CC BY
15
УДК 621.789
А.А. Федоров, *С.В. Петроченко, А.П. Моргунов
Омский государственный технический университет, г. Омск
*Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ УДАРНО-АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Ударно-акустическая обработка (УАО) является одним из наиболее перспективных методов повышения износостойкости тяжелонагруженных деталей машин. Сущность обработки и улучшение характеристик поверхностного слоя после УАО были рассмотрены нами раннее [2-8]. Однако, несмотря на то, что комплексная физическая модель процесса объемной микропластичности, на которой базируется УАО, была сформирована А.В. Телевным [9] в начале 80-х годов двадцатого столетия, до настоящего времени дискуссионными остаются некоторые вопросы. Одни из них связаны с формированием конусообразного микрообъема металла под поверхностным слоем в результате нагружения обрабатываемой заготовки сфе-
312
рой. Часть вопросов затрагивает материаловедческие аспекты теории объемной микропластичности, которые проработаны слабо.
Для продолжения исследований в данном направлении были исследованы цилиндрические образцы с внешним диаметром 25 мм и толщиной стенки 0,3 мм из нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т. Обработку производили сферическими инденторами с радиусом 3-5 мм из сплава ВК8, по методике описанной в [9]. Для генерации ударов по поверхности образца использовали динамический технологический модуль ДТМ-07 на базе магнитострикционного преобразователя ПМС15А-18. Металлографические шлифы изготавливали по стандартным методикам. Металлографические исследования осуществляли на световом микроскопе ОЬУМРиБ 0X41, электронно-микроскопические - на микроскопе ШОЬ .ГСМ-5700 с рентгеновским энергодисперсионным спектрометром.
1УиМ>аД^^ЙЯуа'< гД|и
•* V '1 'А
Рис.1. Сектор тонкостенного цилиндра, *100 На рисунке 1 представлена фотография микрошлифа сектора цилиндра, где белой стрелкой обозначена наружная цилиндрическая поверхность. Полученная картина удовлетворительно согласуется с данными, полученными, А.В. Телевным. В поверхностном слое присутствуют конусы скольжения, сформировавшиеся под воздействием ударного нагружения, и распределяются через определенный интервал, величина которого определяется скоростью перемещения образца по отношению к рабочей поверхности инструмента и частотой соударения. В местах, где образец практически соприкасался с оправкой, были получены ранее не наблюдаемые уширения конусообразных микрообъемов (рис. 2).
Рис. 2. Сектор тонкостенного цилиндра с утолщенными конусообразными шлейфами *100
Наиболее вероятной гипотезой образования в поверхностном слое конусообразных шлейфов, считаем следующую: при каждом ударе шарового сегмента о поверхность детали, в результате суммирования нормальных и тангенциальных напряжений, образуется конус скольжения (рис.3, поз. 1). В момент отрыва шарового сегмента от поверхности происходит
обмен кинетической энергией между динамическим технологическим модулем и конусом скольжения. Высокая кинетическая энергия динамического технологического модуля передается микрообъему конуса скольжения, в результате чего конус скольжения получает ско-
313
рость более 100 м/с. Продвигаясь вглубь материала (рис.3, поз. 2), конус скольжения взаимодействует с поликристаллической решеткой основного металла, переводя его в высоковозбужденное состояние при котором преодолены силы молекулярных связей, это состояние Тиссен [1] характеризовал как плазменное. В образовавшимся микрообъеме атомы находятся в высоковозбужденном состоянии, идет интенсивное перемешивание и сверхбыстрые химические реакции. Далее полученный микроскопический объем мгновенно отдает тепло объему обрабатываемого металла. В результате действия высокого градиента температур он застывает, минуя состояние поликристаллической решетки, т. е. происходит закалка из жидкого состояния. Застывший микроскопический участок представляет собой высокопрочный шлейф металла. При УАО формируется упрочненный слой 5 (рис. 3), а исходная поликри-сталлическая структура 4 отделена от упрочненного слоя тонкой зоной растяжения 3.
На рисунке 3 видно, что конусообразные микрообъемы ограничены темными тонкими линиями. Для более тонкого их изучения были проведены электронно-микроскопические исследования. На рисунках 4,5,6 представлены изображения во вторичных и отраженных электронах (композиционный и топографический контраст). Композиционный контраст позволяет отобразить области с более легкими химическими элементами (темные области).
Рис. 3. Сектор тонкостенного цилиндра, *200
Рис. 4. Изображение в отраженных электронах (композиционный контраст)
Рис. 5. Изображение во вторичных электронах
315
15кУ ХЗЗО 50иш 0000 14 20 ВЕТ
Рис. 6. Изображение в отраженных электронах (топографический контраст)
Рентгеновский энергодисперсионный анализ в точках обозначенных цифрой 1 (рис. 4) обнаруживает высокое содержание углерода (до 80%) и кислорода (до 20%) что, по всей вероятности, связано с вышеупомянутыми сверхбыстрыми химическими реакциями.
Библиографический список
1. Мейер, К. Физико-химическая кристаллография / К. Мейер: пер. с нем. - М. : Металлургия, 1972. - 480 с.
2. Моргунов, А. П. Влияние подачи азота в зону обработки при нанометаллургическом процессе на триботехнические характеристики поверхностного слоя деталей машин / А. П. Моргунов, А. А. Федоров // Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения : IV Междунар. технолог. конгресс (г. Омск, 4-9 июня 2007 г.) / ОмГТУ. - Омск, 2007. - Ч.2. - С. 366 - 370.
3. Моргунов, А. П. Исследование на износостойкость стали 45ХНМА, полученной на-нометаллургическим процессом / А. П. Моргунов, А. А. Федоров // Современные технологии в машиностроении: сборник статей XI Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2007. -С. 19 - 21.
4. Моргунов, А. П. Получение коррозионностойких поверхностных слоев сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Федоров // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей III Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 6 - 7.
5. Моргунов, А. П. Получение сверхтвердых аморфных приповерхностных слоев сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Федоров // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VI Междунар. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. - Омск, 2007. - Кн. 2. -С. 373 - 377.
6. Моргунов, А. П. Создание высокопрочных поверхностей с регулярным микрорельефом нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Федоров // Проблемы исследования и проектирования машин : сборник статей III Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. -С. 118 - 121.
7. Моделирование процесса объемной микропластичности методом конечных элементов в среде Cosmos Works / А. П. Моргунов, В. С. Сердюк, В. Г. Чуранкин, А. А. Федоров //
316
Динамика систем, механизмов и машин: матер. VII Междунар. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. -Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 282 - 285.
8. Телевной, А. В. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности / А. В. Телевной, А. А. Федоров // Омский научный вестник. - 2006. - № 3(36). -С. 104 - 107.
9. Телевной, А. В. Повышение ресурса и совершенствование машин криогенной техники с помощью технологии на основе объемной микропластичности и статикогидродинамического электролиза : дис. ... д-ра. техн. наук : 05.04.03 : защищена 06.10.2000 : утв. 01.06.2001 / А. В. Телевной. - Омск, 2000. - 341 с. - Библиогр.: с. 342- 381.
