CC BY
30
УДК 621.787
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ 25
А.В.Горбунов1, В.Ф.Горбунов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены экспериментальные результаты определения напряжения течения для приповерхностного объема образцов из стали 25 после предварительной пластической деформации (ППД) растяжением до 12%. Деформационное упрочнение поверхностного слоя (ПС) в целом существенно отличается от деформационного упрочнения образца. Существует критическая величина предварительной пластической деформации, после которой не обнаружено деформационного упрочнения ПС. При расчете параметров ППД стали 25 следует исходить из реальной кривой деформационного упрочнения ПС или использовать упруго-пластическую модель с напряжением течения, соответствующим критической деформации. Ил. 2. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: поверхностный слой; пластическая деформация; упрочнение.
REGULARITIES OF SURFACE LAYER DEFORMATIVE HARDENING OF STEEL 25 A.V. Gorbunov, V.F. Gorbunov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The paper presents the experimental results of the determination of the flow stress to the near-surface volume of specimens made of steel 25 after preliminary plastic tensile deformation to 12%. Strain hardening of the surface layer and the sample are significantly different. There is a critical value of preliminary plastic deformation, after which the strain hardening of steel surface was not detected. When calculating the parameters of steel 25 PPD it is necessary to proceed from the actual strain-hardening steel surface curve or to use the elastic-plastic model with the flow stress corresponding to the critical deformation. 2 figures. 9 sources.
Key words: surface layer; plastic deformation; hardening.
При расчете оптимальных параметров технологического процесса ППД деталей необходимо иметь кривую деформационного упрочнения обрабатываемого материала. До сей поры исходят из того, что деформационное упрочнение объема прилегающего к свободной поверхности детали, и внутреннего объема, одинаковы [1]. Однако металлофизики давно уже доказали, что объем, прилегающий к свободной поверхности поликристаллических материалов, обладает особыми физическими свойствами и играет особую роль в процессах деформации и разрушения тел [2-6]. Изменяя микроструктуру только поверхностного слоя, например, создавая нанокристаллическую структуру, можно существенно повысить прочность и пластичность детали после ППД [8].
Известно, что по мере удаления от свободной поверхности усиливается взаимовлияние зерен при их совместной деформации [7], уменьшаются силы, способствовавшие выходу дислокаций и других дефектов на поверхность [4, 5]. В направлении нормали к свободной поверхности деформация гораздо меньше ограничена. Все это должно влиять на кривую деформационного упрочнения ПС.
Для исследования использована малоуглеродистая сталь 25, содержащая 0,25% С, 0,32% 31, 0,56% Мп, 0.036% Р, 0,05% Сг, 0.03% N1.
Плоские, стандартной формы, образцы, изготавливались штамповкой из листов толщиной 2 мм. После шлифовки на станках и шлифовальном круге для удаления наклепанного слоя и остаточных напряжений с поверхности электрохимической полировки стравливался слой толщиной 50 мкм. Окончательный размер рабочей части образца 30*1,8*5,6 мм3. После изотермического отжига образцы старились в течение 24 часов при температуре 150°С. Средний размер зерна по поперечному сечению образца составлял 15 мкм без приповерхностного градиента.
Для определения начала пластического течения в ПС использовался метод, основанный на построении электромагнитной диаграммы растяжения. Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Пластические деформации изменяют магнитную проницаемость поверхностного слоя образца, что, в конечном счете, приводит к изменению напряжения во вторичной обмотке индукционного трансформаторного датчика [9, 10], и на кривой механическое напряжение
1Горбунов Андрей Владимирович, аспирант, тел.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru Gorbunov Andrey, Postgraduate, tel.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru
2Горбунов Владимир Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, тел.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru
Gorbunov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics, tel.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru
- электрическое напряжение возникает перегиб, после которого, несмотря на увеличение механического напряжения, электрическое напряжение в индикаторной обмотке непрерывно уменьшается (рис. 2). Механическое напряжение, соответствующее точке В магнитной диаграммы, можно условно назвать напряжением предельного состояния ПС и обозначить аВе. В
работе [8] экспериментально доказано, что наблюдаемые изменения магнитной диаграммы связаны с пластическим течением ПС толщиной много меньше размера зерна.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - образец; 2 - индукционный трансформаторный датчик; 3 - генератор ГЗ-118; 4 - тензоусилитель 8АНЧ-7М; 5 - датчик нагрузки на образец;
6 - самописец ХУ-4103; 7 - преобразователь В-9
Образцы предварительно пластически деформировались на заданную величину £ и разгружались. При повторном нагружении без отдыха и разгрузке по магнитной диаграмме определялось напряжение &Ве и
остаточные напряжения в ПС по методике, изложенной в работе [10].
Между напряжением течения ПС af и напряжением предельного состояния при одноосном растяжении существует очевидная взаимосвязь:
°Bs=°f +^0- (1)
Потому для определения напряжения течения ПС из напряжения предельного состояния вычиталась величина остаточного напряжения.
Результаты экспериментов и расчетов приведены на рис. 2.
Рис. 2. Электромагнитные (1, 2) и механические (3,4) диаграммы растяжения
Напряжение предельного состояния ПС увеличивается с ростом предварительной пластической деформации, но во всем исследованном интервале деформаций остается много меньше напряжения пластического течения образца.
На кривой деформационного упрочнения ПС однозначно выделяются два участка. На первом протяженность от 0 до критической деформации, равной около 7,3%, поверхностный слой непрерывно упрочняется. Зависимость между предварительной пластической деформацией и напряжением пластического течения ПС параболическая, как и для образца в целом. Однако при каждом значении пластической деформации интенсивность упрочнения ПС на много меньше. На втором участке образец продолжает упрочняться по той же параболической зависимости, а ПС при деформации выше критической разупрочняет-ся.
Наблюдаемая особенность упрочнения ПС связана с влиянием свободной поверхности на процесс генерации и накопления дислокаций, точечных и других дефектов кристаллической структуры. При нагружении образца выше напряжения предельного состояния ПС действуют одновременно два процесса: генерация дефектов с их закреплением (деформационное упрочнение) и их аннигиляция на свободной поверхности (разупрочнение). До критической степени деформации преобладают процессы размножения и закрепления дефектов кристаллической структуры в тонком поверхностном слое.
После равновесия (е = е ) ход кривой упрочнения зависит от множества случайных факторов, определяющих степень закрепления дефектов в ПС и величину силового давления дефектов, интенсивно размножающихся под поверхностным слоем и стремящихся выйти на свободную поверхность. Если число вытолкнутых на поверхность дислокаций будет больше числа дислокаций, поступивших в ПС и закрепившихся в нем, будем наблюдать разупрочнение ПС. Что и произошло в стали 25.
Следует отметить, что, несмотря на деформационное упрочнение, в поверхностном слое при любой величине предварительной пластической деформации пластическое течение в ПС начинается при напряжении в 1,5 - 2 раза меньше напряжения течения образца. К моменту начала течения всего образца в ПС формируется определенная дефектная структура.
Кривая 4 на рис. 3 показывает, что остаточные напряжения, формирующиеся после предварительной пластической деформации, увеличиваются по параболической зависимости без каких-либо особенностей при критической деформации. Следовательно, появление их в большей степени связано не с приповерхностным тонким слоем, предельное состояние которого фиксирует максимум электрического напряжения на магнитной диаграмме растяжения образца, а нижележащими слоями в пределах зоны влияния свободной поверхности. Здесь интенсивно накапливаются дефекты кристаллической решетки, увеличивающие удельный объем. Из-за этого при разгрузке об-
разца появляются остаточные напряжения первого рода.
О 1 2 3 4
Рис. 3. Зависимость напряжения (1), напряжения течения ПС о^ ,МПа (2), напряжения течения образца
Г£ (3) и остаточного напряжения о0 (4)
от предварительной пластической деформации образца из стали 25
Экспериментально доказано, что размер зоны влияния свободной поверхности прямо пропорционален размеру зерна. Коэффициент пропорциональности зависит от типа кристаллической решетки металла [7]. Объем образца, находящийся вне зоны влияния, очевидно, имеет кривую деформационного упрочнения такую же, как весь образец при условии отсутствия градиента размеров зерен по его поперечному сечению. Таким образом, в пределах нескольких зерен от сводной поверхности имеем плавный переход от кривой деформационного упрочнения ПС к кривой деформационного упрочнения образца в целом.
Представленные экспериментальные результаты показывают необоснованность применения диаграммы деформационного упрочнения образца при расчете упруго-пластических деформаций в приповерхностном объеме из-за существенного различия процессов деформационного упрочнения.
Если деформация в поверхностном слое превышает критическую величину, то при инженерных расчетах следует использовать модели без деформационного упрочнения (упруго-пластическая, жестко-пластическая). При этом напряжение пластического течения равно напряжению соответствующего критической деформации.
Выводы. Деформационное упрочнение объема, прилегающего к свободной поверхности образца арм-ко-железа и стали 25, качественно и количественно отличается от такового для образца в целом.
Поверхностный слой стали 25 с размером зерна 15 мкм упрочняется только до предварительной пластической деформации, близкой к 7,3%.
Кривая деформационного упрочнения ПС может быть представлена диаграммой деформирования упруго-пластического тела.
1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2о0о. 318 с.
2. Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М. Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, №2. С. 5-14.
3. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физическая мезомеханика. 2001. Т. 4, №3. С. 5-22.
4. Latanision R.M. Surface effects in crystal plasticity: General overview // Surface effects Crist. Plast. Leiden, 1977. P. 3-47.
5. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. 280 с.
ский список
6. Kramer I.R. Effect of surface on mechanical behavior of metals // Fundament Phenomena Mater. Sci. v. 3. New York: Plenum. Press., 1986 . P. 171-222.
7. Fujito Hiroshi. Effect of boundaries on plastic deformation // Дзайре Когаку. J. Mater. Sci. Jap..- 1980, V.17, N 5. P. 196205.
8. Панин В.Е. Поверхностный слой как синергетический активатор пластического течения нагруженного твердого тела // МиТОМ. 2005. С. №7. 62-68.
9. Горбунов В.Ф. Напряженное состояние и поверхностная прочность элементов конструкций: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 1988. 151 с.
