CC BY
45
УДК 669.017:621.73
ОЦІНКА ВНЕСКУ РІЗНИХ ЧИННИКІВ У ПІДВИЩЕННЯ КОНСТРУКЦІЙНОЇ МІЦНОСТІ ВИРОБІВ ПІСЛЯ ІОННОГО
БОМБАРДУВАННЯ
С.С. Дяченко, професор, д.т.н., І.В. Пономаренко, асистент, ХНАДУ, В.В. Білозеров, професор, к.т.н., Г.І. Махатілова, к.т.н., НТУ «ХШ», В.І. Гріценко, наук. співроб., ХНУ
Анотація. Оцінено вплив шорсткості поверхні, напружень першого і другого роду, розміру ОКР, густини дислокацій на конструкційну міцність виробів після іонного бомбардування. Встановлено, що головну роль у підвищенні конструкційної міцності відіграє утворення нанокристалічної структури та заліковування дефектів на поверхні.
Ключові слова: конструкційна міцність, іонне бомбардування,
нанокристалічна структура, заліковування дефектів.
Вступ
Стан поверхні деталі значно впливає на її надійність та довговічність. Тому саме поверхнева обробка отримала таке широке розповсюдження як ефективний засіб підвищення конструкційної міцності виробів. Особливу увагу привертають іонно-плазмові покриття, які, як правило, використовують для підвищення зносостійкості та довговічності деталей і забезпечення корозійної стійкості і деяких інших спеціальних властивостей.
Ця робота присвячена вивченню ролі стану поверхні у зміні конструкційної міцності виробів.
Аналіз публікацій
У роботі [1] вперше показано, що іонно-плазмова обробка (ІПО) не тільки змінює властивості поверхні, але й підвищує конструкційну міцність виробів. Так, тимчасовий опір ов сталей у покращеному стані після ІБ підвищується на 17 %, границя текучості о02 - на 35 %. Нанесення після ІБ покриття ТІК (товщина шару 5 мкм) додатково зміцнює метал. Загальне підвищення ов становить 24 %, о0,2 - 42 %. З наведених даних видно, що найбільший внесок у зміну властивостей створює не саме
покриття, а структурні зміни поверхні, які відбуваються під час ІБ. Для тимчасового опору внесок ІБ у загальне зміцнення складає 72 %, для границі текучості - 83 %. Важливо підкреслити, що при цьому показники пластичності не змінюються (відносне подовження залишається на рівні 15 - 17 %, відносне звуження навіть має тенденцію до збільшення (з 64 до 67 %).
Цей ефект може бути викликаний декількома причинами: впливом шорсткості поверхні; виникненням макронапружень стиску
(напружень першого роду Оі); зміною тонкої структури поверхневого шару (областей когерентного розсіювання ОКР,
мікродеформацій, а отже, напружень другого роду оп, густини дислокацій р); заліковуванням поверхневих дефектів і
утворенням на поверхні нанокристалічної
структури, якій притаманні унікальні властивості.
На сьогодні роль кожного з цих факторів у підвищенні конструкційної міцності не проаналізована. Саме цьому питанню і
присвячена робота.
Мета та постановка задачі
Мета роботи - оцінити внесок кожного з перелічених факторів у підвищення конструкційної міцності матеріалу після ІПО. Вирішувалися такі завдання: зіставити
шорсткість поверхні після шліфування, полірування та іонного бомбардування і проаналізувати зміну при цьому механічних властивостей; виміряти величину оі, Оц, розмірів ОКР, густину дислокацій р після кожної операції поверхневої обробки; оцінити внесок різних чинників у підвищення конструкційної міцності.
Матеріал і методика досліджень
Матеріалом дослідження обрана сталь 18ХГТ у покращеному стані (гартування в оливі з 880 °С, відпуск 500 °С). Після покращення з заготовок були виготовлені зразки для випробувань на розтяг, які піддавали шліфуванню, поліруванню та іонному бомбардуванню (ІБ) на установці «Булат-6» за режимом: струм дуги Ід = 105 А, напруження
U = 1000 В, тиск аргону у камері Р = 0,133 Па. Для запобігання перегріву зразків процес проводився циклічно: 2 хв бомбардування, 1 хв пауза для охолодження зразка, 2 хв бомбардування. Шорсткість і профіль поверхні визначали профілографом-
профілометром ТЯ-200, дані з якого
безпосередньо передавалися на ПК і систематизувалися. Похибка вимірювання параметра Яа складала < 10 %. Тонку
структуру поверхні вивчали за допомогою дифрактометра ДРОН-3 у випромінюванні Ка-Сг при нормальній температурі. При визначенні розмірів ОКР та оІІ зіставляли ширину ліній (110) та (211), апроксимацію профілю дифракційних ліній здійснювали з використанням функції Гаусса. Для
вимірювання оІ застосовували Бт2ф -метод.
Результати досліджень та їх обговорення
Дослідження показали, що після
полірування, у порівнянні зі шліфуванням, шорсткість поверхні зменшується з Яа = 0,49 мкм до Яа = 0,12 мкм. При цьому ОКР подрібнюються більш ніж у 4 рази, густина дислокацій підвищується на один порядок і виникають значні макронапруження стиску (табл. 1).
Криві розтягання для полірованих, шліфованих та оброблених ІБ зразків наведені на рис. 1, механічні характеристики - у табл. 1.
Таблиця 1 Механічні властивості, шорсткість поверхні та результати рентгенівських досліджень покрашеної сталі 18ХГТ після різної обробки поверхні
Метод обробки Механічні властивості ё и а СЯ РІ Дані рентгеноструктурного аналізу
О о* о СО > § о аа § аа З н ьі о о с о
Шліфування 854 717 18 64 0,49 0,8 7,6 380 0,40 80 4,8-108 -20
Полірування 934 875 16 64 0,12 3,2 23,3 88 1,23 250 5,8109 -330
Шліфування + ІБ 1003 965 15 67 0,18 2,2 31,7 103 1,67 340 4,2-109 -150
Рис. 1. Криві розтягання шліфованих (1), З наведених даних видно, що зменшення шорсткості після механічної обробки підвищує показники міцності: після
полірування Св збільшується на 9 %, 00,2 - на 22 %. Важливо підкреслити, що при цьому показники пластичності практично не змінюються (табл. 1). Залишається однаковим і кут нахилу кривих 1 та 2. Це свідчить, що модуль Юнга не змінюється.
Іонне бомбардування по-різному впливає на шорсткість поверхні шліфованих і полірованих зразків: для шліфованих зразків шорсткість зменшилася з Яа = 0,49 мкм до Яа = 0,18 мкм, для полірованих вона дещо погіршилася (з Яа = = 0,12 мкм до Яа = 0,16 мкм). Різниця у параметрах шорсткості після ІБ для зразків з різною попередньою механічною обробкою (0,18 та 0,16 мкм) лежить в межах похибки вимірювань (10 %). Можна зробити висновок, що після іонного бомбардування як для шліфованих, так і для полірованих зразків формується практично однакова шорсткість Яа ~ 0,16 - 0,18 мкм, характерна для цього режиму іонного бомбардування.
Після ІБ крива розтягання (рис. 1, крива 3), на відміну від кривих 1 і 2, змінює кут нахилу, що свідчить про підвищення модуля Юнга. Крім того, незважаючи на зміцнення металу, на кривій реєструється площадка текучості, яка виникає, як відомо, при одночасному (колективному) ковзанні дислокацій в багатьох зернах.
ІБ набагато інтенсивніше зміцнює матеріал (при незмінній пластичності): тимчасовий опір збільшується на 17 %, границя текучості на 35 %, тоді як при переході від шліфування
полірованих (2) та оброблених ІБ (3) зразків
до полірування ці показники підвищуються на 9 і 22 % відповідно. В той же час дані рентгеноструктурного аналізу свідчать, що полірування, у порівнянні з ІБ, більше подрібнює ОКР, підвищує густину дислокацій і викликає вищі
макронапруження. Після ІБ вищі тільки мікродеформації, тобто оп.
З наведених фактів можна зробити висновок, що вплив ІБ на властивості матеріалу не можна пояснити тільки виникненням напружень стиску та зміною тонкої структури.
Така обробка змінює сам механізм пластичної деформації.
На наш погляд, головною причиною підвищення конструкційної міцності є заліковування дефектів поверхні під час ІБ, аналогічно ефекту А.Ф. Іоффе для кам’яної солі [3], що забезпечує однорідність деформації зразка (без утворення шийки) при випробуваннях на розтяг. Крім того, при ІБ у тонкому поверхневому шарі утворюється наноструктура, якій притаманна висока пластичність за рахунок значного внеску границь зерен в деформування [4]. Як наслідок, пластична деформація поверхні відбувається в умовах, близьких до реалізації надпластичності, що і є основною причиною значного підвищення міцності без зниження пластичності.
Висновок
Підвищення конструкційної міцності після ІБ обумовлене комплексним впливом ряду чинників, але найважливішими є створення
нанокристалічної структури в тонкому поверхневому шарі і заліковування поверхневих дефектів, що змінює механізм пластичної деформації, наближаючи його до надпластичності.
Література
1. Влияние нанокристаллических покрытий на
свойства изделий из конструкционных сталей. Дьяченко С.С., Пономаренко И.В., Дощечкина И.В. // Материалы международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы». MMS-2GG5. - К., - 2GG5. -С. 665-666.
2. Пономаренко И.В., Дьяченко С.С., Дощеч-
кина И.В. Конструкционная прочность стальных изделий с нанокристалличе-ской структурой поверхности // Вісті академії інженерних наук України. №3(3G). - 2GG6. - С. 232 - 235.
3. Иоффе А.Ф. Механические свойства кри-
сталлов // Успехи физических наук. -Ленинград. - 192S. - Т. VIII. Вып. 4. -С.441 - 4S2.
4. Носкова Н.И., Милюков Р.Р. Субмикро-
кристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. - Екатеринбург: УрОРАН, 2GG3. - 279 с.
Рецензент: О.С. Полянський, професор,
д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 19 липня 2GGS р.
