Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение механических свойств деталей машин и элементов конструкций методами, основанными на высокоэнергетическом воздействии на материал 12
1.1 Анализ методов поверхностной обработки металлических материалов высококонцентрированными потоками энергии 12
1.1.1. Электронно-лучевая обработка 13
1.1.2. Лазерная обработка 21
1.1.3. Плазменное упрочнение металлических материалов 25
1.2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии 28
1.3. Особенности напряженного состояния в поверхностных слоях металлических материалов, обусловленные нагревом и последующим ускоренным охлаждением 32
1.4. Изменение комплекса механических свойств сталей в результате воздействия на поверхность высококонцентрированных источников энергии 35
1.5. Выводы 41
1.6. Цель и задачи исследования 43
2. Материалы и методы экспериментальных исследований 44
2.1. Материалы исследования 44
2.2. Предварительная термическая обработка 46
2.3. Оборудование и режимы вневакуумной электронно-лучевой обработки металлических материалов 47
2.4. Структурные исследования материалов 50
2.4.1. Оптическая металлография 50
2.4.2. Растровая электронная микроскопия 51
2.4.3. Просвечивающая электронная микроскопия 52
2.4.4. Рентгеноструктурный анализ с использованием синхротронного излучения 53
2.5. Методы определения механических свойств 53
2.5.1. Измерение микротвердости 55
2.5.2. Определение прочностных свойств и показателей пластичности при статическом нагружении 55
2.5.3. Определение циклической трещиностойкости 57
2.5.4. Испытание материалов на ударный изгиб 60
2.5.5. Контактно-усталостные испытания 61
2.5.6. Определение износостойкости металлических сплавов в условиях трения о закрепленные частицы абразива 63
3. Формирование эффективной градиентной структуры в при вневакуумной электронно-лучевой обработке 66
3.1. Образование аустенита при вневакуумной электронно-лучевой обработке 67
3.2. Влияние предварительной термической обработки на формирование поверхностного слоя углеродистых сталей, упрочненных электронным лучом 82
3.3. Моделирование процессов нагрева и охлаждения поверхностных слоев стали У8 в условиях вневакуумной электронно-лучевой обработки 93
3.4. Образование дефектов мартенситной структуры, обусловленное аустенитизацией стали при повышенных температурах 112
3.5. Измельчение мартенситной структуры путем микролегирования высокоуглеродистой стали титаном и ниобием 122
3.6. Отпуск сталей, упрочненных методом вневакуумной электронно-лучевой закалки 129
3.7. Выводы 138
4. Влияние электронно-лучевого упрочнения на показатели конструктивной прочности углеродистых сталей 140
4.1. Циклическая трещиностойкость сталей, упрочненных электронным лучом 141
4.2. Контактно-усталостная выносливость углеродистой стали, упрочненной методом вневакуумной электронно-лучевой обработки 154
4.3. Ударная вязкость сталей эвтектоидного состава, упрочненных методом вневакуумной электронно-лучевой обработки 163
4.4. Износостойкость сталей в условиях трения о закрепленные частицы абразива 172
4.5. Оценка уровня прочностных свойств поверхностно-упрочненных сталей 173
4.6. Выводы 177
5. Повышение конструктивной прочности изделий ответственного назначения методами поверхностного упрочнния 179
5.1. Упрочнение боковых граней железнодорожных рельсов 179
5.2. Повышение стойкости раскатных роликов прокатных станов 184
5.3. Поверхностное упрочнение поршня ударника погружного перфоратра 188
5.4. Использование результатов научно-исследовательской работы в учебном процессе 190
5.5. Выводы 192
Основные результаты и выводы 194
Список литературы 197
Приложение 218
- Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии
- Оборудование и режимы вневакуумной электронно-лучевой обработки металлических материалов
- Моделирование процессов нагрева и охлаждения поверхностных слоев стали У8 в условиях вневакуумной электронно-лучевой обработки
- Контактно-усталостная выносливость углеродистой стали, упрочненной методом вневакуумной электронно-лучевой обработки
Введение к работе
Особенности внешнего нагружения многих деталей машин и элементов конструкции являются причиной того, что конструкторы предъявляют разные требования к уровню механических свойств поверхностных слоев и объема изделий. Условия эксплуатации поверхностных слоев, как правило, являются гораздо более жесткими и интенсивными. Основными факторами, определяющими характер эксплуатации внешних слоев деталей машин, являются высокий уровень контактных нагрузок, повышенный уровень механических напряжений, усталостный механизм нагружения, воздействие абразивных сред различного рода [1-5].
Учитывая отмеченные особенности, в последние десятилетия активно развиваются методы упрочнения материалов, позволяющие кардинально изменять физико-механические и химические свойства поверхностных слоев. Среди многих методов модифицирования структуры поверхностных слоев можно выделить методы высокоэнергетического воздействия на стали, обеспечивающие закалку тонких поверхностных слоев путем высокоскоростного нагрева и последующего быстрого охлаждения. К ним относятся лазерная, плазменная, электронно-лучевая закалка, закалка с использованием токов высокой частоты. Эти методы достаточно хорошо развиты и в настоящее время активно применяются в промышленном производстве, особенно предприятиями, специализирующимися на выпуске дорогостоящего, высокотехнологичного оборудования ответственного назначения.
Одна из наиболее сложных технологических задач, возникающих в промышленном производстве, связана с поверхностным упрочнением крупногабаритных стальных изделий. В качестве примеров можно привести железнодорожные рельсы, валки прокатных станов, детали тяжелых металлорежущих станков, прессов, валы крупных электрических машин. Анализ известных методов поверхностного упрочнения показывает, что одним из наиболее перспективных методов модифицирования поверхностных слоев крупногабарит-
ных изделий является вневакуумная электронно-лучевая закалка. По сравнению с другими методами упрочнения, например лазерной закалкой, этот метод обладает рядом важнейших достоинств, среди которых следует выделить высокую мощность (до 100 кВт), высокие значения производительности и коэффициента полезного действия.
Следует подчеркнуть, что технология вневакуумной электроннолучевой обработки разработана отечественными специалистами. Реализуется она с помощью промышленных ускорителей электронов, разработанных в Институте ядерной физики СО РАН. Важнейшим узлом данного типа ускорителей, обеспечивающим возможность вневакуумной электронно-лучевой обработки, является устройство для вывода электронов в воздушную атмосферу.
Несмотря на ряд работ, доказывающих высокую эффективность вневакуумной электронно-лучевой обработки сталей, следует отметить, что существуют серьезные проблемы, связанные с этой технологией упрочнения. Одна из них обусловлена явно выраженной неоднородностью структуры поверхностного слоя, что в свою очередь негативно отражается на комплексе механических свойств упрочняемых изделий. Прежде всего, речь идет о контактно-усталостной выносливости и усталостной трещиностойкости.
Вторая проблема заключается в росте аустенитного зерна и формировании относительно грубой мартенситной структуры при электронно-лучевом нагреве объемов стали до температур, близких к температуре плавления. Этот недостаток проявляется в охрупчивании материала, резком снижении уровня контактно-усталостной выносливости. Структурные дефекты, связанные с перегревом материала, в значительной степени ответственны за снижение усталостных свойств. Опыт практического использования деталей, закаленных методом вневакуумной электронно-лучевой обработки, свидетельствует о возможности хрупкого выкрашивания локальных участков высокопрочных поверхностных слоев. Такие явления наблюдали, в частности, при эксплуатации прокатных валков и железнодорожных рельсов, упрочненных электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу.
7 Учитывая функциональное назначение поверхностно упрочняемых деталей, локальный, контактный и циклических характер их нагружения, очевидно, что на практике целесообразно применять такие технологические решения, которые способствовали бы устранению дефектов структуры поверхностных слоев, формируемых при реализации методов высокоэнергетического воздействия на материал, в том числе и при вневакуумной электроннолучевой обработке. Решению отмеченных выше задач посвящена данная диссертация. Работа ориентирована на поиск решений, способствующих оптимизации технологических режимов вневакуумной электронно-лучевой обработки, формированию мелкодисперсной однородной структуры поверхностных слоев, которая, в свою очередь, обеспечивает высокий комплекс механических свойств сталей.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований процессов разрушения поверхностных слоев, сформированных по технологии вневакуумной электронно-лучевой закалки углеродистых сталей.
Результаты экспериментальных исследований, отражающие влияние исходной структуры углеродистых сталей на степень однородности мартенсита, образующегося в условиях поверхностной закалки, реализуемой с использованием высоконцентрированных потоков энергии.
Предложения по формированию эффективной градиентной структуры поверхностного слоя путем микролегирования высокоуглеродистой стали титаном и ниобием.
Результаты исследований влияния вневакуумной электронно-лучевой обработки на основные показатели конструктивной прочности высокоуглеродистых сталей.
8 Научная новизна:
1. Выявлены механизмы охрупчивания закаленных слоев, формирующихся при вневакуумной электронно-лучевой закалке углеродистых сталей. В ходе металлографических и электрономикроскопических исследований установлено, что наиболее опасный дефект поверхностных слоев, полученных путем вневакуумной электронно-лучевой закалки, обусловлен перегревом поверхностной зоны до температур, близких к точке солидуса или превышающих ее. Даже кратковременный перегрев стали длительностью менее одной секунды приводит к образованию по границам зерен хрупких пленочных выделений, разрушающихся под действием закалочных напряжений, т.е. еще до начала эксплуатации упрочненного изделия.
2. С позиции повышения уровня конструктивной прочности сталей
обоснована необходимость повышения степени однородности структуры тон
ких закаленных слоев. Формирование при вневакуумной электронно-лучевой
обработке сталей неоднородной градиентной структуры обусловлено разли
чием температуры нагрева по глубине облучаемого объекта и химической не
однородностью составляющих исходной структуры. Различие размеров быв
шего аустенитного зерна и кристаллов образующегося мартенсита по глубине
слоя достигает 6...8 кратной величины. Для получения наиболее однородной
структуры мартенситного слоя целесообразно использовать сталь со структу
рой глобулярного перлита и мартенсита. Наименее однородная структура по
верхностного слоя характерна для образцов, находившихся перед электронно
лучевой обработкой в феррито-перлитном состоянии.
3. С целью получения при вневакуумном электронно-лучевом нагреве
мелкозернистого аустенита предложено легировать сталь У8 микродобавками
титана и ниобия в количестве 0,06...0,1 %. Труднорастворимые мелкодис
персные карбиды ниобия и титана сдерживают рост аустенитного зерна в
процессе нагрева сталей. Размер зерна аустенита в стали У8, легированной
0,1 % Nb, уменьшается по сравнению с нелегированной сталью в 2...2,5 раза.
Установлено, что микродобавки ниобия и титана, обеспечивая измельчение
9 зерен аустенита и образующихся из них кристаллов мартенсита, способствуют увеличению контактно-усталостной долговечности сталей в ~ 1,5...2 раза.
Научная и практическая ценность работы:
Выявленные в работе закономерности формирования поверхностных слоев углеродистых сталей, упрочненных методом вневакуумной электроннолучевой обработки, позволяют выбрать наиболее эффективные режимы электронно-лучевого упрочнения, обеспечивающие повышение комплекса механических свойств углеродистых сталей.
На основании проведенных исследований сделаны технические предложения прикладного характера, направленные на повышение комплекса механических свойств упрочняемых сталей. В ходе проведенных исследований установлено, что повышению ударной вязкости, циклической трещиностойко-сти и контактно-усталостной долговечности поверхностно упрочненных высокоуглеродистых сталей способствует ограничение максимальной температуры нагрева материала при закалке до значений на 100... 150 С ниже точки солидуса, а также отпуск закаленного слоя при 350...450 С путем дополнительного прохода электронным лучом.
Выявленные особенности образования структуры в поверхностных слоях углеродистых сталей под действием электронного пучка расширяют представление о формировании структуры упрочненной зоны в зависимости от исходной структуры металла. Результаты работы могут быть полезны при оптимизации технологических режимов упрочнения сталей другими методами высокоэнергетического воздействия на материалы.
Результаты проведенных исследований были использованы при оптимизации структуры материалов, выполненной с целью повышения показателей конструктивной прочности изделий промышленного назначения: усталостной трещиностойкости, контактно-усталостной выносливости, износостойкости. Предложения и рекомендации по комбинированному упрочнению раскатных роликов, используемых при производстве высокопрочных бесшов-
10 ных труб, переданы в ОАО НПО «Сибсельмаш». Стойкость инструмента, обработанного по предлагаемой технологии, в 3 раза больше по сравнению с используемыми в промышленном производстве роликами. Акционерным обществом «МКК-Саянмрамор» испытаны поверхностно упрочненные детали перфоратора РР-630. Долговечность поршня ударника перфоратора, изготовленного по предложенной технологии, в 2,5 раз больше по сравнению с деталями производства ОАО «МКК-Саянмрамор».
5. Результаты выполненной работы используются в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и инженеров по специальности «Материаловедение в машиностроении». Созданная триботехническая установка применяется в учебных курсах «Основы трибологии» и «Механические и физические свойства материалов».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2003, 2004, 2005 2006 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (г. Новосибирск, 2004, 2005 г.); 6 российско-корейском международном симпозиуме «KORUS'2002» (г. Новосибирск, 2002 г.); на VI и VII Уральских школах -семинарах металловедов - молодых ученых (г. Екатеринбург, 2004, 2006 г.); на 17-й и 18-й Уральских школах металловедов - термистов (г. Киров, 2004 г. и г. Тольятти 2006 г.); на 2-й международной школе «Физическое материаловедение» (г. Тольятти, 2006 г.); на всероссийской научной школе - семинаре «Новые материалы. Создание, структура и свойства - 2006» (г. Томск, 2006 г.); на международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2006 г.); на научных семинарах кафедры «Материаловедение в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета.
и Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, из них 4 научные статьи - в реферируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 - в материалах международных и всероссийских конференций.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 217 страницах, состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 214 наименований. Работа содержит 79 рисунков и 3 таблицы, приложения.
Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии
Все анализируемые в данном разделе методы поверхностного упрочнения сталей предназначены для формирования закаленных слоев, обеспечивающих повышенный уровень конструктивной прочности деталей, находящихся в тяжелых условиях внешнего нагружения. Несмотря на принципиальные различия используемого для поверхностной обработки оборудования, механизм формирования упрочняемого слоя в общем случае одинаков. Он заключается в быстром нагреве локального объема детали до аустенитного состояния и последующем отводе тепла в соседние объемы, не успевшие нагреться в тот период, когда источник нагрева был включен. В связи с тем, что масса нагретого слоя значительно меньше, чем масса обрабатываемой детали скорость охлаждения поверхностного слоя выше критической. Следовательно, на стадии охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение.
Высокий комплекс механических свойств поверхностного слоя, в первую очередь твердости и показателей прочности, обеспечивается высокими значениями скоростей нагрева и охлаждения стали. Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора. В то же время следует отметить, что изменение состояния поверхности материала при высокоэнергетическом воздействии с целью придания ему требуемых физико-механических свойств связано с реализацией сложных многофакторных процессов. При облучении материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения [148].
Формирование высокотемпературной фазы в результате нагрева высококонцентрированными потоками энергии, в отличие от медленного нагрева, когда превращение перлит - аустенит происходит в близких к изотермическим условиях, из-за избытка подводимой энергии идет в условиях непрерывно повышающейся от АСінач до АСікон температуры (рис. 1.6) [8, 149]. Следует отметить, что аустенит, полученный при высокоскоростном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов. Большое число дефектов обусловлено наследованием их из а - фазы, а также дополнительным образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа в условиях превращения при высокой скорости нагрева. Степень завершенности процесса аустенитизации определяется скоростью и температурой нагрева, временем теплового воздействия [8, 12, 149-151].
Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. В общем случае можно отметить, что при реализации лазерной, электронно-лучевой и плазменной обработки углеродистых сталей формируется сложная градиентная структура [43, 55, 56]. Наиболее характерными элементами этой структуры являются поверхностный (белый) слой, закаленный слой с мартенситной структурой и переходная зона. Свойства упрочненного слоя в значительной степени зависят от соотношения размеров отмеченных зон, параметров присутствующих в них структурных элементов, степени развитости границы переходной зоны, степени завершенности диффузионных процессов.
Образование белого (слаботравящегося) слоя типично для жестких режимов лазерной закалки сталей. Его основная особенность заключается в по ниженнои травимости и высокой твердости, многократно превышающей твердость стали в исходном состоянии. По мнению многих специалистов в белом слое кроме высокопрочных кристаллов мартенсита содержится повышенное количество остаточного аустенита. Дисперсность мартенсита в анализируемом слое существенно выше, чем после обычной закалки [153]. Кроме явно выраженной коррозионной стойкости белый слой характеризуется повышенным уровнем твердости, что свидетельствует о высокой степени неравновесности присутствующих в нем фаз.
Присутствие белого слоя не является обязательным условием реализации анализируемых методов поверхностной закалки, основанных на использовании источников высококонцентрированной энергии. Во многих случаях белый слой не образуется и его присутствие не является обязательным. Основным структурным элементом, обеспечивающим высокий комплекс свойств упрочняемого изделия, является сплошной слой мартенситных кристаллов. Следует отметить, что по мере удаления от поверхности упрочняемого изделия в глубь размеры кристаллов мартенсита плавно изменяются. Обусловлено это тем, что температура материала в разных зонах быстро нагретого слоя существенно отличается (не смотря на то, что структура в этих зонах перед охлаждением была одинаковой - аустенит).
Тем не менее, мартенсит основного слоя характеризуется высокой дисперсностью составляющих его элементов. Это обусловлено тем, что максимальная длина кристалла мартенсита соответствует размеру аустенитного зерна. Зерно аустенита из-за кратковременности выдержки не успевает вырасти и поэтому мартенсит, образующийся в его пределах, является мелкодисперсным.
Третий слой соответствует зоне неполной закалки. Его структура представляет собой смесь участков мартенсита и феррита. Мартенсит образуется на месте бывших колоний перлита. Феррит сохраняется не растворившимся в связи с тем, что температура нагрева данного слоя соответствовала области межкритических температур (Асі - АСз) [155-158].
Металлографические исследования, проведенные авторами работы [152], показали, что микроструктура переходной зоны зависит от исходного состояния упрочняемого материала. В зависимости от режимов обработки, марки стали, ее предварительной термической обработки переходная зона может иметь различные размеры и строение. В доэвтектоидных сталях с исходной феррито-перлитной структурой и заэвтектоидных сталях с перлито-цементитной структурой после поверхностной закалки наблюдаются участки избыточных фаз (феррита и цементита). Размеры конгломератов этих фаз в направлении от закаленной зоны к зоне с исходной структурой возрастают.
Таким образом, с целью обеспечения высокого уровня конструктивной прочности упрочняемого изделия необходимо тщательно контролировать структуру не только закаленной, но и переходной зоны. Изменяя режимы электронно-лучевой, лазерной и плазменной обработки, можно достаточно надежно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, формируя при этом благоприятный уровень механических свойств материала [78, 149,150, 155-162].
Оборудование и режимы вневакуумной электронно-лучевой обработки металлических материалов
Вневакуумная электронно-лучевая обработка материалов выполнялась на уникальной установке - промышленном ускорителе электронов типа ЭЛВ-6, разработанном в Институте ядерной физики Сибирского Отделения РАН (г. Новосибирск). Общий вид и схема устройства ускорителя ЭЛВ-6 показаны на рис. 2.1.
Ускоритель электронов ЭЛВ-6 представляет собой выпрямитель напряжения (в диапазоне 8 00 - 15 00 кВ). Нагрузкой выпрямителя является электронный пучок током 0-70 тА. Выпрямитель помещен в герметичный бак, заполненный электроупрочняющим газом SF6. Диаметр бака составляет 1,35 м, высота - 3,87 м. Через блок управления электроны поступают в ускорительную трубку, в которой их скорость достигает значений, близких к скорости света. Посредствам электромагнитных линз луч фокусируется и через выпускное отверстие выводится в атмосферу. С помощью магнитной катушки электроны направляются на обрабатываемую деталь [28].
Причины выбора метода вневакуумной электронно-лучевой обработки для поверхностного упрочнения исследуемых сталей обусловлены его достоинствами, а именно высоким коэффициентом полезного действия (существенно выше, чем у лазеров), возможностью быстрой и надежной развертки пучка магнитным полем, высокой мощностью ускорителей (на порядок вы 1 - высоковольтный электрод, 2 - блок управления инжектором, 3 - сосуд, 4 - первичная обмотка, 5 - высоковольтный ускоритель, 6 - ускорительная трубка, 7 - электромагниты развертки, 8 - вакуумная система, 9 - электронный луч, 10-магнитная катушка, 11 - выпускное устройств, 12-угол сканирования луча. ше, чем у лазеров промышленного назначения), возможностью обработки не-зачерненных деталей, большой глубиной термического упрочнения [28].
По сравнению с вакуумной электронно-лучевой обработкой метод, основанный на применении промышленных ускорителей электронов, обладает важнейшим достоинством - возможностью обработки крупногабаритных деталей. При использовании технологии вневакуумной обработки габариты детали ограничиваются не размерами вакуумной камеры, а размерами помещения, в котором установлен ускоритель. Кроме того, отсутствие вакуумной камеры позволяет резко повысить производительность процесса поверхностного упрочнения в связи с устранением операции откачки воздуха из вакуумной камеры.
При реализации метода вневакуумной электронно-лучевой закалки нагрев поверхности до температуры аустенитизации осуществляется за счет бомбардировки стали электронами, а быстрое охлаждение, необходимое для закалки нагретого слоя, происходит при отводе тепла в нижележащий, не нагретый объем материала.
Режимы вневакуумной электронно-лучевой обработки исследованных сталей отражены в таблице 2.2.
Предварительный выбор режимов электронно-лучевой обработки осуществлялся на основании результатов математического моделирования процессов нагрева и охлаждения поверхностных слоев стали. Эти исследования позволили оценить уровень достигаемых при нагреве электронным лучом температур и проанализировать быстро протекающие при поверхностном упрочнении процессы.
При выполнении диссертационной работы проведению структурных исследований уделялось особое внимание. Задачи, поставленные в работе, предполагали глубокий анализ структуры исследуемых сталей в широком диапазоне увеличений. Важным являлось изучение особенностей внутреннего строения сталей после различных видов термической обработки, а также исследование закономерностей разрушения упрочненных материалов. В этой связи наиболее информативными методами структурных исследований оказались оптическая металлография, а также просвечивающая и растровая электронная микроскопия.
Для проведения металлографических исследований использовали световой микроскоп типа NU2E. Исследования проводились в диапазоне увеличений от х40 до хЮОО с использованием метода светлопольного изображения.
В качестве объектов исследования применяли металлографические шлифы, приготовленные по стандартным методикам, включающим операции шлифования на абразивных шкурках, полирование с использованием алмазных паст (зернистостью 60/40, 28/20, 7/5) и окиси хрома с размером абразивных частиц 0,1... 1 мкм.
Для выявления в исследуемых сталях микроструктуры использовали метод химического травления поверхности с помощью трехпроцентного раствора азотной кислоты в этиловом спирте, а также насыщенного раствора пикриновой кислоты в этиловом спирте с добавлением поверхностно активных веществ [176 - 179]. Травление шлифов осуществляли тампоном и окунанием в емкость с соответствующим раствором.
Моделирование процессов нагрева и охлаждения поверхностных слоев стали У8 в условиях вневакуумной электронно-лучевой обработки
Важнейшим технологическим параметром при реализации вневакуумной электронно-лучевой обработки является температура поверхностного слоя, облучаемого потоком энергии. Особенности нагрева материала потоком электронов, осложняющие процедуру контроля температуры заключаются в следующем: 1. Нагреваемый высококонцентрированным потоком энергии слой имеет относительно малую толщину (как правило, меньше 1 мм); 2. Распределение температуры по сечению слоя имеет сложную зависимость (температура по сечению слоя не является постоянной величиной); 3. Процессы нагрева и охлаждения проходят очень быстро (длительность их, как правило, меньше секунды). Учитывая отмеченные выше особенности, следует отметить, что надежно контролировать температуру нагрева упрочняемого слоя, используя инструментальные средства (термопары, пирометры), практически невозможно. Наиболее эффективным методом решения данной задачи является математическое моделирование процессов нагрева и охлаждения. В сочетании с металлографическими исследованиями метод математического моделирования может позволить достаточно обоснованно судить об уровне максимально достигаемых облучаемым слоем температур. В данной работе анализ температур был выполнен при использовании модели и программы, разработанной доцентом кафедры ПТМ НГТУ В.В. Иванцивским и модифицированной сотрудниками кафедры материаловедения. Основные особенности решения тепловой задачи приведены ниже. Важнейшей характеристикой электронного луча является плотность потока энергии по его сечению.
Эта величина описывается законом Гаусса [28,34]: где х, у - декартовы координаты на поверхности, облучаемой потоком электронов; dn - гауссов диаметр пучка; /-ток пучка электронов; Е - энергия электронов, определяемая ускоряющим напряжением; Для расчета значения диаметра электронного пучка может быть использована эмпирическая зависимость: где h - расстояние от выпускного отверстия до облучаемой поверхности, (см); диаметр пучка dn измеряется в см, энергия электронов Е - в МэВ. В процессе электронно-лучевой обработки контролируются следующие технологические параметры: - ускоряющее напряжение U; - сила тока луча /; - расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности обрабатываемой детали /. Мощность теплового источника определяется зависимостью: Полагают [9, 21, 36-39], что для высоких ускоряющих напряжений (выше 20 кВ) источник тепла является объёмным. Форма источника на упрочняемой поверхности представляет собой круг диаметром d. Для определения характера распределения удельной мощности нагрева q по сечению пучка использована зависимость Гаусса (рис. 3.16) где q0 - максимальное значение удельной мощности; г - текущее значение радиуса луча; ге - радиус луча на уровне q /e. В зависимости от ускоряющего напряжения и плотности вещества максимум энерговыделения приходится не на поверхность облучаемого объекта, а находится на некотором расстоянии от нее. Распределение удельной мощности по глубине материала q(Z) описывается дозной кривой (рис. 3.17), которая соответствует проекции пространственного распределения энергетических потерь электрона на ось Z Характер пространственного распределения мощности нагрева в широких пределах слабо связан с уровнем энергии электронного пучка. Экстраполированный пробег электронов 5, найденный продолжением прямолинейной части дозной кривой, и эффективный пробег Ъе, определяются соотношениями [28]: где U- ускоряющее напряжение; р - плотность материала, кг/м . В прямоугольной системе координат х, у, z уравнение теплопроводности для полубесконечного тела, записанное для неподвижного источника теплоты, имеет вид
Контактно-усталостная выносливость углеродистой стали, упрочненной методом вневакуумной электронно-лучевой обработки
Разрушение поверхностных слоев металлических материалов в результате накопления повреждений усталостного происхождения и развития этих дефектов под действием переменных контактных напряжений с образованием ямок выкрашивания (питтингов) или трещин является характерной причиной выхода из строя многих деталей машин, работающих в условиях циклически повторяющихся контактных нагрузок. Характерной особенностью контактного взаимодействия деталей является ограниченность величины площадок соприкосновения, передающих усилие между сопрягаемыми объектами. Возникающие в локальных зонах контактные напряжения отличаются от средних напряжений превышением предела текучести, определяемого в условиях одноосного растяжения. Кроме того, контактные напряжения по мере удаления от площадок контакта очень быстро убывают, уменьшаясь в десятки раз на расстоянии, равном нескольким диаметрам пятна контакта [210-211].
Исследование влияния контактно-усталостного нагружения на долговечность углеродистых сталей, упрочненных методом вневакуумной электронно-лучевой обработки, проводилось на специальной установке, реализующей схему нагружения «пульсирующий контакт». Такая схема нагружения позволяет смоделировать процесс локального воздействия контртела на образцы плоской формы. Исследованию подвергались образцы из углеродистой и микролегированных сталей, упрочненные методом поверхностной электронно-лучевой закалки. Обработка сталей осуществлялась по следующим режимам:
1 - ток пучка 1 = 16 мА, расстояние от выпускного отверстия до обрабатываемой поверхности Н = 130 мм, скорость перемещения луча относительно детали V = 70 мм/с.
Первый режим обработки обеспечивал перегрев поверхностного слоя стали, второй соответствовал оптимальным условиям обработки (без перегрева материала).
В качестве легирующих элементов использовали добавки титана и ниобия в количестве 0,06 и 0,1 %.
Момент выхода объекта из строя при данной схеме нагружения соответствовал образованию питтингов по контуру пятна контакта. В качестве критерия контактно-усталостной прочности использовали количество циклов нагружения до начала интенсивного питтингообразования. Для определения момента разрушения на инструментальном микроскопе измеряли диаметр пятна контакта. По результатам измерений строили график зависимости диаметра пятна контакта dn от числа циклов нагружения Nu. Нагрузка в зоне взаимодействия контртела с поверхностью детали составляла 600 Н.
В процессе циклического воздействия контртела на поверхность образца в поверхностных слоях имеет место пластическая деформация и материал постепенно упрочняется. При каждом цикле нагружения происходит постепенное возрастание пятна контакта. Следовательно, первый участок кривой характеризуется интенсивным ростом пятна контакта в процессе пластической деформации. Стабилизация его происходит в результате деформационного упрочнения материала. Этот процесс в определенной степени зависит от дисперсности структуры мартенсита (рис. 4.10). Уменьшение размеров кристаллов мартенсита, формируемого при электронно-лучевой обработке, приводит к образованию пятна контакта, размер которого на 10 % меньше, чем при наличии грубой мартенситной структуры (рис. 4.11).
Вторая стадия контактно-усталостных испытаний, в течение которой размер пятна контакта существенно не изменяется, является наиболее длительной. На этой стадии происходит постепенное накопление дефектов кристаллического строения материала, в частности возрастает плотность дислокаций, происходит перестройка дислокационной структуры. По мере исчерпания ресурса пластичности материала образуются микротрещины. Результатом их укрупнения и объединения в локализованных зонах является образование питтингов. Как показывают исследования, при реализации схемы нагруже-ния «пульсирующий контакт» усталостные трещины, а, следовательно, и пит-тинги появляются на границе пятна контакта (рис. 4.12).
В предыдущих разделах было показано, что электронно-лучевая закалка стали У8, основанная на перегреве аустенита, является причиной ослабления границ зерен у-фазы, что приводит в итоге к развитию механизма интеркри-сталлитного разрушения. Таким образом, даже кратковременный перегрев, не приводящий к огрублению аустенитной структуры, способствует охрупчива-нию стали в условиях усталостного нагружения. Одна из задач, поставленных при проведении контактно-усталостных испытаний, заключалась в изучении влияния электронно-лучевого перегерева на процесс питтингообразования. Результаты проведенного исследования отражены на рис. 4.13. Кривая 2 соответствует нормальному режиму нагрева материала (1=12 мА, Н = 130 мм, V = 70 мм/с), обеспечившему формирование градиентной структуры с различной дисперсностью кристаллов мартенсита. Зависимость 1 была получена при контактно-усталостных испытаниях перегретой стали (1 = 16 мА, Н = 130 мм, V = 70 мм/с).
