Роль изменения твердости в повышении конструкционной прочности сталей после ионно-плазменной обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620

РОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТВЕРДОСТИ В ПОВЫШЕНИИ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ И.В. Пономаренко, ассистент, ХНАДУ

Аннотация. Исследовано распределение твердости по сечению материала после ИПО. Установлено, что такая обработка изменяет твердость поверхностного слоя толщиной не более

0,2-0,3 мм. Анализ вклада каждой стадии ИПО в изменение твердости дает основание не рассматривать последнюю как доминирующий фактор в повышении конструкционной прочности.

Ключевые слова: ионно-плазменная обработка, конструкционная прочность, распределение микро- и нанотвердости, поверхность, наноструктура, залечивание дефектов.

РОЛЬ ЗМ1НИ ТВЕРДОСТ1 В П1ДВИЩЕНН1 КОНСТРУКЦ1ЙНОТ М1ЦНОСТ1 СТАЛЕЙ П1СЛЯ ЮННО-ПЛА.ЗМОВОТ ОБРОБКИ 1.В. Пономаренко, асистент, ХНАДУ

Анотаця. Досл1джено розподы твердост1 по перер1зу матер1алу тсля 1ПО. Встановлено, що така обробка змтюе твердкть поверхневого шару товщиною не быьше 0,2-0,3 мм. Анал1з вкладу кожног стада 1ПО у змту твердост1 дае тдстави не розглядати останню як домтую-чий фактор в тдвищент конструкцтног мщност1.

Ключов1 слова: ¡онно-плазмова обробка, конструкцтна мщтсть, розподы мтро- i нанотвер-дост1, поверхня, наноструктура, залтовування дефектiв.

ROLE OF HARDNESS CHANGE IN INCREASE OF STEELS STRUCTURAL STRENGTH AFTER ION-PLASMA TREATMENT I. Ponomarenko, assistant, KhNAHU

Abstract. This article investigates the hardness distribution across the surface layer depth after ionplasma treatment. It is shown, that this treatment changes surface hardness in thickness no more than by 0,2-0,3 mm. Analysis of the hardness distribution after every stage of IPT gives grounds to conclude that the hardness change cannot be regarded as a main factor determining structural strength increase.

Key words: ion-plasma treatment, structural strength, mikro- and nanohardness distribution, surface, nanostrukture, defects.

Введение

Известно, что наиболее эффективным способом повышения конструкционной прочности сталей является создание в металле ультра-мелкого зерна с развитой ячеистой субструктурой. Особенно высоких результатов можно достичь, получив в материале нанокристал-лическое строение. Однако, несмотря на значительные успехи ученых в этом направлении, в настоящее время отсутствуют

промышленные технологии создания такой структуры по всему сечению реального изделия. В то же время существуют методы обработки, позволяющие получить нанокри-сталлическое строение в тонком поверхностном слое. К ним относят поверхностную ударную ультразвуковую обработку, лазерные и ионно-плазменные технологии, обработку трением. Ионно-плазменная обработка (ИПО) имеет ряд преимуществ, связанных с простотой ее реализации, наличием техноло-

гической базы, кратковременностью процесса, возможностью обработки изделий сложной формы без дополнительных приспособлений, одновременной обработкой всей поверхности и т.д.

Анализ публикаций

В наших исследованиях [1] показано, что ИПО позволяет повысить предел текучести на 40 %, при неизменности показателей пластичности. Особенно эффективной является ионная бомбардировка, обеспечивающая основной вклад в повышение прочности.

Как известно, твердость в определенной степени коррелирует с прочностными свойствами материала. В некоторых источниках, например [2, 3], приводятся данные о повышении твердости при плазменной обработке материала на глубину до 10-15 мм.

В данной работе рассматривается изменение твердости по сечению стальных образцов после ИПО и возможное влияние градиента твердости на повышение конструкционной прочности материала.

Цель исследования

Цель работы - установить роль изменения твердости сталей после ионно-плазменной обработки в повышении их конструкционной прочности.

Материал и методика исследований

Исследования проводили на образцах из сталей 18ХГТ и 20Х после улучшения и последующей ИПО. Микротвердость определяли при нагрузке 200 г на приборе ПМТ-3 вдоль оси и в диаметральном направлении. Нанотвердость измеряли на приборе «Nano Indentor II» фирмы «MTC Systems» при нагрузке 5 г для образцов в указанных состояниях и дополнительно после нанесения покрытия TiN.

Результаты исследований и их обсуждение

Распределение микротвердости в разных сечениях образцов после испытания на растяжение приведено на рис. 1. Кривые характеризуются естественным разбросом значений как для исходного состояния, так и после ИБ. Для продольного сечения наблюдается рост

микротвердости в области шейки вследствие наклепа.

Математическая обработка результатов измерений позволила установить значение микротвердости для исходного состояния, равное 2,7 ГПа. Из сопоставления кривых видно, что твердость сердцевины после ИБ не изменяется. При подготовке микрошлифа поперечного сечения образца образовался «завал» по его периметру, несмотря на предварительную заливку эпоксидной смолой. Это не позволило определить микротвердость непосредственно вблизи поверхности образца. Величина «завала» приближенно равнялась 0,2-0,3 мм. Таким образом, можно утверждать, что на глубине выше указанной не фиксируются изменения, вносимые ИБ при данных условиях процесса.

Для анализа изменения твердости поверхностного слоя использовали нанотвердомет-рию. На рис. 2 приведены диаграммы нагружения стали после различной обработки. Использование методики Оливера и Фарра [4] дало возможность установить следующие значения нанотвердости: для З+ВО -

4,74 ГПа, для З+ВО+ИБ - 5,43 ГПа, для З+ВО+ИБ+ТШ - 5,92 ГПа. Невысокие значения твердости покрытия ТШ связаны с про-давливанием последнего индентором в связи с малой толщиной.

Распределение твердости по глубине получено по методике [5] (рис. 3). Из рисунка видно, что для исходного состояния регистрируется повышение твердости на глубине до 100-150 нм за счет механического полирования. После ИБ на поверхности образуется зона толщиной ~ 30-40 нм с повышенной (~ 14 ГПа) и плавно снижающейся с увеличением глубины твердостью. На глубине более 50 нм прирост твердости по сравнению с исходным состоянием стабилизируется и на всей измеряемой глубине (~ 700 нм) она сохраняется на уровне 5,43 ГПа.

Из приведенных данных можно представить распределение твердости по сечению образца после ИБ таким образом: поверхностный нанослой глубиной ~ 30-40 нм с твердостью до 14 ГПа, подслой с твердостью ~ 5,4 ГПа и основной металл, твердость которого не изменяется, начиная с 0,2-0,3 мм от поверхности.

Рис. 1. Распределение микротвердости образцов в поперечном (а, б) и продольном (в, г) сечениях до (а, в) и после ИБ (б, г)

Перемещение, нм

Рис. 2. Диаграммы нагружения стали 18ХГТ после различной обработки: 1 - З+ВО; 2 - З + ВО + ИБ; 3 - З + ВО + ИБ + ПК (~1 мкм)

Нагрузка. ыН

-| 1 1 1 1 • 1 1 1 • 1 1 1 1 1—

0 100 200 300 400 500 600 70С

Перемещение,

Рис. 3. Распределение нанотвердости по глубине для стали 18ХГТ с учетом неточности формы индентора: 1 - З+ВО; 2 -З+ВО+ИБ; 3 - З+ВО+ ИБ+ТЧ

Точной границы подслоя в связи с «завалом» определить не удалось, однако есть основания считать, что до глубины 0,2-0,3 мм твердость постепенно снижается с 5,43 до 4,74 ГПа.

Нанесение покрытия ТШ приводит к росту нанотвердости до 21 ГПа на глубине до 4050 нм, затем твердость плавно уменьшается. При этом слой с повышенной твердостью гораздо толще, чем после ИБ, что видно из хода кривой 3 (рис. 3).

Сопоставление этих данных с ростом прочности позволяет заключить, что ни само значение поверхностной твердости, ни глубина ее изменения не являются определяющими факторами, приводящими к росту конструкционной прочности. Так, после ИБ твердость повысилась ~ на 14 %, упрочненная зона занимает ~ 10 % площади сечения, а прочность образца увеличивается на 34 %. После же нанесения покрытия твердость возрастает втрое, существенно растет зона ее изменения, а дополнительный прирост прочности составляет всего 4-5 %.

Выводы

Повышение поверхностной твердости после ИБ и глубина поверхностного упрочненного слоя не могут рассматриваться как доминирующие факторы в уникальном росте конструкционной прочности стали, поскольку они не соответствуют закону аддитивности.

Этот эффект связан с залечиванием дефектов и образованием поверхностного нанокристалли-

ческого слоя, что приводит к изменению механизма пластической деформации.

Литература

1. Дяченко С.С. 1онно-плазмова обробка як

фактор шдвищення конструкцшно! мщ-ностi сталевих виробiв / С.С. Дяченко,

1.В. Пономаренко // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобуду-ваннi. - 2009. - №1. - С. 21-28.

2. Кунченко Ю.В. О глубине зоны модифи-

кации свойств (упрочнения) материалов облучением при Т < 100 °С низкоэнергетической плазмой тлеющего разряда / Ю.В. Кунченко, В.В. Кунченко, Г.Н. Карт-мазов // Физическая инженерия поверхности. - 2009. - Т. 7, № 1-2. - С. 46-53.

3. Берт Н.А. Эффект структурного дально-

действия в арсениде галлия при ионной

бомбардировке / Н.А. Берт, И.П. Сошников, М.Г. Степанова // Физика твердого тела. - 1998. - Т. 40, № 3. - С. 438-440.

4. Oliver W.C. An improved technique for de-

termining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal Materials Research. - 1992. -Vol. 7, № 6. - P. 1564-1583.

5. Дуб С.Н. Испытания твердых тел на нано-

твердость. / С.Н. Дуб, Н.В. Новиков. -Сверхтвердые материалы. - 2004. - №6. - С. 16-33.

Рецензент: А.Н. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 июля 2010 г.