Актуальность работы. Создание новой техники и передовой технологии непосредственно связано с развитием и качественным улучшением свойств и служебных характеристик металлических материалов. Среди них особое место занимают пружинные стали и сплавы, используемые в приборо- и машиностроении для изготовления различных упругих элементов ответственного назначения. Специфические условия работы большинства пружинных изделий требуют применения сталей и сплавов с высоким уровнем прочностных и упругих свойств, достаточной пластичности, повышенной релаксационной и усталостной стойкости.
Пружинные сплавы являются высокопрочными материалами, поскольку способность воспринимать и передавать значительные силовые нагрузки, исключая при этом возможность протекания даже малой по величине остаточной деформации, - это одно из основных функциональных свойств упругих элементов. Подобное качество особо важно для пружин, используемых для точных приборов, прецизионных измерительных устройств. Кроме того, такие изделия обычно эксплуатируются в условиях преобладающего воздействия крутящих и изгибных нагрузок, вследствие чего максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях упругих элементов. Данное обстоятельство закономерно диктует необходимость применения таких высокопрочных материалов, которые характеризуются повышенным сопротивлением пластической деформации поверхностных участков. Вот почему определенное внимание могут привлекать технологии, позволяющие целенаправленно обеспечивать поверхностное упрочнение таких материалов. Среди них очевидный интерес способны представлять методы поверхностной обработки, основанные на применении пластического деформирования (обкатка роликами и шариками, дробеструйная обработка, алмазное выглаживание и др.).
Одним из способов поверхностного пластического деформирования является фрикционная обработка в условиях трения, исключающих заметный деформационный разогрев. Показано, что в результате такого деформирования в поверхностном слое обрабатываемых изделий возникают ультрадисперсные, в том числе и нанокристаллические структуры. Наличие у возникающих в зоне фрикционного контакта структур особых свойств (высокая твердости и достаточная пластичность, повышенная устойчивость к разупрочнению при отпуске, фрикционная теплостойкость) позволяет рассматривать упрочняющую фрикционную обработку в качестве перспективного способа улучшения эксплуатационно важных характеристик металлических поверхностей.
Исследованию фрикционного поверхностного воздействия на стали и сплавы посвящено большое количество работ. Получены результаты, имеющие важное научное и практическое значение. Но, несмотря на повышенное внимание исследователей к проблеме поверхностной прочности стальных изделий, ряд важных вопросов, касающихся структурных превращений, механизмов деформационного упрочнения и их влияния на физико-механические свойства, остаются недостаточно изученными. Так, обстоятельные исследования в этой области (Л.Г.Коршунов, А.В.Макаров, С.Ю.Тарасов и др.) в большей степени затрагивали вопросы, связанные с влиянием подобной обработки на показатели износостойкости исследуемых материалов. Вместе с тем отсутствуют сведения относительно обработки трением пружинных материалов, работающих, как отмечено выше, в специфических условиях нагружения. При этом применительно к упругим элементам, используемым в точном приборостроении, речь обычно идет о пружинных изделиях, изготовленных из ленточных или проволочных заготовок, имеющих малые габариты и характеризующихся тонким сечением.
Изложенное выше показывает, что для изделий тонкого сечения вполне значительным по воздействию может оказаться использование фрикционного нагружения с целью влияния на структурное состояние и очевидное изменение свойств. В этом отношении удобным объектом изучения могут быть длинномерные материалы с малой величиной поперечного сечения. Примером таких изделий можно считать ленточные заготовки для упругих элементов, которые получаются путем плющения проволочных (круглых) полуфабрикатов. При этом самостоятельное значение применительно к ленточным материалам могут иметь свойства, которые оказываются наиболее важными именно для пружинных изделий - сопротивление малым пластическим деформациям, повышенная твердость, релаксационная устойчивость, усталостная стойкость, сопротивление повторному нагружению (эффект Баушингера). Особый интерес могут представлять также эффекты, обусловленные возможностью изменения фазового состояния в ходе фрикционного нагружения. В частности, следует ожидать стимулирование полиморфного превращения в сплавах, содержащих метастабильные фазы (например, фазовый переход аустенита в мартенсит деформации).
Цель работы - применительно к пружинным сталям мартенситного и аустенитного классов выявить особенности формирования тонкой структуры после обработки трением, определить функциональные свойства таких материалов, а также разработать метод поверхностной фрикционной обработки длинномерных ленточных изделий.
В работе были поставлены следующие задачи:
- исследовать тонкую структуру сталей мартенситного и аустенитного классов, подвергнутых фрикционному упрочнению;
- изучить влияние обработки трением на специфические свойства пружинных материалов: сопротивление малым пластическим деформациям, проявление эффекта Баушингера, релаксационную стойкость, усталостные свойства;
- разработать методику и сконструировать экспериментальную установку для фрикционной обработки длинномерных ленточных образцов;
- определить оптимальные условия деформационного упрочнения с использованием метода математического планирования эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы. На основании выполненного исследования получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту.
1. Выявление особенностей поверхностной фрикционной обработки пружинных сталей мартенситного и аустенитного классов и установление возможности формирования в этих материалах высоко фрагментированной структуры нанокристаллического масштаба.
2. Использование впервые поверхностной обработки трением в качестве перспективного способа повышения важных эксплуатационных характеристик упругих элементов - прочностных, усталостных, релаксационных.
3. Обоснование оптимальных режимов термомеханической обработки с целью формирования высоких функциональных свойств изучаемых пружинных сталей на основе применения нового способа фрикционного упрочнения длинномерных ленточных заготовок по схеме «скользящая заготовка - неподвижный индентор».
Практическая значимость
1. Разработана конструкция установки для экспериментального исследования влияния технологических факторов на свойства пружинных материалов, основанная на деформировании длинномерных ленточных заготовок в упругопластической области путем протягивания через закрепленные инденторы-валки.
2. Проведен поиск оптимального режима фрикционного упрочнения в зависимости от давления в зоне контакта, радиуса инденторов и числа проходов. Аналитическая оценка характера и степени влияния рассмотренных факторов дает возможность определить наиболее рациональный режим фрикционного упрочнения.
3. Предложенный способ поверхностного упрочнения получил положительную апробацию при изготовлении упругих элементов (пружин) в приборостроительных устройствах специального назначения.
4. Результаты диссертационной работы используются в лекционных курсах и при проведении лабораторных занятий для студентов, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов».
Достоверность результатов работы обеспечена использованием проверенных и апробированных методов испытания материалов, применением известных способов обработки экспериментальных результатов. Результаты исследований, приведенные в настоящей работе, хорошо согласуются между собой и не противоречат известным в научной литературе представлениям и результатам.
Личный вклад автора. В представленной работе при непосредственным участии автора получена значительная часть экспериментального материала.
Автором проведена термическая обработка образцов, подвергнутых фрикционному нагружению, и выполнен запланированный цикл лабораторных испытаний. Проведен металлографический, электронно-микроскопический и рентгеноструктурный анализ ленточных образцов.
Диссертант принимала непосредственное участие в планировании экспериментов и в обсуждении полученных результатов, а также в написании статей и тезисов докладов. Результаты исследования неоднократно докладывались лично диссертантом на совещаниях и конференциях, в том числе и международных.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научных конференциях различного уровня: международных, в том числе: «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010 г.), XVIII конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2010 г.); XI, XII Уральской школе- семинара молодых ученых-металловедов (Екатеринбург, 2010, 2011 гг.); «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011 г.), V Международной школе «Физическое материаловедение», «Научно-технический прогресс в металлургии» (Алматы, 2011 г.); I, II интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2011, 2012 гг.), XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, 2012 г.); всероссийских - VI молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы из 158 наименований. Объем диссертации - 132 страницы, текст диссертации иллюстрируют 33 рисунка и 10 таблиц.
1. Впервые метод поверхностного пластического деформирования трением скольжения использован для повышения функциональных свойств упругих элементов, полученных из плющеной ленты. Объектом изучения являлись стали разных структурных классов - мартенситного и аустенитного.
2. Рентгенографический анализ показал, что поверхностная фрикционная обработка закаленной плющеной ленты стали 70С2ХА приводит к снижению степени тетрагональности мартенсита. Тем самым трение способствует динамическому распаду пересыщенного а-твердого раствора (мартенсита). В нестабильной аустенитной стали ЗИ-126, подвергнутой холодному деформированию (волочению + плющению) последующая поверхностная фрикционная обработка активизирует процесс образования мартенсита деформации вследствие развития полиморфного у^а превращения. Показано, что фрикционная обработка холоднодеформированной аустенитной стали приводит к ослаблению текстуры прокатки.
3. Электронно-микроскопическое исследование тонких фольг позволяет заключить, что деформация трением сталей обоих структурных классов - мартенситного и аустенитного - способствует формированию в поверхностном слое плющеной ленты глубиной до 10 мкм сильно фрагментированной микроструктуры, по размерам приближающейся к нанометрическому масштабу. Такое структурное состояние сохраняется при заключительной термической обработке - стандартных режимах отпуска (старения) данных сталей -, исключающей прохождение процесса рекристаллизации.
4. Фрикционная обработка способствует деформационному упрочнению и возрастанию сопротивления усталостному нагружению, при этом показатели микротвердости НУ0,5 повышаются на 15-25% для мартенситных сталей и 40-50% - для аустенитных, условный предел упругости о0,03 возрастает на 10% , но более заметно - выносливость (почти в 2-3 раза). Одновременно это способствует снижению сопротивления стали повторному нагружению с обратным знаком (эффект Баушингера). При этом характеристики вязкости (число знакопеременных гибов) сохраняются на достаточно высоком уровне (30-32).
5. Дополнительная обработка трением благоприятно влияет на уровень релаксационной стойкости. Более сильное пересыщение по дефектам, активное фрагментирование микроструктуры в сочетании с закреплением дислокаций как при динамическом отпуске (старении), так и в процессе заключительного этапа термомеханического упрочнения рассматриваются в качеств основных причин, вызывающих торможение сдвигового и структурного механизмов релаксации напряжений.
6. Предложен способ поверхностной фрикционной обработки длинномерных ленточных образцов, основанный на деформировании в упругопластической области путем протягивания заготовки через закрепленные инденторы-валки. Методом планирования выполнен трехфакторный эксперимент по поиску оптимального режима фрикционного упрочнения. Наиболее существенное влияние на деформационный наклеп оказывают величина радиуса инденторов, а также давление в зоне контакта. Вместе с тем число проходов оказывается наименее воздействующим фактором, что позволяет строить более рациональную схему фрикционного деформирования с учетом количественного ограничения этого технологического параметра.
7. Разработанная технология ПФО тонкой ленты из аустенитных и мартенситных сталей прошла успешную апробацию для изготовления упругих элементов в изделиях специального назначения.
Автор считает приятным долгом выразить признательность доц., к.т.н. Б.Р. Картаку за внимание и творческое участие в данной работе.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
