,33-10"; для стали 15-3,96- 1011—8,31 • 10“ и для стали 45Г2—5,77-1011— 14,50-10й см~2. С увеличе­ нием давления плотность дислокаций у среднеуглероди­ стых сталей (особенно у стали 45) плавно увеличивалась, вызывая повышение твердости и износостойкости поверх­ ности. Ее мелкозернистая однородная структура не позво­ ляет быстро развиваться и перемещаться дислокациям, так как многочисленные границы зерен являются серьез­ ным препятствием.

С уменьшением углерода в стали и ростом зерен феррита при тех же режимах обкатывания развитие дис­ локаций идет значительно быстрее (сталь 15). Марганец в стали 45Г2, вероятно, способствует развитию дислокаций, чем и обусловлена некоторая повышенная их плотность по сравнению со сталью 45. Размещение в субграницах исходных неподвижных дислокаций способствует кон­ центрации подвижных и развивающихся, которые и влия­ ют на весь процесс пластической деформации, иа величи­ ну макро- и микроиапряжений.

Из рис. 30 видно, что макронапряжения на поверх­ ности образцов из стали 45 достигают максимума уже при усилии обкатывания 14,7 кН, а затем почти не из­