Научная статья на тему 'Влияние ионно-плазменной обработки на микрои нанотвердость конструкционных сталей'

Влияние ионно-плазменной обработки на микрои нанотвердость конструкционных сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
177
53
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
конструкционная прочность / микрои нанотвердость / поверхность / наноструктура / залечивание дефектов / сверхпластичность
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Дьяченко Светлана Степановна, Пономаренко Игорь Владимирович, Дуб С. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

It has been established that considerable increase of steel structural strength after ion-plasma treatment revealed in our preliminary investigations could not be explained only by growing of surface microand nanohardness. Such effect first of all is linked with formation of nanocrystalline structure, defects healing and realization of superplastisity mechanism in the surface layer.

Текст научной работы на тему «Влияние ионно-плазменной обработки на микрои нанотвердость конструкционных сталей»

УДК 669.017:621.73

ВЛИЯНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРО-И НАНОТВЕРДОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., И.В. Пономаренко, ассистент, ХНАДУ, С.Н. Дуб, ст. научн. сотр., к. т.н.,

ИСМ им. Бакуля НАН Украины

Аннотация. Установлено, что существенное увеличение конструкционной прочности стали после ИПО, обнаруженное в наших предварительных исследованиях, не может быть объяснено только повышением микро- и нанотвердости поверхности. Этот эффект, в первую очередь, связан с формированием нанокристаллической структуры, залечиванием дефектов и реализацией механизма сверхпластичности в поверхностном слое.

Ключевые слова: конструкционная прочность, микро- и нанотвердость, поверхность, наноструктура, залечивание дефектов, сверхпластичность.

Введение

Проблема повышения конструкционной прочности является весьма актуальной, поскольку определяет надежность и долговечность изделий. В настоящее время с этой целью используют ионно-плазменную обработку, которая позволяет сформировать тонкие нанокристаллические слои на поверхности [1], обладающие высокими механическими и физическими свойствами.

Данная работа посвящена изучению микро- и нанотвердости поверхности после ИПО и выяснению ее влияния на существенное повышение «объемной» прочности при сохранении пластичности.

Анализ публикаций

В наших работах [2, 3] показано, что ИПО с нанесением нитридов тугоплавких элементов является эффективным методом повышения конструкционной прочности сталей: рост ов составляет 24 %, а о0,2 - 42 %, показатели пластичности при этом не изменяются (см. таблицу в [2]). Установлено, что ионная бомбардировка, являющаяся составной частью технологического процесса ИПО, вносит основной вклад в упрочнение: в повышение Ов - 72 %, 00,2 - 83 %.

В [4] был объяснен указанный эффект формированием нанокристаллических структур, залечиванием дефектов и реализацией механизма сверхпластичности при растяжении. Однако при этом не была учтена роль возможного изменения микро- и нанотвердости после ИБ.

Цель исследования

Цель работы - исследование влияния ионноплазменной обработки на микро- и нанотве-рость малоуглеродистых конструкционных сталей для более полного анализа причин повышения конструкционной прочности.

Материал и методика исследований

В качестве материалов исследования были выбраны малоуглеродистые конструкционные стали 18ХГТ и 20Х, широко используемые в современном машиностроении. Из сталей изготавливали образцы двух типов: цилиндрические - для испытаний на растяжение (диаметр 5 мм; длина рабочей части 25 мм); цилиндрические (диаметр 12 мм, высота 7 мм). В качестве исходной термообработки использовали улучшение. Образцы подвергали ионной бомбардировке на установке «ННВ-66-И1» по режиму, приведенному в работе [3]. В образцах для растяжения обрабатывали непосредственно рабочую

часть и головки, в цилиндрических плоских образцах - торцовую поверхность. После испытаний на растяжение из половинок образцов готовили поперечные и продольные микрошлифы с окончательным полированием поверхности. Торцовую поверхность цилиндрических плоских образцов также предварительно полировали.

Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузках 50 и 200 г. Определение нанотвердости проводили на приборе «Nano Indentor II» фирмы «MTC Systems» при нагрузке 5 г. В качестве индентора использовали трехгранную алмазную пирамиду (инден-тор Берковича).

Результати исследований и их обсуждение

Как и следовало ожидать, ИБ не изменяет твердости, а следовательно, прочности сердцевины образцов (Н200 = 2,75 ГПа). В то же время при их растяжении наблюдается резкое повышение прочностных свойств.

Логично предположить, что «объемное» упрочнение образцов может быть следствием существенного увеличения их поверхностной твердости. Исследования показали, что после ИБ Н50 увеличивается с 2,73 ГПа до 3,16 ГПа (на 15,6 %), что, конечно, не может объяснить рост прочности на ~ 40 %.

Можно было бы думать, что толщина зоны повышенной твердости существенно меньше глубины проникновения индентора при измерении микротвердости и поэтому не позволяет определить действительное значение твердости поверхностного слоя. В связи с этим, был привлечен метод измерения нанотвердости, позволяющий оценить эту характеристику на сверхмалых глубинах [5].

На рис. 1 приведены диаграммы нагружения стали 18ХГТ в исходном состоянии - закалки и высокого отпуска (З+ВО) - кривая 1 и после ИБ (З+ВО+ИБ) - кривая 2.

Обработка приведенных диаграмм по методике Оливера и Фарра [6] позволила получить следующие величины нанотвердости: для З+ВО - 4,74 ГПа, для З+ВО+ИБ -5,43 ГПа. Таким образом видим, что прирост твердости после ИБ составил ~ 14,6 %, что также не может объяснить существенного повышения конструкционной прочности после ионно-плазменной обработки.

Перемещение, нм

Рис. 1. Диаграммы нагружения стали 18ХГТ после различной обработки: 1 - З+ВО; 2 -З+ВО+ИБ

В работе [5] была предложена методика расчета среднего контактного давления (СКД) от нагрузки, что по своей сути представляет зависимость нанотвердости от нагрузки (глубины внедрения индентора). Использование данной методики позволило построить зависимость СКД от нагрузки для стали 18ХГТ в исходном состоянии (см. рис. 2, кр. 1).

Нагрузка, мН

Н-------•-1--------•-1-•-1-*■—I-•-1---•-1----•-Г"

0 100 200 300 400 500 600 700

Перемещение, нм

Рис. 2. Зависимость СКД от нагрузки (перемещения индентора) для стали 18ХГТ без учета (кр. 1) и с учетом (кр. 2) погрешности формы индентора

При этом наблюдаются значительные величины нанотвердости при малых нагрузках. Авторы [5] связывают указанный факт с неточностью изготовления вершины инденто-ра, проявляющуюся в виде сферического

притупления, что приводит к сильному искажению результатов измерения нанотвердости уже при глубине отпечатка меньше 200 нм. Для исключения неточности геометрии индентора в этой же работе предложена эмпирическая формула (8). Используя ее, была получена зависимость СКД от нагрузки для нашего случая, представленная на рис. 2, кр. 2. Т.о., погрешность формы индентора, проявляющаяся при малых нагрузках, искажает значение твердости почти в 4 раза. Это свидетельствует о том, что при определении СКД в области малых нагрузок необходимо учитывать форму вершины индентора.

На рис. 3 приведены кривые, обработанные этим методом: кривая 1 (З+ВО), кривая 2 (З+ВО+ИБ).

Нагрузка, мН

-|------1-1----1-1-1-1--1-1-------1-1-1-1---1-1—

0 100 200 300 400 500 600 TOO

Перемещение, нм

Рис. 3. Зависимость СКД от нагрузки (перемещения индентора) для стали 1SXrT после различной обработки: З+ВО (кр. 1) и после З+ВО+ИБ (кр. 2) с учетом погрешности формы индентора

Анализ кривых на рис. 3 позволяет сделать вывод, что СКД при нагрузке 1-2 мН (~ 0,1-

0,2 гс), что соответствует глубине внедрения индентора 10-20 нм, после ИБ почти в два раза выше по сравнению с исходным состоянием. Во всем оставшемся диапазоне исследуемых нагрузок ИБ повысила СКД не более чем на 15 %.

Полученные данные позволяют утверждать, что само по себе изменение нанотвердости в тонком поверхностном слое не может обеспечить изменение поведения изделия при его деформации.

Выводы

Значительное повышение конструкционной прочности сталей после ИБ невозможно объяснить только повышением твердости поверхностного слоя, поскольку оно составило 15 - 16 %. Как и ранее, авторы считают, что эффект обусловлен комплексным влиянием многих факторов, среди которых наиболее значимыми являются: формирование нанок-ристаллической структуры в поверхностном слое и залечивание поверхностных дефектов, по аналогии с эффектом Иоффе для каменной соли, и деформации по механизму сверхпластичности.

Литература

1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. -

М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.

2. Влияние нанокристаллических покрытий

на свойства изделий из конструкционных сталей / Дьяченко С. С., Пономаренко И.В., Дощечкина И.В. Международная конференция «Современное материаловедение: достижения и проблемы». MMS-2005. Тезисы докладов. 26 -30 сентября 2005 г. - К. - С. 665 - 666.

3. Конструкционная прочность стальных из-

делий с нанокристаллической структурой поверхности / Пономаренко И.В., Дьяченко С.С., Дощечкина И.В. // Bíctí академи iнженерних наук Украши. -№3(30). - 2006. - С. 232 - 235.

4. 1онно-плазмова обробка як фактор тдви-

щення конструкцшно1 мщност сталевих виробiв / Дяченко С.С., Пономаренко 1.В. // Новi матерiали i технологи в металур-riï та машинобудуванш. - №1. - 2009. -С. 21 - 28.

5. Дуб С.Н., Новиков Н.В. Испытания твер-

дых тел на нанотвердость // Сверхтвердые материалы. - №6. - 2004. - С. 16 - 33.

6. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved tech-

nique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. - 1992. - 7. - № 6. - P. 1564 - 1583.

Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 22 июля 2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.