2.1.1. Поверхностная упрочняющая обработка

Одним из эффективных способов формирования нано- и субмикрокристаллического состояния в поверхностном слое является ультразвуковая обработка (УЗО). УЗО позволяет значительно изменять дислокационную структуру материала, измельчать зерна и субзерна до размеров субмикронного диапазона, тем самым влиять на физико-химические, механические и др. свойства металлов и сплавов. Закономерности формирования дислокационной структуры определяется исходным структурным состоянием материала, его фазовым составом и температурно-скоростным режимами обработки.

В работе [16] разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закаленных конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твердости и прочности за счет создания нанокристаллических структур с размером зерна 5–10нм на глубине 15 – 20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Наблюдается возрастание твердости с исходного уровня 44-46 до 54-56, а в ряде случаев до 68-70 HRC. Технология дает возможность получения тонкой нанокристаллической структуры на деталях любых размеров и любой геометрии на глубинах 15-20 мкм. Температура в зоне контакта ультразвукового инструмента и обрабатываемой детали в момент удара повышается от 800-1000°с, а порог термической стабильности полученных нано- и микроструктур не превосходит 450-500°С. Для быстрого локального теплоотвода от пятна контакта инструмента и обрабатываемой детали при УЗО рекомендовано применение жидкостных и комбинированных систем ввиду их высокой эффективности, а также вихревой трубы из-за простоты ее изготовления и применения в технологическом процессе. Микротвердость обработанной поверхности после УЗО с охлаждением растет тем значительнее, чем эффективнее способ охлаждения. Применение в технологической схеме УЗО жидкостного охлаждения позволяет увеличить слой тонкой нанокристаллической структуры на деталях любых размеров и любой геометрии до 20-25мкм.

Для повышения контактной выносливости поверхностных слоев деталей обычно выполняют химико-термическую обработку [17]. Контактную выносливость можно повысить, если после химико-термической обработки провести поверхностное деформационное упрочнение, которое укрепляет слабые участки структуры и тем самым затрудняет развитие в них микропластической деформации при контактном нагружении.

Дислокационная структура мартенсита претерпевает при деформационной обработке существенное изменение. Характер и степень этих изменений зависят от режима обработки, состава стали и исходной структуры цементированного слоя – от присутствия избыточной карбидной фазы и остаточного аустенита. Образуются в пределах одного зерна плотные замкнутые дислокационные стенки и заключенные между ними объемы с относительно низкой плотностью дислокаций. Такие фрагментированные дислокационные структуры относятся к диссипативным и означают минимизацию энергии всей дислокационной системы. Их формирование приводит к уменьшению подвижности дислокаций и тормозит развитие процессов контактной усталости материала. Другой процесс связан с локализацией микродеформаций и микронапряжений у структурных концентраторов, которая ослабляется при наличии остаточного аустенита и усиливается с ростом концентрации избыточной карбидной фазы. При исчерпании запаса пластичности мартенсита, возможно расслоение на границе раздела карбид-матрица. Повышение пластичности мартенсита при увеличении температуры отпуска делает возможной релаксацию напряжений у структурных концентраторов (карбидов). При одновременном воздействии нагрева и деформации обеспечивается формирование более регулярной ячеистой дислокационной структуры с понижением микроискажении мартенсита.

Выявление физических закономерностей пластической деформации и разрушения поверхностных слоев твердого тела представляет актуальную проблему физики прочности и пластичности, поскольку свободная поверхность, являясь специфическим видом плоского дефекта в кристалле, оказывает существенное влияние на его физико-механические свойства. Оказывает влияние на упругую стадию деформирования, предел пропорциональности, предел текучести и начальную стадию деформации, на общий характер кривой « напряжение-деформация»и различные стадии деформационного упрочнения, на процессы хрупкого и усталостного разрушения.

Послойный электронно-микроскопический анализ показал, что микропластическая деформация материала начинается на упругой стадии деформирования значительно раньше достижения макроскопического предела пропорциональности и предела текучести и протекает в основном в поверхностных слоях на глубине 30-100 мкм, не затрагивая его внутренние слои [11]. Толщина градиентного слоя с повышенной плотностью дислокаций является функцией степени, температуры и скорости деформации, а плотность дислокаций в пределах этого слоя изменяется от 10⁶-10⁷ см^-2 непосредственно вблизи поверхности до бездислокационного уровня на глубине более 30-100 мкм от поверхности. После прохождения макроскопического предела текучести в пластическое течение вовлекаются и внутренние слои кристалла и поверхностный градиент плотности дислокаций постепенно уменьшается. Повышенная плотность дислокаций в поверхностной области сохраняется вплоть до 8 – 10% степени деформации, что оказывает существенное влияние на макроскопическую кинетику деформационного упрочнения. Аналогичную тенденцию показывает послойная электронная микроскопия, при этом с увеличением глубины с полированного поверхностного слоя, плотность дислокаций резко уменьшается, а размер ячеек дислокационной структуры увеличивается.

Образование градиента повышенной плотности дислокаций вблизи поверхности оказывает дополнительное сопротивление дислокациям, выходящим из объема кристалла на его поверхность. Образование поверхностного градиента плотности дислокаций на начальной стадии деформации и его влияние на макроскопическую деформацию присуще металлическим и полупроводниковым материалам.

За акты микропластичности на начальной стадии деформирования ответственны сугубо приповерхностные слои и соответственно приповерхностные источники дислокаций.

Макроскопическая кинетика деформационного упрочнения изменяет предел пропорциональности при удалении (полировании) поверхностного слоя – уменьшается величина текущего деформирующего напряжения, которое возрастает с ростом толщины сполированного слоя и степени деформации, достигая 25% от значения предела текучести материала. Процесс гетерогенного зарождения дислокаций рассматривается с позиции термоактивируемого процесса. Плотность гетерогенных источников дислокаций вблизи поверхности больше, чем в объеме кристалла вследствие наличия дополнительного спектра гетерогенных источников в виде поверхностного рельефа, ступенек, окислов и др.

Средние значения скоростей движения дислокаций в поверхностных слоях кристалла кремния на порядок выше, чем во внутренних объемных его слоях. Свободные и внутренние (межграничные и межфазные) поверхности очень сильно развиты в композиционных и нанокристаллических материалах, что представляет особый интерес для технологических процессов создания, обработки и эксплуатации материалов. Особое значение развитая межграничная и межфазовая поверхность играет в решении проблемы получения высокопрочных материалов при создании нанокристаллических структур. При обработке конструкционных материалов различными технологическими способами, реализующими высокий уровень гидростатических напряжений со сдвигом – прокатка, гидроэкструзия, гидроштамповка, ультразвуковая обработка и т.д.) получен размер субструктуры на уровне 5-20 нм. Прочность и микротвердость увеличивается в 3-4 по сравнению с исходным состоянием.

Другой новой технологией получения материалов с нанокристаллической структурой является специальный вид поверхностной упрочняющей обработки деталей любых форм и размеров с помощью мощного технического ультразвука. Твердые сплавы имеют 12 класс чистоты поверхности с одновременным её упрочнением на 200-300% за счет получения наноструктур на любых массивных деталях (валы прокатных станов, штампы и т.д.) с размером зерна 3-10 нм на глубинах 15-20 мкм, что повышает твердость, износостойкость, прочность и ресурс работы.

Развитая концепция физической мезомеханики пластической деформации и разрушения, основанная на иерархическом самосогласовании структурных уровней деформации принципиально отличается от подходов механики сплошной среды и теории дислокаций.

Выделены следующие структурные уровни деформации [12]:

• микролокальная неустойчивость к сдвигу кристаллической решетки;

• мезо1 – формирование диссипативных субструктур в исходной структуре материала;

• мезо2 – стохастическое распределение мезо полос и фрагментация структуры;

• макроскопическое образование сопряженных макрополос, глобальная потеря устойчивости системы с переходом к макроразрушению.

Полученные закономерности [12] подтверждают концепцию физической мезомеханики и позволяют связать число циклов до разрушения, отвечающее достижению в мезо2 – фазе циклического деформируемого материала критической степени повреждаемости, характеризующей глобальную потерю устойчивости системы к сдвигу, т.е. происходит переход при деформации от мезо 2 уровня к макроуровню и независимо от внешних условий нагружения.

Полученные результаты позволяют сформулировать новые подходы к испытаниям материалов, к правилам выбора материала при конструировании, оптимизации свойств конструкционных материалов и видов их термической обработки.

При высоких температурах деформационные процессы сосредотачиваются по границам зерен, в зонах полос скольжения и в зонах с повышенным уровнем пластических деформаций, развиваются процессы деформационного старения и выпадение новых фаз.

Деформационные микрорельефы на железе подразделяются на четыре типа [13]:

1 тип: взаимное смещение зерен относительно друг друга с образованием трещин по границам;

2 тип микрорельефов: складки в зонах сопряжения границ 3-х зерен за счет проявления пластических деформаций, возникающих под действием концентрации напряжений вследствие анизотропии свойств зерен;

3 тип микрорельефов: полигонизация и фрагментация зерен под действием переменной нагрузки. Величина фрагментации зерен возрастает по мере удаления от границы к средней части зерна. Размер субзерен составляет 10^-4 – 10^-5 см. Степень их разориентации составляет малые углы порядка нескольких градусов.

4 тип: собирательная рекристализация, связанная с миграцией границ зерен. Особенно интенсивно мигрируют границы, ориентированные перпендикулярно к действию прикладываемых извне напряжений.

Представленные классификационные схемы не исчерпывают микрорельефов, развивающихся в сплавах с ОЦК - решеткой [14].