Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение надежности изделий в сочетании с возможным снижением их материалоемкости. Решение данной задачи возможно при повышении конструкционной прочности металлических материалов, механические свойства которых в значительной степени зависят от термической обработки, являющейся в большинстве случаев завершающей стадией изготовления деталей. Однако возможности дальнейшего повышения механических свойств металлических материалов при помощи одних лишь традиционные видов термической обработки в настоящее время практически исчерпань.
Прогресс в области машиностроения тесно связан не только с созданием и освоением новых, экономичных материалов, но и с развитием и внедрением в производство новейших методов упрочнения материалов.
Совершенствование производства, выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций, специальных приборов и машин, стремление придать имеющимся материалам и изделиям оптимальные свойства сти^лирует развитие новых методов воздействия на структуру металлов и сплавов, в том числе и комбинированных, сочетающих термическую обработку с воздействием ультразвука, магнитного поля, лазерного излучения и др.
Использование на практике того или иного метода упрочнения, в том числе и предлагаемого термоимпульсного воздействия, оправдано лишь в том случае, когда доказана эффективность используемого способа обработки, выявлены его достоинства и недостатки, очерчены рак ки, в которых он действует, установлены причины, вызывающие тот или иной эффект. Все это требует проведения широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований, анализа полученных результатов и ввдачи соответствующих рекомендаций.
Цель работы — создание экономичного и экологически чистого способа повышения механических и эксплуатационных свойств металлических материалов.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
— определить влияние импульсной обработки на структуру и свойства конструкционных и инструментальных сталей;
— изучить возможность снижения продолжительности термообработки сталей за счет использования импульсного воздействия;
— исследовать влияние импульсной обработки на напряженно-деформированное состояние стальных изделий.
Значительный интерес к получению и использованию материалов высокой прочности и жесткости сдерживается в немалой степени недостаточностью пластичности и вязкости стали в упрочненном состоянии (после легирования и термической обработки), невозможностью механической обработки в высокопрочном состоянии (после термомеханической обработки) и высокой стоимостью (мартене тно-стареющие стали).
Традиционное описание пластической деформации твердых тел проводится в рамках механики сплошной среды и теории дислокаций. В основе описания лежит схема Тейлора, согласно которой действием пяти систем скольжения можно обеспечить любое пластическое формоизмененж кристалла без нарушения сплошности.
Однако, в реальных условиях схема Тейлора не реализуется: число действующих систем скольжения меньше шести, часто скольжение про исходит по одной — трем системам, сопровождаясь поворотами структурных элементов деформации. Установлено, что эти повороты начинают развиваться с самого начала пластического течения, проявляясь в дальнейшем в виде эффекта фрагментации сильнодеформированного материала / I /.
— в.
Количественное изучение полей векторов смещений на поверхности деформируемого тела позволило проследить за характером сдвигов и связанных с ним повототов во времени и пространстве, распространяющихся как волновой релаксационный процесс / 2 /.
Физика волнового характера пластического течения связана с особенностями вовлечения в деформацию множественного скольжения. Ведущий механизм деформации — первичное скольжение под действием максимальных касательных напряжений, который всегда порождает первичный материальный поворот. Все остальные механизмы деформации являются аккомодационными поворотными модами, обеспечивающими релаксацию поля поворотных моментов, действующих на структурные элементы деформации со стороны окружающего материала. Аккомодационные механизмы деформации осуществляются вторичными потоками дефектов и могут обуславливать как материальный поворот (множественное скольжение), так и кристаллографический поворот (зернограничное скольжение, миграция границ зерен, фрагментация).
В любой точке деформируемого твердого тела в заданный момент времени может протекать только один вид скольжения: первичное или вторичное чередование зон первичных и аккомодационных сдвигов образует волну сдвиговой деформации.
Таким образом, разрушение является генетическим процессом эволюции внутренней структуры при активной деформации. Если на каких-то этапах развития пластической деформации подавляются микромеханизмы аккомодационных поворотов, но сохраняется первичное скольжение и сопровождающий его материальный поворот, то произойдет нарушение сплошности и материал может разрушиться.
При описании поведения структурно-неоднородной среды необходимо ввести в рассмотрение конечные объемы, которым приписаны смещения и повороты и размеры которых определяют пространственный мае.
— 7 штаб выделенного структурного уровня. Структурные элементы рассматриваются как элементарные носители пластической деформации. Поворачиваясь и смещаясь как целое, элементы структуры сами претерпевают деформации, в том числе и аккомодационные, необходимые для сохранения средой сплошности. Следовательно, пластическая деформация развивается в общем случае сразу на разных структурных уровнях, которые либо действуют одновременно, либо подключаются поэтапно. Деформация структурных элементов каддого масштабного уровня обеспечивает ся элементарными носителями более мелких масштабов, причем, трансляция на одном уровне сопровождается поворотом на более высоком и наоборот. Для кавдого материала может быть установлена соответствующая иеархия структурных уровней и характерные размеры структурных элементов (например, дислокации, дисклинации, ячейки, блоки, зерна).
Для адекватного описания деформации среды с внутренней структурой необходимо одновременное рассмотрение трех структурных уровней.
1. Макроскопический уровень, на котором тензоры силовых напряжений и деформаций симметричны, а моментные напряжения и компоненты тензора изгиба-кручения равны нулю. Макроскопическая частица должна содержать достаточно большое число структурных элементов, позволяющих получить осредненные по элементам структуры макропараметры.
2. Мезоскопичеекий уровень — уровень фрагментов структуры. Зто и имеющиеся в материале структурные образования (зерна, блоки и т. д.), и формирующиеся в виде пластического деформирования фрагменты (ячейки, полосовые структуры и т. д.), которые имеют выраженные границы и могут смещаться и поворачиваться относительно соседей, а также выступать в качестве элементарных носителей пластической дефотзмации.
3. Микроскопический уровень, где обеспечивается деформация Фрагментов структуры, в том числе и аккомодационных жри их смещениях и поворотах. Элементарными носителями пластической деформации на этом уровне выступают различные дефекты структуры (дислокации, деклинации и др.).
Новые представления о механизме разрушения как о поворотной моде деформации привели к формулировке концепции создания в высокопрочных материалах едвигонеустойчивых демпфирующих структур / 3 / Такие структуры эффективно релаксируют опасные концентрации момент-ных напряжений, действующих на структурные элементы материала и обуславливающих возникновение трещины и разрушение. Это может быть реализовано либо созданием изотропной сдвиговой неустойчивости все! кристаллической решетки, например, в материалах с термоупругим мар-тенситным превращением, либо такой сдвиговой неустойчивости только по границам раздела структурных элементов. В последнем случае любой пластический сдвиг внутри структурного элемента сопровождается релаксацией моментных напряжений на границах этого элемента, и опасные концентраторы напряжений на высоком уровне не возникают. Любое измельчение структуры предпочтительно, так как снижает уровеь моментных напряжений и размер возможных несплошностей при поворотам структурных элементов. Малый пробег дислокаций в мелком зерне вызывает малые поворотные моды деформаций. Возникающие при этом на границах зерен небольшие концентраторы напряжений эффективно релаксируют даже при малых смещениях в сдвигонеустойчивой структуре границ / 4 /. Создание ультрамелкого зерна специальной термообработко! позволяет дополнительно поднять прочностные характеристики даже в широко используемых конструкционных материалах. Данный эффект особенно резко выражен в случае ультрамелкозернистых и нанокристалли-ческих структур. В материале с нанокристалличеекой структурой протяженность границ структурных элементов столь велика, что система в целом характеризуется сильной структурной неустойчивостью. Такая структура является практически изотропной, обеспечивает однородное распределение внутренних напряжений, в ней не могут возникать опасные концентраторы напряжений из-за неудовлетворительной структуры материала.
Обзор и анализ исследований / 5 — 66 /, посвященных современным способам повышения механических свойств материалов и изделии, как поверхностных, так и объемных, не сопровождающимися значительной деформацией или дополнительным введением легирующих элементов, позволяет сказать, что в настоящее время усилия ученых сосредоточены на разработке и усовершенствовании следующих основных направлений:
— упрочнение материалов лазерным воздействием /10−20 /;
— использование электронных и ионных излучений /21−31 /;
— воздействие на свойства материалов магнитным полем / 32 — 33 /;
— плазменная обработка / 35 — 38 /;
— акустическое, в т. ч. ультразвуковое воздействие / 39 — 44 /;
— гидравлическое воздействие /45−47 /;
— воздействие на материалы газом под давлением /57−59 /;
— прочие методы / 48 -53 /.
Значительное, внимание уделяется также вопросу интенсификации процессов термической обработки / 54 — 56, .64 — 66 / и созданию современных способов охлаждения при закалке / 60 — 63 /.
Ни один из названных способов повышения механических свойств материалов не является универсальным. К недостаткам методик, включающих в себя лазерное воздействие, можно отнести сложность и высокую стоимость оборудования, значительные энергозатраты, сравнительно небольшую толщину упрочняемого слоя. Также велики энергозатраты при использовании Электронных, ионных и электромагнитных излучений. Плазменная обработка дорогостояща и носит в основном поверхностный характер. Относительно сложного и дорогостоящего оборудования требует большинство методов акустического, ультразвукового упрочнения, а также гидравлического воздействия. Современные методы воздействия на материалы газом под давлением сложны и в сво ем большинстве дают лишь поверхностный эффект.
Таким образом, остается актуальной задача совершенствования имеющихся и разработки новых способов повышения свойств материалов Практика бездеформационного упрочнения материалов позволяет утверждать, что наиболее эффективными и перспективными являются импульсные методы обработки материалов /67 /, позволяющие максимально раскачать систему и наиболее полно реализовать ее внутренне резервы.
В настоящее Еремя методами математического и физического мод&euroлирования показано,то только при нелинейном взаимодействии в цепочке атомов импульсное воздействие приведет к эффекту самоорганизации групп атомов и к коллективному смещению их из положения равновесия при воздействии на материал концентрированными потоками энергии. Такие группы можно интеопретировать как долгоживущие лок£ лизованные колебания нелинейной кристаллической решетки. При моделировании цепочки смещенных атомов, не потерявших связь со своими вакансиями, показано, что эфгоекты самоорганизации наступают раньше и выражены в большей степени. Увеличение мощности импульсного воздействия пшводит к созданию в нелинейной решетке значительных эне гетических флуктуаций, являющихся следствием самоорганизации осцил^ торов, и к образованию мовдых циклических локализованных флуктуавд плотности твердых тел. Если во внешнем поле в кристалле возникает сильно возбужденное состояние, то в этих условиях поведение кристг ла становится нелинейным, возникают эффекты массопереноса, скорос1.
— II которого намного превышают скорости перескоковой диффузии, возможен гидродинамический характер пластического течения, появляются метастабильные структуры и фазы.
При комбинированном воздействии на образцы конструкционных материалов пакетами ударных волн и акустическими полями переменной частоты наблюдается возникновение динамического пика пластичности, что в ряде опытов приводило к высокоскоростному деформированию материала.
Наряду со структурными состояниями исходного кристалла в условиях сильного возбуждения в пространстве междуузлий появляются новые разрешенные структурные состояния, вакантные или занятые сильно возбужденными атомами. В сильно возбужденном кристалле чиело разрешенных структурных состояний в системе значительно превышает число атомов. Такие состояния названы атом-вакансионными. Они объясняют нелинейный характер поведения сильно возбужденного кристалла, аномально большие скорости массопереноса в нем (атомы в данных условиях могут двигаться чеоез междуузлия), гидродинамический' характе{ течения. В ходе движения сильно возбужденного кристалла к равновесию в нем могут возникать промежуточные структуры, связанные с возможностью локализации сильновозбужденных атомов в новые структурные состояния. Это можно объяснить тем, что все типы деформационных дефектов в кристаллах являются элементами других структур. Так расщепленные дислокации в гранецентрированных кристаллах есть элементы гексагонально плотно упакованной структуры, ограниченные частичными дислокациями. Если кристалл испытывает структурный фазовый переход, его деформация происходит в режиме сверхпластичности.
Высокая пластичность металлов с плотноупакованными структурами связана с большим числом структурных состояний, легко перестраиваю-щдшся друг в друга в локальных зонах, что проявляется в быстром зарождении и большей подвижности дислокаций как элементов иной структуры в исходной решетке.
— 12.
Автомодельные ппоцессы при воздействии на образцы комбинированными концентрированными потоками энергии приводят к протеканию микропластической деформации, вызывающей колебания температурного пол* материалов, следствием чего является динамическая рекристаллизация.
Природа импульсного воздействия на материалы может быть различной — электромагнитной, акустической, газодинамической. Положительный эг&Фект дают как низкочастотные, так и высокочастотные колебание различной интенсивности.
Предметом данного исследования является выявление потенциальные возможностей термоимпульсной обработки металлических материалов, сс четающей традиционную термообработку с импульсным воздействием на объект упрочнения газовыми или газожидкостными потоками в около ки-логерцовом частотном диапазоне. Имеющиеся данные /68 — 80 / показывают высокую эффективность и практическую значимость использования термоимпульсной обработки в процессе формирования оптимальной структуры и требуемых эксплуатационных свойств материала.
Под воздействием импульсов происходят структурные превращения в металлах и сплавах / 68 / и деформационное упрочнение конструкционных материалов, в частности, сталей / 69 /. Установлено, что после импульсной обработки повышаются механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных и инструментальных сталей /70 — 80 /. Однако, полностью возможности термоимпульсной обрг ботки не выявлены.
Использование газодинамических способов в качестве упрочняющих экологичных технологических процессов для деталей машиностроения остается одной из актуальных и малоизученных проблем материаловедения. Термоимпульсная обработка позволяет создать энергои материал осбеоегающий, экологически чистый технологический пропесс, в том числе за счет использования экономичной и экологически чистой закалочной среды, обеспечивающей существенные уменьшения остаточных термических напряжений и деформаций изделий.
ЗАКЛЮЧ ЕНИЕ.
Полученные данные показывают высокую эффективность и практическую значимость испльзования пульсирующего газового потока при обработке металлов и сплавов.
В результате импульсного воздействия на металлические материалы в определенном частотном диапазоне в них Нормируется структура, отличная по своим физико-механическим свойствам от исходной или полученной при обработке по стандартной технологии.
Установлено, что после термоимпульсной обработки повышаются механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных и инструментальных сталей.
В частности, в результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. В процессе термической обработки легированных сталей импульсная обработка может производится какчв процессе закалочного охлаждения, так и при охлаждении после отпуска. В первом случае закалочной средой для сталей типа 40Х будет водовоздушная смесь с импульсным воздействием, для более легированных сталей, начиная с 40Ш, закалочной средой может служить пульсирующий воздушный поток.
2. Жри использовании импульсной обработки в процессе закалочного охлаждения инструментальной легированной стали типа Х10СФЮТ обеспечивается повышение прочности на 9% и твердости на 2−3 единицы НШ при сохранении пластичности и вязкости.
3 При использовании импульсной обработки в процессе закалочного охлаждения конструкционных легированных сталей типа 40Х обеспечивается повышение прочности до 9% при сохранении пластичности и вязкости, причем продолжительность отпуска уменьшается до 0,5 часа.
4. При обработке на высокопрочное состояние импульсная обработка закаленных в масле легированных сталей 4GX и 4QXC, осуществляемая в процессе охлаждения после отпуска, в том числе комбинированного, обеспечивает в сравнении с те шооб работкой без импульсного воздействия увеличение ударной вязкости в 1,5 раза, рост относительного удлинения и сужения при таких же или несколько более высоких показателях &bdquo-прочности.
5. Импульсная обработка в процессе охлавдения после высокого отпуска также приводит к росту прочности при сохранении пластичности и вязкости или повышению пластичности и ударной вязкости при сохранении прочности, позволяя при этом сократить продолжительность отпуска до 1,5 часа.
6. Термоимпульсная обработка конструкционных сталей обеспечивает существенное снижение температуры перехода в хрупкое состояние, что способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению в области отрицательных температур.
7. Использование пульсирующей водовоздушной ©-меси или пульсирующего воздушного потока в качестве закалочной среды дает возможность снизить уровень остаточных напряжений и деформаций изделий.
8. Воздух и водовоздушная среда являются экологически чистыми и экономичными закалочными средами, которые можно использовать вместо масла и растворов полимерных жидкостей.
9. Импульсная обработка при закаяке инструментальной стали типа 8Х4В2С2МФ обеспечивает повышение ее твердости и теплостойкости.
10. Термоимлульсная обработка готового режущего инструмента из быстрорежущей стали типа BSM5 позволяет увеличить его стойкость приблизительно в два раза.
