CC BY
55
УДК 669.017:621.73
ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРНОГО СЛОЯ НА ОБЪЁМНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ
И.А. Пономаренко, ассистент, И.С. Татаркина, инженер, И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Исследовано влияние шероховатости и нанокристаллической структуры поверхности на объемные механические свойства изделий.
Ключевые слова: ионная бомбардировка, поверхностный слой, шероховатость, нанокристал-лическая структура, прочность, пластичность, сверхпластичность.
ВПЛИВ НАНОСТРУКТУРНОГО ШАРУ НА ОБ'еМШ МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ВИРОБ1В
1.А. Пономаренко, асистент, 1.С. Татаркша, шженер, 1.В. Дощечкша, доцент, к. т.н., ХНАДУ
Анотаця. Досл1джено вплив шорсткост1 та нанокристал1чног структури поверхм на об 'емт мехатчт властивост1 вироб1в.
Ключов1 слова: ¡онне бомбардування, поверхневий шар, шорстюсть, нанокристал1чна структура, мщтсть, пластичмсть, надпластичмсть.
INFLUENCE OF NANOSTRUCTURED LAYER UPON MECHANICAL PROPERTIES OF THE ITEMS
I. Ponomarenco, assistant, I. Tatarcina, еngineer, I. Doshechcina, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhNAHU
Abstract. The influence of surface roughness and nanostructured layer upon the volume mechanical properties of the parts has been investigated.
Key words: ion bombardment, surface layer, roughness, nanocrystalline structure, strength, ductility, superplasticity.
Введение
С контактным взаимодействием поверхностей связаны методы получения, способы упрочнения и соединения деталей, а также служебные характеристики в различных условиях эксплуатации.
От состояния поверхностного рабочего слоя (тонкой структуры, шероховатости) зависит долговечность изделий, так как в большинстве случаев разрушение начинается именно с поверхности - при трении, усталости, под влиянием коррозионной среды.
Развитие высоких технологий для модификации поверхностных слоев позволяет использовать очень тонкие покрытия и пленки, в том числе наноразмерные, которые обладают уникальным сочетанием свойств, принципиально отличающихся от полученных после традиционных методов упрочнения поверхности. Это можно объяснить тем, что создание на поверхности наноструктуры обеспечивает получение своеобразного композиционного материала, в котором деформация поверхности и сердцевины осуществляется по разным механизмам.
Анализ публикаций
В последние годы в разных отраслях техники для модификации поверхности широко используются различные ионно-плазменные покрытия на основе тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, карбонитридов). Большинство покрытий многофункциональны. Они существенно повышают износостойкость, долговечность, коррозионную стойкость, жаростойкость и жаропрочность, а также ряд других специальных свойств [1, 2].
Особенностью таких покрытий является на-нокристаллическое строение в тонком поверхностном слое [3, 4]. Именно формированием наноструктуры объясняются высокие эксплуатационные свойства поверхности после ионно-плазменной обработки (ИПО).
работы - определить основной фактор, повышающий конструктивную прочность стальных изделий.
Материал и методика исследований
Материалом исследований послужили стали 20Х и 18ХГТ. Исследования выполнялись на стандартных образцах для испытаний на растяжение (0 5 мм), что позволило определить реальные механические свойства материала.
Заготовки были закалены в масле от температуры 880 °С с последующим низким (180 °С) и высоким (550 °С) отпуском. Для анализа влияния шероховатости на свойства были изготовлены образцы трех видов -после шлифования, после механического и электрохимического полирования.
Известно, что ИПО изменяет шероховатость поверхности. Однако однозначного мнения о влиянии шероховатости на служебные характеристики изделий не существует. В то же время примерно 50 % повреждений деталей машин вызваны их некачественной поверхностью.
Вопрос о том, может ли состояние тонкого рабочего слоя повлиять на механические свойства и долговечность изделия в целом, в научной литературе до сих пор не рассматривался.
Авторами данной работы было впервые показано, что ИПО не только изменяет свойства поверхности, но и повышает объемные механические характеристики [5, 6]. Особого внимания заслуживает тот факт, что значительное увеличение прочности не сопровождается снижением пластичности материала.
В этой связи представляет интерес проанализировать влияние различных факторов на подобное изменение свойств и оценить вклад каждого из них в повышение конструктивной прочности.
Цель и задачи исследования
Поставлена задача изучить изменение объемных механических характеристик массивных изделий в зависимости от состояния поверхности после различных видов механической и термической обработки, а также после ионной бомбардировки (ИБ) при ИПО. Цель
В работах [5, 6] авторами установлено, что главную роль в изменении объемных свойств играет ИБ, а последующее нанесений покрытий увеличивает показатели прочности всего на 4-5 %, поэтому образцы после различных видов мехобработки подвергали ИБ. Чтобы избежать перегрева образцов, процесс проводили циклично, с паузами на охлаждение.
Шероховатость (Яа) и профиль поверхности определяли контактным методом на профи-лографе-профилометре ТЯ-200 с диапазоном измерений 0,005-16 мкм. Ошибка измерений Яа не превышала 10 %.
Рис. 1 Профилограммы поверхностей образцов после шлифования (а), механического (б) и электрохимического (в) полирования
Результаты исследований и их обсуждение
При исследовании стальных образцов было установлено, что независимо от химсостава и термической обработки для шлифованных образцов шероховатость соответствует Ra = 0,49 мкм, а для механически полированных Ra = 0,12 мкм. Электрохимическое полирование еще на один класс улучшает качество обработки поверхности в дополнение к механическому полированию.
На рис. 2 приведены кривые растяжения шлифованных и механически полированных образцов из стали 18ХГТ после высокого и низкого отпуска.
р 20000 Н 18000 «ООО 14000 11000 10000 моо июо
4000 2000 о
0 12 9 4 5 8 Bl ЫЫ
а
р 30000
н
25000 20000 15000 ЮООО
5000 О
О 1 2 3 4 5 й1.ММ
б
Рис. 2. Кривые растяжения Р-Д/ для закаленной стали 18ХГТ после высокого (а) и низкого (б) отпуска: 1 - шлифованные образцы; 2 - полированные образцы
Из рис. 2, а видно, что для улучшенных образцов после полирования кривая растяжения 2 расположена выше кривой 1, соответствующей образцам после шлифования. Это свидетельствует об увеличении характеристик прочности. При этом рассчитанные показатели пластичности сохраняются практически неизменными. Для этой же стали в низкоотпущенном состоянии (рис. 2, б), на-
против, после полирования наблюдается снижение прочности. При этом показатели пластичности несколько (~ 10 %) возрастают.
В стали 20Х, как показали исследования, после низкого отпуска полирование влияет на механические свойства аналогичным образом. Однако в улучшенном состоянии после полирования прочность и пластичность практически не изменяются.
Следует отметить, что полирование стали 18ХГТ в улучшенном состоянии почти вдвое увеличивает разброс значений ов и практически не изменяет о02 и показатели пластичности. Для стали же 20Х в улучшенном состоянии, напротив, полирование вдвое уменьшило разброс значений прочностных показателей. Для низкоотпущенного состояния обеих сталей разброс значений после полирования заметно уменьшается. Данные свидетельствуют о высокой чувствительности к состоянию поверхности результатов испытаний на растяжение. Оставшиеся после полирования микронеровности могут существенно влиять на результаты испытаний. Для использования чистоты поверхности, с целью повышения конструктивной прочности, нужна очень тщательная предварительная механическая обработка изделий. Зачастую даже электрохимическое полирование не приносит желаемого результата, так как не устраняет технологическую наследственность от предварительного механического полирования.
Особый интерес вызывает влияние ИБ на чистоту поверхности. Установлено, что ИБ по-разному влияет на шероховатость поверхности шлифованных и полированных образцов: для шлифованных образцов шероховатость снизилась с 0,49 мкм до 0,18 мкм, а у механически полированных она несколько увеличилась (с 0,12 мкм до 0,16 мкм), после электрохимического полирования -практически не изменилась. Различие в значениях шероховатости после ИБ для образцов с разной предварительной обработкой находится в пределах ошибки эксперимента. Это позволяет заключить, что после ИБ независимо от исходной обработки формируется практически одинаковая шероховатость, характерная для данного режима ИБ.
Испытания на растяжение показали, что ИБ приводит к существенному повышению
прочности (до 40 %) при сохранении и даже некотором увеличении показателей пластичности, независимо от исходной шероховатости поверхности. Можно было ожидать, что электрохимическое полирование заметно повлияет на повышение прочности аналогично ИБ, в связи с тем, что уплотняется и выглаживается поверхностный слой, улучшается профиль поверхности. Однако подобный эффект не наблюдался.
Выполненные исследования свидетельствуют, что шероховатость в определенной мере влияет на механические свойства изделий. Но ее нельзя считать определяющим фактором в повышении прочности, так как после ИБ шероховатость в сравнении с полированными образцами увеличилась, а прочность возросла. Более того, даже электрохимическое полирование не привело к повышению прочности. Следовательно, причина упрочнения не в самой шероховатости, а в физических процессах, которые происходят на поверхности под влиянием ИБ - это залечивание поверхностных дефектов и образование тонкого нанокристаллического слоя. Наличие наноструктуры приводит к осуществлению деформации в условиях, близких к сверхпластичности, что и обеспечивает значительное повышение прочности без снижения пластичности.
Выводы
1. Ионная бомбардировка, увеличивающая шероховатость поверхности по сравнению с шероховатостью после механического и электрохимического полирования, приводит к значительному повышению прочности без охрупчивания изделий, эксплуатирующихся в условиях статических нагрузок.
2. Шероховатость поверхности не является определяющей в повышении объемной прочности изделий.
3. Основным фактором, обеспечивающим получение высокой конструктивной прочности после ИБ, является формирование нано-кристаллической структуры в тонком поверхностном слое изделия.
Литература
1. Азаренков Н.А. Структура и свойства за-
щитных покрытий и модифицированных слоев материалов / Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк. - Харьков : ХНУ им. Каразина, 2007. - 576 с.
2. Береснев В.М. Покрытия на основе туго-
плавких соединений, осаждаемых из потоков металлической плазмы вакуумной дугой / В.М. Береснев, В.Т. Тополь,
B.И. Гриценко // Физическая инженерия поверхности. - 2003. - Т. 1, № 3-4. -
C. 237-257.
3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику /
Ю.И. Головин. - М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.
4. Андриевский Р.А. Наноструктурные мате-
риалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. - М. : Академия, 2005. - 192 с.
5. Дощечкша 1.В. Вплив поверхневого змщ-
нення на мехашчш властивосп виробiв / 1.В. Дощечкша, С.С. Дяченко, 1.В. По-номаренко та ш. // Автомобильный транспорт : сб. наук. пр. - Харюв : ХНАДУ. - 2005. - Вип. 16. - С. 79-82.
6. Дяченко С.С. 1онно-плазмова обробка як
фактор тдвищення конструкцшно! мщ-ност сталевих виробiв / С.С. Дяченко, 1.В. Пономаренко // Новi матерiали i тех-нологи в металурги та машинобуду-ванш. - Запорiжжя. - 2009. - Вип. 1. -С.71-76.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н. ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
