Экспериментальная оценка связи энергии деформации с параметрами структурного состояния материала деформируемых поверхностей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВЯЗИ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМАЦИИ С ПАРАМЕТРАМИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

© 2011 Д.Г. Громаковский, А.А. Ермошкин, А.Г. Ковшов, М.В. Карпухин

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 10.11.2011

Приведены результаты экспериментальной оценки методами склерометрии и рентгеноструктурного анализа связи удельной энергии деформации поверхностей металлических образцов после различных видов механической обработки с уровнем повреждаемости тонкой структуры материала поверхностных слоев.

Ключевые слова: образец, поверхность, материал, структура, склерометрия, рентгенография, энергия, деформация, дислокация

Введение

Кинетическая термофлуктуационная концепция деформации и разрушения твердых тел [1,2], рассматривает энергию активации деформации иадеф = Щ(Г,Т, у )= II(<Х,7 , [?,). как функцию действующего напряжения с , температуры Т и структурного состояния деформированного материала у, характеризуемого уровнем накопленных повреждений 2 В статье рассмотрена связь удельной энергии деформации поверхностей испытываемых образцов с уровнем повреждаемости тонкой структуры материала приповерхностного слоя.

Методика испытаний

Испытывали торцевые поверхности цилиндрических образцов (диаметром 30 мм, высотой 18 мм) из стали 40Х, титанового сплава ВТ9 и бронзы БрАЖ 9-4 после точения, шлифования и притирки с алмазной пастой. Шероховатость поверхностей измеряли профилографом-профилометром ВИ-201, микротвердость - микротвердомером ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76.

Энергию пластической деформации после механической обработки образцов оценивали методом склерометрии [3] на разработанном склерометре в процессе царапания обработанной поверхности алмазным индентором Виккерса с углом между гранями при вершине 1360.

Удельную энергию деформации рассчитывали по формуле Идеф= Адеф/У деф, Дж/мм3 , (1)

где Адеф=Ес.-Ь, работа деформации, Дж; Ет/- тангенциальное усилие царапания (деформации), Н; Ь - длина царапины, мм; Удеф=Б-Ь- объем деформированного материала, мм3; 8=0,07Б2 - площадь,

Громаковский Дмитрий Григорьевич, д.т.н., профессор, директор НТЦ«Надежность». E-mail:pnms3@mail.ru Ермошкин Андрей Александрович, ассистент кафедры металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов, E-mail: mvm@samgtu.ru

Ковшов Анатолий Гаврилович, к.т.н., доцент кафедры технологии машиностроения, факультет МиАТ, СамГТУ, E-mail:tms@samgtu.ru Карпухин Михаил Васильевич, аспирант, инженер НТЦ «Надежность

поперечного сечения борозды при царапании, мм ; D - диагональ отпечатка индентора, мм. Для получения достоверных данных с доверительной вероятностью 0,95 проводили порядка 15 измерений.

Состояние тонкой кристаллической структуры поверхностных слоев оценивали методами рентгенографии после соответствующей механической обработки образцов. Оценивали изменения физического уширения рентгеновских интерференционных линий в, размеров блоков мозаик D и микроискажений Да/а, параметра решетки а (межатомного расстояния) и рентгенографической плотности дислокаций р.

Рентгенографирование деформируемых поверхностей проводили на дифрактометре Thermo Scientiffic в медном Ka излучении при режиме работы трубки U=43 кВ, 7=38 мА при скорости вращения фиксирующего счетчика (детектора ) 2 градуса в минуту. С каждого образца сначала снимали ди-фрактограмму для выбора интерференционных максимумов hkl после чего проводилось исследование состояния дефектной структуры по глубине поверхностного слоя методом скользящего пучка [4]. Съемки проводили при углах скольжения первичного пучка рентгеновских лучей а=2;5;10 градусов.

Разделение вклада отражения от малых областей когерентного рассеяния (блоков) и микроискажений в физическое уширение рентгеновских линий проводили методом гармонического анализа формы линии. Для практического определения коэффициентов разложения в ряд Фурье экспериментальной и эталонной кривых распределения интенсивности использовали специализированную программу для ЭВМ- WinRP 20-6 RC1. С помощью этого же программного обеспечения проводили расчеты размеров блоков мозайк D и величины микроискажений Да/а.

Рентгенографическую плотность дислокаций р рассчитывали по формуле

р = 3

D2

Параметр решетки а (межатомное расстояние) находили с использованием программы XPowder. Глубину проникновения Ь лучей в образец, или

толщину материала участвующего в отражении рентгеновских лучей, определяли с учетом природы вещества, длины волны излучения, геометрии съемки и шероховатости поверхности. Результаты испытаний

Дифрактограммы полученные со шлифованной поверхности, например, образца из стали 40Х, приведены на рис.1, а расчетные данные физического уширения для каждого максимума hkl - в табл. 1.

Таблица 1. Результаты оценки физического уширения в (в градусах) интерференционных максимумов hkl в зависимости от угла скольжения а и глубины h проникновения рентгеновских лучей перед склерометрированием

Рентгеноструктурные исследования изменения параметров тонкой кристаллической структуры по глубине деформированных поверхностных слоев шлифованных образцов (рис. 3.4.5), а также при различных видах механической обработки (рис. 6,

№ а, град

образца ^ мкм hkl001 hkl011 hkl111 hkl002

1 90 10.15 0,428 0,783 0,813 0,914

1 2 1,51 0,724 0,675 1,011 0,968

1 5 2,75 0,598 1,184 1,070 1,201

1 10 4,78 0,533 1,110 0,742 1,346

Рис. 2. Зависимость Ццеф от глубины внедрения индентора: 1- сталь 40Х, шлифование Ra=0,223 мкм, сплав ВТ 9, шлифование Ra=0,223 мкм, Нц=285.; 3 - бронзa БрАЖ9-4, шлифование Ra=0,223 мкм, Ни=285.

Нц=231; 2

Результаты оценки изменений удельной энергии деформации по глубине деформированных поверхностных слоев образцов из указанных конструкционных материалов, подвергнутых обработке шлифованием, приведены на рис. 2.

Наибольшая энергия наблюдается у поверхности, что связано с высоким уровнем дефект-ности слоя h<3 мкм, уменьшение энергии по глубине может быть связано со снижением повреждаемости или, возможно, с ростом объёма деформируемого материала.

7,8) показали их удовлетворительную корреляцию с изменениями удельной энергии деформации.

Как показали испытания, с увеличением глубины склерометрирования от поверхности энергия деформации ^^ снижается по закону изменения плотности дислокаций р в материале поверхностного слоя.

В соответствии с дислокационной теорией прочности, развиваемой Коттрелом, Бейли, Хиршем и др., удельная энергия разрушения (деформации) определяется [5] при достижении в деформированном поверхностном слое критической плотности дислокаций ркр=10 ...10 см- , как

Ар^

деф'

(2)

б

Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы с поверхностей: Образец №1, Сталь 40Х, шлифование, Ra=0,233 мкм: а) Дифрактограмма полученная методом скользящего пучка на глубину 1,51 мкм

а

(угол а=2 градуса); б) Дифрактограмма полученная сканированием на глубину 10... 15 мкм.

4 б

ГлубинаЬ. мкм

Рис. 3. Изменение энергии деформации Uдеф (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик D (в), микроискажений

^^а (г) по глубине: сталь 40Х, шлифование, Ra =0,223, Нц=231.

Рис.4. Изменение энергии деформации Uдеф (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик D (в), микроискажений

(г) по глубине:сплав ВТ9, шлифование, Ra =0,223, Нц=285.

а Е ■ -

| I 8

£ К Я 1

е ? ° ■

Рис. 5. Изменение энергии деформации ^^ (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик D (в), микроискажений (г) по

глубине: бронза БрАЖ9-4, шлифование, Ra =0,223, Нц=285.

8 ш

120 100 80 60 40 20 0

■ I-

вид обработки

2 3

внп обработки

в

г

б

а

в

г

б

а

в

г

б

а

в

г з

вид обработки

0,8 0,6

чР

_ "81 Сь '

I о

О

-I

Рис.6. Зависимость энергии деформации идеф (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик Б (в), микроискажений

^У (г), от видов обработки стали 40Х: 1 - притирка,

- шлифование, 3 - точение, глубина склерометрирования мкм.

60

I

12 3

вид обработки

1 2 3 вид об работки В

50

40

2 30 х

20 10

I

ш

ии оораоото!

Рис.7. Зависимость энергии деформации идеф (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик Б (в),

Да/ (г), от видов обработки сплава Вт9:

микроискажений

а

1 - притирка по шлифованию, 2-притирка по точению, 3 - шлифование, глубина склерометрирования мкм.

0,4

5

£ и.л

У

| £ 0,2

1

О О & ■ч 0,1

=

X о

й

вид обработки

I

5 г

^ о

3 £

¡5 2

^ а.

1 2 Вщ обработки

100 Й0 60 40 20 0

I

1

Вид обработки

Вдп обработки

Рис.8. Зависимость энергии деформации идеф (а), плотности дислокаций р (б), размеров блоков мозаик

Б (в), микроискажений (г), от видов обработки

бронзы БрАЖ9-4: 1 - притирка; 2 - шлифование тонкое, глубина склерометрирования мкм.

где Ар - удельная энергия разрушения (деформации); ДQ - средняя энергия дислокаций на единицу длины, определяемая как

ДQ=p•G•в2/(3(1-ц)), (3)

где в - вектор Бюргерса; ц- коэффициент Пуассона.

На основе выражений (2) и (3) получим расчетную формулу (4) накопленной энергии деформации идеф в зависимости от плотности дислокаций р деформированной структуры

идеф=р-&в2/(3(1-ц)). (4)

Результаты оценки связи экспериментальных значений удельной энергии деформации с расчетными по формуле (4), полученными при различных значениях рентгенографической плотности дислокаций р по глубине поверхностного слоя сплава ВТ9 дефор-

мированного при различных видах механической обработки, приведены в табл. 2 , при следующих исходных параметрах сплава [6]: модуль упругости Е=1,1-105 Н/мм2; модуль сдвига G=0,38•Е=0,418•105 Н/мм2; коэффициент Пуассона ц=0,34; вектор Бюргерса в=2,92-10-7 мм ДQ=0,418•105(2,92•10-)2/ /(3(1-0,34))=1,8-10-9 Дж/мм.

Анализ данных таблицы показывает, что экспериментальные значения идеф адекватно отражают уровень накопленных повреждений в материале. Экспериментальные значения изменяются в пределах от 16,6 до 59,5 Дж/мм3, расчётные от - 2,16 до 60,12 Дж/мм3.

г

б

а

г

а

б

в

г

Таблица 2. Расчётные и экспериментальные значения удельной энергии деформации идеф сплава ВТ по глубине при различных видах механической обработки

Вид обработки поверхности Глубина от поверхности h, мкм Плотность дисло- -2 каций p, мм Значения идеф, Дж/мм3

расчётные экспери-ментальные при h=3 мкм

Шлифование 0,65 5,685409 10,23 29

1,55 4,989-109 8,98

2,86 1,316109 2,37

Притирка после шлифования 0,65 2,170-109 3,906 59,5 (h=2 мкм)

1,55 1,881109 3,384 25,2

2,86 1,1441010 20,592 16,6 (h=5 мкм)

Притирка по точению 0,65 7,166109 12,899 25

1,55 1,204-109 2,16

2,86 3,334-1010 60,12

Некоторое превышение экспериментальных значений над расчетными связано, очевидно, с дополнительным ростом плотности дефектов структуры перед алмазным индентором в процессе склеромет-рирования, а также с тем, что Идеф«Ар зависит не только от величины (скаляра) плотности дислокаций р, но и от энергии их взаимодействия друг с

другом и с другими многочисленными дефектами деформированной структуры. Выводы

Полученные методом склерометрии экспериментальные значения удельной энергии деформации поверхностных слоев образцов из разнородных конструкционных материалов после различных видов механической обработки адекватно отражают уровень и энергию накопленных повреждений тонкой структуры материала деформируемых поверхностей. Предложенное методическое решение оценки энергии активации пластической деформации пополнит арсенал методов испытаний рабочих поверхностей деталей машин и материалов в машиностроении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Журков С.Н. К вопросу о физической основе проч-ности.//Физика твердого тела. 1980. - Т._22, - вып.11, - С. 3344-3349.

2. Регель В.Р., Слуцкер А.Б., Томашевский В.Д. Кинетическая

теория прочности твёрдых тел. - М.: Наука, 1974. - 302 с.

3. Патент №216645 РФ./ Способ оценки энергии активации

разрушения материала поверхностного слоя деформированного трением/Громаковский Д.Г., Беленьких Е.В., Ибатуллин И.Д., Ковшов А.Г. и др.; опубл.10.05.2001.

4. Рыбакова Л.М, Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металлов. - М.: Машиностроение, 1982. -212 с.

5. Иванова В.С. Разрушение металлов. М.:Металлургия, 1979.-168 с.

6. Колачев Б.А. Физическое материаловедение титана. - М.:

Металлургия, 1976. - 184 с.

EXPERIMENTAL ESTIMATION OF COMMUNICATION OF ENERGY OF DEFORMATION WITH PARAMETERS STRUCTURAL CONDITION OF THE MATERIAL OF DEFORMABLE SURFACES

© 2011 D.G. Gromakovsky, A.A. Ermoshkin, A.G. Kovshov, M.V. Karpuhin

Samara state technical university

Results of an experimental estimation by a methods of sclerometry and the x-ray structural analysis of communication of specific energy of deformation of surfaces of metal samples after various kinds of machining with a level of damageability of thin structure of a material of superficial layers are resulted.

Key words: the sample, a surface, a material, a structure, sclerometry, roentgenography, energy, deformation, a dislocation

Gromakovsky Dmitry Grigorevich, Dr.Sci.Tech., the professor, the director of scientific and technological center "Reliability". E-mail: pnms3@mail. ru

Ermoshkin Andrey Aleksandrovich, the assistant to chair of metallurgical science, powder metallurgy. E-mail: mvm@samgtu.ru Kovshov Anatoly Gavrilovich, Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of chair of technology of mechanical engineering,

faculty MiAt, SamGTU. E-mail:tms@samgtu.ru Karpuhin Michael Vasilevich, the post-graduate student, the engineer of scientific and technological center «Reliability