CC BY
33
Ввдповвдшсть кривих «пружини клт», визначених за допомогою експерименту й залежно вiд експери-ментальних даних по геометрп та змiни твердостi по довжит робочого конуса (рис. 3), доводить можлив^ь застосування системи «ХПТ-експертиза» як ефектив-ного методу визначення реальних параметрiв, що ха-рактеризують процес ХПТ.
Рекомендацп й висновки
Визначено реальнi значения «пружини клт» при прокатцi труб у виробничих умовах ВАТ «ДТЗ» на стат ХПТ-55. Збiжиiсть значень «пружини клiтi», визначено! за допомогою застосування системи «ХПТ-експертиза» i шляхом експерименту iз прокаткою планок при холостому й навантаженому прямому ходi клiтi, сввдчить про успiшне тестування комп'ютерно! системи «ХПТ-експертиза». Це, у свою чергу, шдтверджуе ефектнiсть застосування пропонованого методу, реал-iзованого в системi «ХПТ-експертиза», для визначення дшсних параметрiв холодно! пiльгерно! валково! прокатки труб.
Перелж посилань
1. Шевакин Ю. Ф. Калибровка и усилия при холодной прокатке труб / Ю. Ф. Шевакин. - М. : Металлургия, 1963. - 212 с.
2. Фролов Я.В. О влиянии параметров настройки инструмента на режим деформации при прокатке на станах ХПТ / Я. В. Фролов // Удосконалення процеав 1 об-ладнання обробки мета™ тиском в металурги 1 машино-буцуванш : тематический сборник. - Краматорск. - 2002. -С. 33-334.
3. Гриншпун М. И. Станы холодной прокатки труб / М. И. Гриншпун, В. И. Соколовский. - М. : Машиностроение, 1967. - 240 с.
4. Фролов В. Ф. Холодная пильгерная прокатка труб / В. Ф. Фролов, В. М. Данченко, Я. В. Фролов : монография. - Д. : Пороги, 2005. - 255 с.
5. Григоренко В. У Режим деформирования рабочего конуса на станах холодной периодической прокатки труб с учетом упругих деформаций деталей клети / В. У. Гри-горенко, О. С. Нагшй // Системш технологи. - 2005. -№ 5 (40). - С. 75-81.
6. Экспертная оценка процесса холодной пильгерной прокатки труб / [В. У. Григоренко, Б. П. Середа, О. С. Нагний, I. В. Кругляк] // Металурпя : зб1рник наукових праць. - 2006. - № 13. - С. 80-86.
7. Третьяков А. В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А. В. Третьяков, В. И. Зюзин. - 2-е изд. - М. : Металлургия, 1973. - 224 с.
Одержано 11.02.2009
Выполнены эксперименты по определению «пружины клети» стана холодной пильгерной прокатки труб и оценка экспериментально-расчетного метода определения реальных параметров процесса. Суть метода -замеры геометрических параметров рабочего конуса и твердости металла по длине рабочего конуса для последующих расчетов силовых параметров процесса и «пружины клети».
Experimental research to determine the cold-pilger rolling «stand's springing» and estimation of experimental calculation method of determination ofprocess actual parameters have been carried out. The essence of the method lies in the measuring of geometrics and hardness of metal along the working cone and in the successive calculations of power parameters and «stand's springing».
УДК 669.017:621.73
Д-р техн. наук С. С. Дяченко, I. В. Пономаренко Нацюнальний автомобтьно-дорожнш ушверситет, м. Харш
1ОННО-ПЛАЗМОВА ОБРОБКА ЯК ФАКТОР П1ДВИЩЕННЯ КОНСТРУКЦ1ЙНО1 М1ЦНОСТ1 СТАЛЕВИХ ВИРОБ1В
Оц1нено вплив шорсткостi поверхш та тонкоi структури на конструкцшну мiцнiсть виробiв пiсля шлiфування, полiрування, iонно-плазмовоi обробки (1ПО). Показано, що при 1ПО головну роль у пiдвищеннi конструкцiйноiмiцностi вiдiграe юнне бомбардування, зарахунок якого тимчасовий отр збшьшуеться на 20 %, границя текучостi на 37 % беззниження пластичностi. Запропоновано пояснення встановленогоявища.
Вступ
В сучасному виробнищга дуже широке розповсюд-ження набувае поверхневе змщнення B^o6iB. Голов -ним чином, воно використовуеться для змши власти-востей саме поверхневих шарiв. Так, поверхневе гар-
тування та ва види хiмiко-термiчноi обробки, в першу чергу призначеш для тдвищення зносостшкосп. Ту ж мету переслщуе i нанесения на поверхню виробiв рiзних видiв покритпв. При цьому можуть змiнюва-тися й iншi властивосп, наприклад, тдвищуватися ко-
© С. С. Дяченко, I. В. Пономаренко, 2009
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2009 71
розшна стшшсть при a30TyBaHHi або onip BTOMi у pa3i утворення поверхневих напружень стиску.
В останнiй час багато уваги придметься нанесен-ню на поверхню виробiв iонно-плазмових покритпв з нiтридiв, карбiдiв, карбонiтридiв тугоплавких еле-ментiв. Такi покриття суттево шдвищують зно-состiйкiсть та довговiчнiсть деталей, забезпечують корозiйнy стiйкiсть i деяк1 iншi спецiальнi властивостi [1, 2]. 1х особливiстю е нанокристалiчна структура [3, 4 та iн.] i саме з нею пов'язують висок1 експлyатацiйнi характеристики виробiв тсля юнно-плазмово! оброб-ки (1ПО). Що ж до можливостей змiни властивостей серцевини виробiв, оброблених таким способом, то до недавнього часу таке питання не розглядалося.
Авторами дано! роботи було вперше показано, що 1ПО не тшьки змiнюе властивостi поверхш, але й пiдвищyе об'емнi мехашчш характеристики виробiв, причому зростання мщносп не супроводжуеться зни-женням пластичносп [5, 6]. Метою цих дослщжень було зiставлення змiни об'емних мехашчних характеристик залежно вiд шорсткосп поверхнi виробу та способу впливу на не! (1ПО, азотування), а також спро-ба проаналiзyвати фактори, як1 викликають так1 змши властивостей, i оцiнити внесок кожного з них у конст-рукцшну мiцнiсть.
Матерiали та методика дослвджень
Як вiдомо, 1ПО складаеться з двох операцш - юн-ного бомбардування (1Б), призначенням якого е очи-щення поверхнi вiд домшок i пiдвищення адгезш-ного зв'язку покриття з основним металом, та на-несення того чи шшого покриття. В роботi вивчався вплив на властивосп як самого процесу 1Б (без покриття), так i 1Б з наступним нанесенням покриття TiN. Основним матерiалом дослщження обрана сталь 18ХГТ, яка належить до тих, що азотують. Це дозволило зштавити змiнy об'емних властивостей тсля азотування i 1ПО.
Оск1льки було необхiдно отримати дат про об'емнi властивостi, експерименти виконували безпосередньо на стандартних зразках для випробувань на розтяг. Заготовки зi сталi 18ХГТ пiддавали покращенню (гар-тування в оливi з 880 °С, ввдпуск 500 °С), пiсля чого з них були виготовлеш зразки (ГОСТ 1497-84, дiаметр зразк1в 5 мм, довжина робочо! частини 25 мм). Для аналiзy впливу шорсткостi поверхш на властивосп були використанi зразки двох видiв - пiсля шлiфy-вання та механiчного полiрyвання. 1онно-плазмову обробку здiйснювали на yстановцi «ННВ-66-И1». Режим бомбардування: струм дуги Id = 105 А, напруга UB = 1000 В; тиск аргону в камерi Р = 0,133 Па; режим нанесення покриття: струм дуги Id = 105 А, напруга U = 170 В, тиск азоту в камерi Р = 0,2 Па. Осшльки енерпя юшв титану при 1Б значно вища, шж при кон-денсаци покриття, то для запобiгання перерву зразк1в бомбардування проводили циклiчно, забезпечу-ючи !х охолодження шд час пауз - 2 хв бомбардування,
1 хв пауза, 2 хв бомбардування. В уах випадках зразки оберталися вiдносно катода за допомогою планетарного мехашзму для забезпечення однорiдностi властивостей 1х поверхнi.
Були проаналiзованi змiна шорсткосп поверхнi, мiкротвердостi, макронапружень а мжронапружень ап, розмiрiв ОКР Ь та густини дислокацiй с при пере-ходi вiд шлiфування до полiрування та 1Б.
Шорстк1сть i профшь поверхнi визначали контакт-ним методом за допомогою профшографа-профшомет-ра ТЯ-200 (радiус вершини алмазного щупа 5 мкм). Данi безпосередньо передавалися на ПК i системати-зувалися. Похибка вимiрювання параметра Яа не пе-ревищувала 10 %, дiапазон вишрювань - 0,005-16 мкм.
Метод визначення мiкротвердостi як характеристики мехашчних властивостей е одним iз найбшьш розповсюджених для виробiв пiсля 1ПО, що обумов-лено його простотою та мшмальними вимогами до тдготовки зразк1в. Мiкротвердiсть зразк1в дослщжу-вали у вихвдному станi (покращення), тсля 1Б та пiсля нанесення покриття. Дослвдження проводили на мiкротвердомiрi ПМТ-3, використовуючи рiзне наван-таження - 200 та 20 г, що дозволило з^авити твердасть на рiзнiй вiдстанi вiд поверхнi. Глибина проник-нення iндентора в матерiал зразка для навантажен-ня 200 г становила близько 5 мкм, для навантаження 20 г - 0,9 мкм. Кшьюсть випробувань становила 10 (при 200 г) i 15-20 (при 20 г). Мжротвердкть шлiфованих зразк1в не вимiрювали, через те що нормативш доку-менти регламентують проведення таких дослвджень на поверхнях, шорстк1сть яких не перевищуе Яа = 0,32 мкм, тобто тсля полiрування.
Тонку структуру поверхнi вивчали за допомогою дифрактометра ДРОН-3 у випромiнюваннi Ка-Сг при нормальнiй температурь Для визначення розмiрiв ОКР та а зiстaвляли ширину лiнiй (110) та (211), апрокси-мaцiю профiлю дифрaкцiйних лiнiй здiйснювaли з ви-користанням функцп Гаусса. Для вимiрювaння зас-тосовували 8ш2у-метод. Густину дислокaцiй р ощню-вали за вщомою формулою [7] виходячи з того, що коефщент Пуассона V = 0,3, а кристал е пружно^зот-ропним
р = 4р 2^8 /5Ь 2,
де Ь - вектор Бюргерса, А;
Р - фiзичне розширення лши, рад;
8 - кут Вульфа-Брегга.
Теорiя та аналiз отриманих результат
Згставлення властивостей пгсля р1зног обробки. Кривi розтягання тсля рiзних обробок поверхнi зразк1в показаш на рис. 1, мехaнiчнi властивосп узaгaльненi в табл. 1.
Перш за все слад вщзначити, що сама по собi шорстк1сть поверхш суттево впливае на мехашчш властивосп при випробуванш на розтяг. У нашому випад-ку шорстшсть шлiфовaноl поверхнi становила Яа = 0,
49 мкм, для полiровaноl - Яа = 0, 12 мкм. З рис. 1, а, видно, що для покращених зразк1в тсля полiрувaння крива розтягання (2) розташована вище вiд криво! 1 тсля шлiфувaння. Це свiдчить про тдвищення характеристик мiцностi. За даними табл. 1 перехвд вiд шлiфо-ваних зразк1в (така обробка регламентуеться при вип-робувaннi на розтяг) до полiровaних пiдвищуе тимча-совий отр з 855 до 934 МПа, а границю текучостi з 715 до 875 МПа, тобто на 9 i 22 % вщповщно, при практично однакових показниках пластичность Зазви-чай вважаеться, що яшсть поверхнi мае вирiшaльне значения для опору втсм i менше впливае на стaтичнi характеристики. Ц ж експерименти свiдчaть, що зни-жуючи шорстк1сть поверхнi виробiв, можна суттево збiльшити !х мехaнiчнi властивосп i при статичному нaвaнтaженнi. Але слщ враховувати, що пiсля поль рування розкид покaзникiв мехaнiчних властивостей зразшв значно вищий, нiж тсля шлiфувaння. Так, якщо для штфованих зразк1в у покращеному стaнi при вип-робуваннях на розтяг мшмальш та мaксимaльнi зна-чення тимчасового опору складали 840 i 870 МПа (Д = 30 МПа), границ текучостi - 697 i 736 МПа (Д = 39 МПа), то тсля мехатчного шотрування вони змшю-валися в межах 906-964 МПа (Д = 58 МПа) i 837-912
(Д = 75 МПа) вщповщно. Таким чином, розсшвання показнишв мiцностi збiльшилося в 2 рази.
Ще сильнiше тдвищуеться мiцнiсть пiсля 1Б (крива 4 на рис. 1, б): ав зростае до 1023 МПа, тобто на 20 %, а0 2 до 980 МПа (на 37 %). При цьому звертае на себе увагу збереження пластичность Подальше нанесен-ня покриття практично не впливае на вигляд криво!, тому на рисунку для спрощення крива розтягання для зразка тсля 1Б з покриттям не показана. З табл. 1 видно, що нанесення покриття товщиною 5 мкм не-значно тдвищуе показники мщносп у порiвняннi з отриманими тсля 1Б - усього приблизно на 4 %. Шсля повного циклу 1ПО (1Б + покриття 5 мкм) за-гальне зростання ав становить 24 %, а02 41 %. Збшьшення товщини покриття до 10 мкм дещо зни-жуе характеристики мiцностi, що може бути пояснено на^вом зразка у зв'язку з довшим процесом на-несення покриття.
Позитивний вплив 1Б проявляеться також у сутте-вому - приблизно удв1ч1 - зменшент розсiювaния зна-чень показник1в мщносп. Так, мiнiмaльнi та макси-мальт значення тимчасового опору та умовно! грaницi те-кучост1 пiсля тако! обробки становили 1015 i 1030 МПа (Д = 15 МПа) та 952 i 971 (Д = 19 МПа) вадповщно.
Рис. 1. Крив1 розтягання Р-Д1 для стал1 18ХГТ п1сля рiзиоi' обробки:
1 - покращення (шлiфовaиi зразки); 2 - покращення (полiровaиi зразки); 3 покращення (шл1фоваш зразки) + азотування; 4 - покращення (шл1фован1 зразки) + 1Б
Таблиця 1 - Мехатчт влaстивостi стaлi 18ХГТ пiсля рiзних режимiв обробки
Заслуговуе на увагу той факт, що юнне бомбардування по-рiзиому впливае на шорсткiсть поверхиi шлiфоваиих i полiроваиих зразк1в: для шлiфоваиих зразшв шорстк1сть зменшилася з Яа = 0,49 мкм до Яа = 0,18 мкм, для тшрованих вона дещо попршила-ся (з Яа = 0,12 мкм до Яа = 0,16 мкм). Профш поверхш тсля рiзних обробок наведет на рис. 2 (масштаб по оа ординат для шлiфованих та тшрованих зразк1в рiзний).
Шорстюсть поверхнi. Рiзниця в параметрах шор-сткостi пiсля 1Б для зразшв з рiзною попередньою ме-хатчною обробкою (0,18 та 0,16 мкм) перебувае в межах похибки вимiрювань (10 %). З цього можна зро-бити висновок, що тсля юнного бомбардування як для шлiфованих, так i для тшрованих зразк1в формуеть-ся практично однакова шорстк1сть Яа ~ 0,16-0,18 мкм, характерна для даного режиму юнного бомбардування.
Мiкротвердiсть. Дослщження м^отвердосп дозволили встановити !! зм^ в тонкому поверхневому шарi зразшв тсля рiзних видiв 1ПО. Кшьшст характеристики мiкротвердостi наведенi в табл. 2.
Аналiзуючи данi табл. 2, бачимо, що мехашчне полiрування викликае наклеп поверхиi. Так, тверд^ь, визначена при навантаженнi на iндентор 20 г на 34 % вища, нiж при навантаженнi 200 г, тобто iснуе градiент твердост в перерiзi зразка - чим далi вiд поверхнi, тим вона менша.
1онне бомбардування викликае аналопчний ефект -тсля тако1 обробки Н20 бшьше на 61 % порiвняно з Н200. Як вiдомо, при юнному бомбардуваннi вщбува-ються два конкурукш процеси: термоактивацiя по-верхнi, що призводить до зниження ïï твердосп та наклеп iонами плазмоутворюючого металу, який викликае збшьшення твердостi. Зростання мiкротвердостi Н20 тсля 1Б порiвняно з покращеним станом сввдчить, що при даному режимi обробки домiнуючим е саме процес наклепу. Для зразк1в з покриттям значення твер-достi при рiзних навантаженнях ще бiльше вщизняеть-ся: 11050 (Н ) та 3640 (Н200), тобто рiзниця становить 204 %. Це обумовлено тим, що при меншому наванта-женнi значення мжротвердосп наближаються до твер-достi самого покриття, при бiльшому - до значень iнтегральноï твердостi покриття та основи матерiалу.
У той же час, аналiз змiни мiкротвердостi залежно вiд обробки дае так1 результат: 1Б збiльшуе твердость матерiалу, визначену при навантаженнi 200 г, на 13,1 % порiвняно з вихщним станом, нанесення покриття нiтриду титану - на 19 %; 1Б тдвищуе ïï на 36,5 %, покриття - на 169,5 % при використант навантажен-ня 20 г. Шдвищення твердостi, яке спостертаеться пiсля 1Б навiть при навантажент 200 г, дае пiдставу для твердження, що змiцнення матерiалу вщбуваеться при цiй обробцi на глибину бiльше 5 мкм.
Рис. 2. Профшь поверхонь тсля шл1фування (а), шл1фування та 1Б (б), полфування (в), полфування та 1Б (г) Таблиця 2 - Мжротвердють зразшв тсля рiзних видiв 1ПО
Навантаження на 1ндентор Мжротвердють, МПа
Покращення Покращення + 1Б Покращення + 1Б + TiN (5 мкм)
20 г 4100 5570 11050
200 г 3060 3460 3640
Важливо тдкреслити, що нaйбiльший вплив на змiну властивостей створюе не саме покриття, а фiзичнi процеси, як1 вiдбувaються в поверхневому шaрi пiд час 1Б. Для тимчасового опору внесок 1Б у загальне змiцнения складае 81 %, для границ текучосп - 88 %, при цьому показники плaстичностi не змiнюються -вiдносне подовження залишаеться на рiвнi 15-17 %, вщносне звуження нaвiть мае тенденцiю до збшьшен-ня (з 64 до 67 %).
Нaведенi результати дозволяють зробити висновок, що 1ПО не тшьки впливае на влaстивостi само! по-верхнi, але й може бути ефективним способом тдви-щення конструкцiйно! мiцностi виробiв. При цьому, осшльки границя текучостi пiсля тако! обробки тдви-щуеться iнтенсивнiше, шж тимчасовий опiр, 1ПО ви-робiв е особливо привабливою для пружних елементiв.
Азотування принципово змiнюе вигляд криво! роз-тягання у порiвняннi з покращеним станом - пластична деформащя практично ввдсугая, i реестру еться крива, притаманна крихкому стану (кр. 3, рис. 1, б). В той же час тимчасовий отр (границя мщносп) тсля да-ного виду ХТО тдвищуеться з 855 МПа (покращен-ня) до 947 МПа, що менше шж пiсля 1Б (1023 МПа). Таким чином, 1Б приводить до бшьшого зростання мiцностi, нiж азотування (~ на 10 %), але не окрихчуе мaтерiaл.
Аналгз тонко! структури. Результати рентгено-структурного aнaлiзу, на пiдстaвi яких робилися вис-новки про змiну тонко! структури зразшв, нaведенi у табл. 3.
З табл. 3 видно, що як просто мехашчна дiя (пол-iрувaния), так i 1Б викликають помiтнi змши тонко! структури поверхневого шару зразка, порiвняно зi шлiфувaниям: подрiбнюються ОКР, збшьшу еться гус-тина дислокацш, пiдвищуюються нaпружения першо-го i другого роду. Згiдно iз загальними положеннями сучасного мaтерiaлознaвствa всi перелiченi фактори мають впливати на рiвень мiцностi i пластичност! Але, як видно з табл. 3, щ змши нaйбiльшi пiсля полiрувaн-ня (крiм мiкронaпружень), тодi як нaйвищi показники мiцностi досягаються пiсля 1Б. Зi сказаного слiд зробити висновок, що при 1Б, ^м описаних змiн, вщбу-ваються яшсь iншi фiзичнi процеси, i саме вони зу-мовлюють значне зростання конструкцiйно! мiцностi. На наш погляд, це зaлiковувaння поверхневих дефекпв i утворення на поверхнi зразк1в наноструктури.
Головною причиною пiдвищения мiцностi при збе-реженнi плaстичностi ми вважаемо залжовування поверхневих дефектiв тд час бомбардування, аналопч-
но ефекту А.Ф. 1оффе для кам'яно! солi [8]. Як вiдомо, А.Ф. 1оффе випробовував на розтяг зразки кам'яно! солi дiaметром 6 мм у повг^ i у водi. При розтяганш в повiтрi зразки руйнувалися крихко, а границя мщносп дорiвнювaлa 5 МПа (0,5 кгс/мм2). Якщо ж розтягання здiйснювaлося у вод^ кам'яна сiль ставала пластичною, дiaметр у шийцi зменшувався до 0,2 мм, тобто вщносне звуження ш сягало близько 99 % (!), а тимчасовий отр зростав до 1600 МПа (160 кгс/мм2), що близько до теоретично! мщносп (за розрахунками для солi ~ 2000 МПа). Причиною тако! змши властивостей, на думку акад. 1оффе, е залжовування дабних поверхневих дефекпв зразка за рахунок розчинюван-ня солi у водi. Пiдтверджениям правильности цього припущення е те, що розтягання зразк1в у насиченому водному розчит кам'яно! солi, коли розчинювання вик-лючалося, не показало зростання мщносп.
З наведних результапв випливають два дуже важ-ливi положения:
- руйнування завжди починаеться з поверхш, тому !! стан вщграе первинну роль не тiльки при випробу-ваннях на втому (що вщомо), але й при шших видах випробувань, у тому чи^ на розтяг;
- незважаючи на тонкий поверхневий шар, який розчинаеться в процеа випробувань, пiдвищуеться мщшсть усього зразка (А.Ф. 1оффе називае це «внутр-шньою мiцнiстю»).
Пiзнiше aнaлогiчний ефект був отриманий Ю.В. Барановим при розтяганш металевих зразшв у елект-ролт - йому вдалося деформувати вольфрам на 8090 % у лужному середовищi. При цьому мiцнiсть п1дви-щилася на 30 % [9]. Цей результат був названий ефек-том 1оффе для метaлiв.
В обох описаних випадках сам процес розтягання зразк1в здiйснювaвся безпосередньо у речовиш, яка видаляла не тiльки дефекти, що iснувaли на поверхнi зразка до початку випробувань, але й нов^ яш утво-рювалися безпосередньо в процеа розтягання (скуп-чення дислокaцiй бiля границь зерен, субзерен, повер-хонь роздiлу фаз, неметалевих включень тощо). В наших експериментах випробування здiйснювaлися в повир^ тобто без середовища, яке могло б видалити пошкоджений при деформацп поверхневий шар. Тим не менше зразок, незважаючи на велике змщнення, залишався пластичним. На нашу думку, це можна по-яснити саме поведшкою поверхневого наноструктур-ного шару.
Вiдомо, що подрiбнения зерна е найефектившшим мехaнiзмом поеднання високо! мщносп та пластич-
Метод обробки Р110, мрад £211, мрад Ь, нм е-103 Оц, МПа р, см-2 МПа
Шифування 0,8 7,6 380 0,40 80 4,8-108 -20
Пол1рування 3,2 23,3 88 1,23 250 5,8-109 -330
Ш^1фування + 1Б 2,2 31,7 103 1,67 340 4,2-109 -150
Таблиця 3 - Результати рентгешвських дослiджень покращено! стaлi 18ХГТ пiсля рiзно! обробки поверхн
носп. Особливютю наноструктурних матерiалiв е великий об'ем поверхш границь вшносно до об'ему самого наноструктурного елемента. В об'емi наноеле-менпв дислокацiй практично немае, що забезпечуе !х високу мiцнiсть. Дислокацi! зосереджеш по границях [3, 10]. До того ж вшомо, що пограничш зони е мюця-ми стоку вакансш. Висока концентрацiя вакансiй по границях сприяе при розтягуваннi зразка зерногранич-ному проковзуванню структурних елеменпв (зерен, субзерен) вiдносно одне одного, аналопчно тому, як це вшбуваеться при повзучостi або надпластичностi [11, 12], тобто в наноструктурних матерiалах може змiнюватися механiзм пластично! деформацп. Велика роль точкових дефектiв у масопереноа при деформацп наноструктурних мaтерiaлiв (тобто, реaлiзaцiя недис-локацшно! пластичносп) вiдмiчaеться у багатьох роботах, наприклад [13, 14].
Таким чином, у виробах з нaнокристaлiчною структурою досягаеться одночасне шдвищення i мщносп, i плaстичностi, тобто збшьшуеться конструкцiйнa мiцнiсть.
У наших дослщжениях метал внутрiшнiх зон зразка залишався мiкрокристaлiчним, тiльки в тонкому поверхневому шaрi пiсля 1Б розмiр ОКР наближався до 100 нм (табл. 3). При цьому слш мати на увaзi, що при рентгешвському дослiдженнi отримaнi дaнi усе-реднюються по глибинi шару нашвпоглинания рент-генiвських променiв, який для випромiнювaння Кб-Сг дорiвнюе приблизно 8 мкм [15]. Ми вважаемо, що са-мий поверхневий шар е нaнокристaлiчним, що ствер-джуеться практично у вах дослiджениях, присвячених 1ПО. I саме цей шар зумовлюе поведiнку при розтягу-вaннi масивного сталевого зразка. За таких умов для внутршшх шaрiв металу реaлiзуеться нормальний дислокaцiйний мехaнiзм, але дислокацп, як1 у процесi деформацп виходять на поверхню, через високу ру-хомiсть точкових дефектiв не будуть накопичуватися в окремих мiсцях i створювати концентратори напру-жень. Таким чином, за рахунок великого вкладу не-дислокацшно! пластичносп реaлiзуеться як проковзу-вания зерен, так i зaлiковувaния дефектiв, що виника-ють при деформацп.
Слш зауважити, що нaдплaстичнiсть, як вшомо, реaлiзуеться в умовах малих швидкостей деформацп. Але в роботi [13] було показано, що для наноматерь aлiв, навпаки, схильнiсть до утворення трiщин змен-шуеться з тдвищенням швидкостi деформацп, що ав-тори пояснюють генерaцiею i перемiщениям при пла-стичнiй деформацп саме точкових дефекпв, а не дислокaцiй.
Звернемо увагу на те, що змщнення пiсля 1Б суп-роводжуеться шдвищенням модуля пружностi -збiльшуеться кут нахилу криво! розтягания, що не рее-струеться при ростi мехашчних характеристик тшро-ваних або азотованих зразшв (рис. 1). Як вшомо, модуль пружносп е структурно нечутливою характеристикою. Його рет е ще одним свiдченням того, що вплив
1Б на мехашчш властивостi виро61в не можна звести тшьки до звичайних зм1н тонко!' структури, притаман-них деформованим об'ектам.
Висновки
1. Зменшення шорсткост1 поверхш з Ra = 0,49 мкм до Ra = 0,12 мкм (перехш в1д шлiфування до пол!ру-вання) викликае зростання показнишв мщносп - ст на 9 %, ст02 на 22 % при збереженш показнишв плас-тичност1. Це свщчить про велику роль даного фактору не тшьки для опору втом1, але й для умов статичного навантаження, що можна використовувати у вироб-ницта для шдвищення конструкцiйноï м1цност1.
2. 1онно-плазмова обробка (iонне бомбардування та нанесення покриття товщиною 5 мкм) тдвищуе тимчасовий отр сталевих виро61в на 24 %, а границю текучостi на 41 % без зниження пластичносп, тобто збшьшуе конструкц1йну м1цн1сть. При цьому макси-мальний внесок у прирют м1цност1 (для ств 81 %, для ст0 2 88 %) забезпечуе iонне бомбардування. Подальше нанесення покриття збшьшуе мщшсть усього на 4 %. 1онне бомбардування забезпечуе також вищу стабшьшсть мехашчних властивостей, удв1ч1 знижу-ючи ¡.х розкид.
3. 1онне бомбардування приводить до змши тонкоï структури металу: розм!р ОКР знижуеться в1д 380 нм до ~ 100 нм, напруження другого роду ст:1 збшьшують-ся з 80 МПа до 250 МПа, макронапруження стиску CTt -з 20 МПа до 150 МПа. Таю змши сприяють покра-щенню механiчних властивостей. Але найголовшши-ми чинниками, як1 зумовлюють отримання високоï конструкцiйноï м1цност1 тсля 1Б, е залiковування по-верхневих дефекпв та формування нанокристалiчноï структури у поверхневому шар! вироб!в. Виявлене яви-ще можна назвати ефектом 1оффе при !онному бом-бардуванш
4. 1онне бомбардування рацiонально використовувати для шдвищення конструкцiйноï мщносп i особливо для забезпечення високоï границi текучостi, що важливо для пружних елементiв.
Перелiк посилань
1. Мацевитый В. М. Покрытия для режущих инструментов / В. М. Мацевитый. - Х. : Вища шк., 1987. - 128 с.
2. Покрытия, полученные конденсацией плазменных потоков в вакууме / [И. И. Аксенов, А. А. Андреев,
B. Г. Брень и др.] // УФЖ, 1979. - Т. 24, № 4. - С. 515-525.
3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику / Ю. И. Голо -вин. - М. : Машиностроение, 2007. - 496 с.
4. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктурные материалы / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. - М. : Академия, 2005. -192 с.
5. Дьяченко С.С. Влияние нанокристаллических покрытий на свойства изделий из конструкционных сталей /
C. С. Дьяченко, И. В. Пономаренко, И. В. Дощечкина // Современное материаловедение: достижения и проблемы : междунар. конф. 26-30 сент. 2005 г : тезисы докл. -К. : 2005. - С. 665-666.
6. Вплив поверхневого змiциеиия на мехашчш властивост вироб1в / [I. В. Дощечкша, С. С. Дяченко, I. В. Поно-маренко та ш.] //Автомобильный транспорт : сб. науч. тр. -Х., 2005. - Вып. 16. - С. 79-82.
7. Металловедение и термическая обработка стали : Справ. изд., 3-е, перераб. и доп. : в 3 т. Методы испытаний и исследования / [Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рах-штадта]. - М. : Металлургия, 1983. - Т. 1. - 352 с.
8. Иоффе А. Ф. Механические свойства кристаллов / А. Ф. Иоффе // Успехи физических наук. - Л., 1928. -Т. VIII, вып. 4. - С. 441-482.
9. Баранов Ю. В. Эффект А. Ф. Иоффе на металлах / Ю. В. Баранов. - Изд-во : МГИУ, 2005. - 140 с.
10. Носкова Н. И., Милюков Р. Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы / Н. И. Носкова. - Екатеринбург: УрОРАН, 2003. - 279 с.
11. Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов / Ф. Гарофало. - М. : Металлургия, 1968. - 304 с.
12. Кайбышев О. А. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов / О. А. Кайбышев, Ф. З. Утяшев ; отв. ред. О. А. Банных. -М. : Наука, 2002. - 438 с.
13. Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- микрообъемах / [Ю. И. Головин, С. Н. Дуб, В. И. Иволгин и др.] // Физика твердого тела. - 2005. -Т. 47, вып. 6. - С. 961-973.
14. Gleiter H. Materials with ultrafine microstructures / H. Gleiter // Retrospectives and Perspectives Nanostuctured Materials, 1992. - Vol. 1. - P. 1-19.
15. Миркин Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Л. И. Миркин. - Изд-во: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. - 863 с.
Одержано 13.03.2009
Оценено влияние шероховатости поверхности и тонкой структуры на конструкционную прочность изделий после шлифования, полирования и ионно-плазменной обработки (ИПО). Показано, что при ИПО главную роль в повышении конструкционной прочности играет ионная бомбардировка, за счет которой временное сопротивление увеличивается на 20 %, предел текучести - на 37 % без снижения пластичности. Предложено объяснение обнаруженного явления.
The surface roughness and fine structure influence on parts structural strength after grinding, polishing and ion-plazma treatment (IPT) was estimated. It is shown that during IPT the ion bombardment plays a major role in structural strength improvement. This process increases the ultimate strength by 20 % and yield strength by 37 % without plasticity decrease. The explanation of the found phenomenon is proposed.
