книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

Г л а в а II

ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

I. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ППД

. В процессе упрочнения поверхностный слой пластич­ ных материалов сильно деформируется и теряет свою равноосную структуру. В нем образуется специфическое волокнистое строение, называемое текстурой. Тонкая кристаллическая структура материала претерпевает су­ щественные изменения. Происходит дробление блоков, распад остаточного аустенита и наводятся межкристал­ литные микроискажения кристаллической решетки. В ре­ зультате этого изменяются физические свойства поверх­ ности и прочностные свойства материала.

При нагружении металла деформирующим элемен­ том происходит интенсивное дробление структурных со­ ставляющих на блоки. Вследствие развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются измельченные зерна. В обрабатываемой цилиндрической детали деформирова­ ние в радиальном и окружном направлениях сильно за­ труднено. Поэтому пластическая деформация преобла­ дает только в осевом направлении и зерна металла вы­ тягиваются в осевом и суживаются в радиальном и окружном направлениях. Происходит образование упо­ рядоченной ориентированной структуры волокнистого характера, для которой характерна анизотропия механи­ ческих свойств с повышенными пластичными свойствами вдоль волокон. Такая картина наблюдается при незна­ чительных степенях деформации и по мере увеличения степени деформации или количества проходов в тончай­ шем поверхностном слое вообще не наблюдается кри­ сталлического строения материала [165].

При обкатывании роликами стали 15 в состоянии по­ ставки с усилием 50—500 кгс на фойе белого хромового покрытия виден петравящийся деформированный слой с

40

раздробленными и вытянутыми нижележащими зернами. С увеличением усилия обкатывания до 2000 кге поверх­ ностные кристаллы слабо различимы и имеют вытяну­ тую форму параллельно образующей детали [199]. Причем в последнем случае в поверхностном слое появи­ лись микротрещины и намечается образование частичек отслаивающегося металла.

Пластины мартенсита в результате обкатывания раз­ биваются и теряют прямолинейность очертаний. При уси­ лии 200 кге в случае обкатывания закаленной стали 18Х2Н4ВА пластины мартенсита разбиваются па отдель­ ные фрагменты, но при этом сохраняется определенная направленность. С увеличением усилия до 500 кге исче­ зает всякая ориентация и субмикроструктура представ­ ляет собой беспорядочное нагромождение бесформенных пластин мартенсита [13].

Поверхностная пластическая деформация приводит также к выделению'карбидов, количество которых увели­ чивается ’с ростом степени деформации. Наиболее силь­ ные изменения микроструктуры наблюдаются на поверх­ ности до глубины 0,05—0,1 мм. По мере удаления от поверхности уменьшается степень искаженное™ мартен­ сита и количество карбидов, а структура постепенно'пе­ реходит в структуру исходного материала.

Исследование структурных изменений в закаленной стали ШХ15 при упрочнении показало, что наряду с ин­ тенсивным дроблением блоков происходит уменьшение количества остаточного аустенита. Последнее объясня­ ется увеличением микронапряжений в зернах аустенита, что приводит к переходу неустойчивой фазы аустенита в более устойчивую — мартенсит [53]. Причем превраще­ ние остаточного аустенита в мартенсит начинается при меньших удельных давлениях, чем увеличение микро­ твердости.

При алмазном выглаживании стали ШХ15 с содер­ жанием остаточного аустенита 30% на превращение остаточного аустенита в мартенсит из составляющих ре­ жима упрочнения наибольшее влияние оказывает усилие (рис. 13). С увеличением усилия выглаживания количе­ ство аустенита резко уменьшается и при Р —32 кге он полностью превращается в мартенсит [178].

Интенсивное дробление блоковкогерентного рассея­ ния мартенсита (от 200 до 90 А) стали У10 с содержа-

41

нием остаточного аустенита 25% начинается при малых степенях деформации (до 2%), а распад остаточного аустенита особенно интенсивный в области деформаций до 5% [196].

Величина микроискажений кристаллической решетки мартенсита увеличивается только при незначительной степени деформации и с ее повышением устанавливается

А,%

Рис. 13. Зависимость остаточного аустенита в поверхностном слое стали ШХ15 (HRC 60—62) от параметров режима алмазного выгла­ живания: 1 — усилия Я; 2 — подачи S; 3 — числа проходов k\ 4 — скорости V

в пределах (4—5 ) -ІО-3. По-видимому, при деформиро­ вании закаленных сталей давления, применяемые при упрочнении, не могут привести к более сильному увели­ чению микроискажений решетки мартенсита.

Дробление блоков мартенсита при незначительных степенях деформации и дальнейшую стабилизацию их размеров авторы работы [196] объясняют особенностями строения мартенситных блоков, которые при размерах 200—300 Ä имеют двойниковую структуру с размерами

42

пластин порядка 100 Ä, и при определенных усилиях про­ исходит дробление по границам двойниковых пластин.

Поверхностное деформирование закаленной стали вы­ зывает также выход углерода из решетки частично рас­ падающегося тетрагонального мартенсита и это является одной из основных причин изменения прочностных ха­ рактеристик стали [16, 196]. Так, например, в стали У10 наблюдается уменьшение углерода от 1 до 0,56%, осо­

нием дисперсных карбидных частиц; переходом углерода из упорядоченного расположения в решетке мартенсита в неупорядоченное (уменьшение количества тетрагональ­ ного за счет образования кубического мартенсита); пере­ ходом углерода из решетки мартенсита в дефекты и ва­ кансии, имеющиеся на границах блоков и двойников в кристалле мартенсита.

Холодное пластическое деформирование металла вы­ зывает смещение атомов с положений их устойчивого равновесия, при котором наблюдается наиболее плотное размещение атомов в кристаллической решетке. При этом происходят искажения кристаллической решетки и возникновение внутрикристаллитных и межкристаллит-

пых нарушений, что вызывает уменьшение плотности материала.

При наклепе перенасыщенных твердых растворов ча­ стично происходит их распад, в результате которого вы­ деляются мелкодисперсные частицы новых структурных образований. Попадая на плоскости скольжения, эти частицы в значительной мере могут блокировать разви­ тие сдвигов. Так, при холодном пластическом деформи­ ровании аустенитных сталей 40Г13 и 40Х10Г10 наряду с мартенситным превращением обнаружено интенсивное образование a-фазы по мере увеличения степени пласти­ ческой деформации [26].

Данные табл. 6 показывают, что в никелевой стали 40Н25 a-фаза не выявлена. Образование a -фазы в мар­ ганцовистых сталях дает основание предположить, что она является ответственной за более эффективное уве­ личение твердости при пластическом деформировании.

Таким образом, при поверхностном деформировании структура пластичных материалов претерпевает сущест-

43.

Т а б л и ц а 6

Зависимость количества a -фазы и микротвердости от степени пластической деформации сталей 40X1ОГІО, 40Г13 и 40Н25

Факторы Сталь 40Х10Г10

венные изменения, что оказывает влияние на твердость, остаточные напряжения и механические свойства.

2. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Поверхностное пластическое деформирование сопро­ вождается наклепом слоя металла, охваченного пласти­ ческой деформацией. В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость.

ных несовершенств (плотности, качества и взаимодейст­ вия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и наведением микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, помимо этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выде­ ление дисперсных карбидных частиц.

Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен. Упрочне­ ние металла при наклепе связано с массовым развитием дислокаций и концентрацией их около линий сдвигов. Так как дислокации окружены полями упругих иапряже-

44

нии, то для последующей пластической деформации не­ обходимо значительно большее напряжение, чем в неупрочненном. Этому способствует сильная разориентация раздробленных блоков, распределение множества дисло­ каций в деформированном объеме металла, а также вы­ деление дисперсных карбидных частиц, которые играют роль шипов, препятствующих развитию сдвигов по плос­ костям скольжения. По­ верхностная твердость об­ рабатываемого материа­ ла н глубина пластической деформации зависят от ре­ жимов упрочнения, физи­ ко-механических свойств, структуры и химического состава материала.

Интенсивность накле­ па тем выше, чем мягче

Рис. 14. Увеличение твердости углеродистых и легированных сталей при пластическом де­ формировании в различных структурных состояниях при степени деформации d/D = 0,5: 1 — углеродистые стали; 2—ле­ гированные (I — феррит и феррит + перлит; II — перлит; III— сорбит; IV — троостит и мар­

тенсит)

сталь; на незакаленных сталях в результате поверхност­ ного деформирования можно получить увеличение твер­ дости более 100%, а у закаленных только на 10—50%.

Как показали эксперименты И. В. Кудрявцева и Е. В. Рымыновой [98], прирост твердости предопреде­ ляется структурой деформируемой стали. Наибольшее повышение твердости наблюдается в сталях со структу­ рой аустенита, феррита и мартенсита (рис. 14), наимень­ шее — со структурой перлита и сорбита. Абсолютный прирост твердости в результате наклепа составляет для мартенситных структур НВ 180—320, а для сталей, со­ держащих избыточный феррит,— НВ 60—120. Сущест­

45

венное увеличение твердости мартенситных структур объясняется тем, что, помимо упрочнения пластическим деформированием, происходит частичное превращение аустенита в мартенсит и выделение высокодисперсных карбидных частиц.

Подобные зависимости повышения твердости зака­ ленных сталей с различными структурами получены при их упрочнении шариками [137] и роликами [13]. При упрочнении сталей 15 и 45 с ферритной и перлитной структурами шариковой раскаткой повышение твердости последних на 10—15% ниже первых [76].

Относительное увеличение твердости у углеродистых сталей выше, чем у легированных для одного и того же структурного состояния, вследствие того что остаточные искажения кристаллической решетки, возникающие в результате легирования, в значительной степени затруд­ няют дальнейшее искажение решетки при пластическом деформировании.

Упрочнение сталей с различным содержанием углеро­ да при удельных давлениях в зоне контакта, обеспечи­ вающих максимально возможный прирост твердости (табл. 7), показало, что ее прирост уменьшается с увели­ чением содержания углерода [51]. При этом отношение НѴц/НѴпех непрерывно снижается с увеличением содер­ жания углерода.-

Т а б л и ц а 7

Увеличение твердости при обкатывании стальных образцов с различной исходной твердостью

46

При раскатывании жесткой шариковой раскаткой сталей с различным содержанием углерода получены подобные результаты [76].

Из составляющих режимов упрочнения наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает удельное давление деформирующего элемента в контакте с обра­ батываемой деталью и кратность приложения этого давления. Величина удельного давления предопределя­ ется усилием обкатывания и геометрией деформирующе- •го элемента и детали, а также физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Кратность приложения давления зависит от величины подачи, дли­ ны линии контакта, количества проходов и количества деформирующих элементов.

Влияние усилия при ППД и геометрических парамет­ ров деформирующих элементов на показатели упрочне­ ния материала следует связывать с изменением удельно­ го давления между деформирующим элементом и де­

талью.

Анализ зависимости прироста поверхностной твердо­ сти (рис. 15) показывает, что с увеличением усилия сте­ пень наклепа возрастает примерно прямо пропорцио­ нально только до предельно допустимого давления для данной геометрии деформирующего ролика. Превыше­ ние этого давления сопровождается остановкой роста твердости и ее снижением в связи с перенаклепом. Поло­ жение максимума с увеличением профильного радиуса смещается в сторону высоких усилий, и для Ruр = 24 мм в области практически применяемых усилий перегиб не достигнут. Поэтому для упрочнения деталей малой жест­ кости необходимо использовать деформирующие элемен­ ты с малым профильным радиусом, что позволит полу­ чить максимальное увеличение твердости при незначи­

тельных усилиях.

Подобная зависимость также на незакаленной стали 45 получена в работе [51] при обкатывании образцов трехшариковым приспособлением с различными диамет­

рами шариков.

Размеры деформирующего элемента оказывают ме­ нее существенное влияние на глубину наклепа, чем на твердость. В области малых усилий обкатывания боль­ шая глубина получена при обкатывании шариками и ро­ ликами с малыми радиусами. При увеличении усилия

47

глубина наклепа растет более интенсивно для больших радиусов [51, 200].

Глубина наклепа непрерывно возрастает с увеличе­ нием удельного давления. Однако при этом происходит

разрушение поверхностного слоя и его твердость резко снижается (см. рис. 15).

Исследования влияния усилия алмазного выглажи­ вания (ЯСф=1,3 мм\ 5 = 0,022 мм/об\ Ѵ= 41 м/мин; /г = 1)

йНВ.Уо

Рис. 15. Зависимость степени повышения поверхностной твердости наклепанного слоя ѴНВ от усилия обкатывания роликом с различ­ ными Рпр.' 1 — 5 мм; 2 — 12; 3 — 24 мм и диаметрами детали: а — 60 и 140 мм (сплошные линии); б — 100 и 180 мм (штриховые)

этом степень упрочнения колеблется в пределах 21—

проходов и подачи на характеристики упрочненного слоя

48

нельзя рассматривать без учета приложенного усилия. Для каждого материала величина усилия, при котором достигается максимальная твердость, в некоторой мере зависит от подачи и числа проходов. Так, при обкатыва­ нии образцов из стали 20 (рис. 17) шариками 0 10 мм с подачей 0,06 мм шелушение поверхности наступает при

н50,кгс/ммг

Рис. 16. Изменение микротвер­ дости по глубине поверхностно­ го слоя h стали ШХ15 (HRC 60—62) в зависимости от уси­ лия при алмазном выглажива­ нии: 7 — Р = 5 кгс- 2 — 9; 3 — 15; 4 — 18; 5 — 24; 5 — 34; 7 —

Р=48 кгс

=0,24 мм/об соответственно возрастают до 80 и 150 кгс

[51].Это показывает,

что с увеличением крат­ Р,ьгс/ммг ности приложения уси­ лия допустимое его зна­ чение уменьшается и наоборот.

Рис. 17. Зависимость допу­ стимого удельного давления при обкатывании стали 20 от подачи и количества про­ ходов: 1, 2, 3, 4 — соответ­ ственно 1,2, 3, 5 проходов

По данным работы [51], при обкатывании шариками 0 10 мм с подачей 0,06 мм]об за один проход допустимое удельное давление равно: для стали 20—80 кгс]мм2\ для