Структурные превращения и физико-механические свойства инструментальных и пружинных сталей при магнитно-импульсном воздействии
На правах рукописи
ВОРОБЬЕВ РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2011
Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Скуднов Вениамин Аркадьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гаврилов Геннадий Николаевич кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Царева Ирина Николаевна
Ведущая организация: ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» г. Нижний Новгород
Защита состоится «23»декабря 2011 г. В 1300 в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им.
Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина 24.
Тел. 8 (831) 436-23-40, 436-23-49, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева»
Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.165. доктор технических наук, профессор В.А. Ульянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Магнитно-импульсная обработка (МИО) представляет собой комплексное воздействие на материал за счет магнитострикционных процессов и механических деформаций, тепловых и электромагнитных вихревых потоков, локализованных в местах концентраций магнитного потока, а также систему процессов, направленно ориентирующих "спин характеристики" внешних электронов атомов металлов пограничной зоны контакта зерен. В работах Постникова С.Н., Малыгина В.Б., Македонски А.И., Бойко В.М. установлено, что МИО существенно влияет на состояние сталей разного класса. Вводимая при импульсной магнитной обработке энергия, как и тепловая, стимулирует сдвиговые и диффузионные релаксационные процессы, способствует переходу системы (сплава) из неравновесного в более стабильное состояние. Суммарные эффекты могут быть различными в зависимости от исходной структуры стали и сплава, от режимов магнитно-импульсного воздействия;
в каждом конкретном случае имеется принципиальная возможность с помощью МИО управлять характеристиками сталей и сплавов в нужном направлении, получать новые состояния и свойства.
Однако, сведения по теории и практике МИО весьма ограничены, нередко противоречивы, не установлены закономерности изменения структуры и свойств сталей и сплавов в зависимости от параметров обработки, что затрудняет практическое внедрение МИО.
Работа выполнялась на основе программы «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограммы «Развитие инфраструктуры научно технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала» и единого заказ-наряда Министерства образования и науки РФ «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов» № 602.
Цель работы. Изучение возможностей направленного влияния МИО на характер структурных превращений сталей Р6М5, Р6М5К5, Р18, 9ХС, У10А, 65Г, 10 и формирование их физико – механических свойств.
Программа работы включала решение следующих задач:
1. Изучение влияния магнитно - импульсного воздействия на сопротивление пластической деформации (СПД) быстрорежущих сталей, получение уравнения связи между характеристиками СПД и параметрами магнитно – импульсного воздействия с помощью регрессионного анализа.
2. Изучение влияния МИО на сопротивление зарождению трещин от отпечатков (при внедрении индентора) в инструментальной стали.
3. Выявления наиболее значимых параметров МИО для управления механическими характеристиками стали.
4. Изучение процессов распада мартенсита закаленных высокоуглеродистых сталей при МИО и низкотемпературном отпуске.
5. Расчет акустических характеристик термоупрочненной инструментальной стали и установление их взаимосвязи с анизотропией и упругими параметрами стали после магнитно-импульсной обработки.
6. Построение математической модели изменения физико-механических свойств холоднодеформированной стали для листовой штамповки при обработке импульсным магнитным полем.
7. Разработка мероприятий по выбору режимов магнитно – импульсного воздействия на быстрорежущие стали для направленного изменения характеристик, определяющих структурно-энергетическое состояние материала и стойкость инструмента.
Научная новизна состоит:
1. В получении данных о влиянии обработки импульсным магнитным полем на характеристики сопротивления пластической деформации и структурную неоднородность быстрорежущих сталей.
2. В сравнительном анализе влияния режимов отпуска и магнитно – импульсной обработки на процесс распада мартенсита в закаленной стали 65Г.
3. В сравнении суммарных эффектов изменения сопротивления пластической деформации, полученных при МИО закаленных сталей 65Г и У10А, с процессами, происходящими при низком отпуске.
4. В установлении влияния МИО на уменьшение степени повреждаемости холоднодеформированной стали 10 по изменению плотности, величины микронапряжений и размеров блоков мозаики.
5. В получении данных по сопротивлению микропластической деформации и разрушению для стали У10А после закалки и последующей магнитно-импульсной обработки.
6. В определении значимости влияния параметров обработки импульсным магнитным полем на физико-механические свойства термоупрочненных сталей методом регрессионного анализа.
7. В разработке режимов МИО для упрочнения сталей и сплавов, и повышения стойкости инструмента (метчиков).
Практическая значимость данной работы заключается:
- в построении зависимостей физико – механических свойств термоупрочненных сталей от параметров магнитно – импульсного воздействия;
- в получении коэффициентов регрессионной модели, определяющих значимость параметров магнитно-импульсного воздействия;
- в использовании полученных зависимостей и регрессионных уравнений для определения режимов МИО с целью управления комплексом эксплуатационных характеристик изделий из сталей разного класса: для режущего и штампового инструмента, пружин и рессор, крепежа, изделий, получаемых с применением холодной пластической деформации;
- в апробировании разработанных режимов МИО на ОАО «ГАЗ» в условиях инструментального производства, получении положительного эффекта, выразившегося в повышении стойкости метчиков на 30%.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности влияния магнитно - импульсного воздействия на сопротивление пластической деформации (СПД) и трещиностойкость инструментальных сталей.
2. Уравнение связи между характеристиками СПД и параметрами магнитно – импульсного воздействия.
3. Установление возможности одновременного повышения сопротивления пластической деформации и разрушению при действии инициированных МИО механизмов, приводящих к релаксации и выравниванию внутренних напряжений, выделению высокодисперсной второй фазы.
4. Режимы магнитно – импульсного воздействия для направленного изменения структурно - энергетического состояния сталей.
Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления исследований, постановке задач исследований, анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, проведении металлографических, физико механических исследований.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и их статистической обработкой.
Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 16 мая 2007 г.;
VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 15 мая 2008 г.;
14 Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 15 – 19 февраля 2009 г.;
VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 15 мая г.;
Всероссийской молодежной научно – технической конференции «Авто - НН - 2009» 19 – 20 ноября 2009 г.;
15 Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 15 – 19 февраля 2010 г.;
IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 21 мая г.;
16 Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 14 – февраля 2011 г.
Публикации по теме диссертационной работы изложены в 16 работах, в том числе 3 из списка рекомендуемых изданий ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержит текст на 158 страницах, 38 таблиц, 63 рисунка (включая фотографии микро- и макроструктур), список литературы из 89 наименований, приложения в виде таблиц, расчетов и двух актов внедрения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе приводятся литературные данные о применении магнитно импульсной обработки при производстве металлоизделий. Представлены физические и термодинамические аспекты влияния магнитно – импульсного воздействия на структуру и свойства термоупрочненных сталей разных классов. Рассмотрен механизм самоорганизации структуры быстрорежущей стали в процессе магнитной упрочняющей обработки. Выявлены преимущества и недостатки обработки импульсным магнитным полем.
Показано, что сведения по теории и практике МИО весьма отрывочны, нередко противоречивы. Практическому внедрению МИО препятствует плохая воспроизводимость результатов, которую трудно объяснить без четкого понимания сути происходящих в металле процессов. На основании выявленных недостатков сформулированы цель, задачи и программа работы.
Во второй главе обоснован выбор материалов, размеров образцов и режимов термической обработки. Приведены методики экспериментальных исследований: оптическая микроскопия (микроанализ) на микроскопах типа МБС-10 и МИМ-7 с применением цифрового фотографирования;
механические испытания на изгиб (УМЭ-10Т);
измерение твердости по Роквеллу (ТК-2), Виккерсу (ИТ 5010), микротвердости (ПМТ-3);
испытания на релаксацию напряжений (релаксометр - машина высокой жесткости);
рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2) для определения периодов решетки мартенсита и содержания в нем углерода, расчета величины микронапряжений и размеров блоков мозаики;
гидростатическое взвешивание (аналитические весы серии HT\HTR CE) для определения плотности;
ультразвуковые испытания эхо – методом;
аналитические методы: статистическая обработка экспериментальных данных (оценка точности измерений, регрессионный анализ) с использованием Exel 2007, Matlab 7, MathCad 14. Определены режимы МИО: частота прохождения импульса 0.5 – 10 Гц, время обработки 1 – 4 мин., напряженность магнитного поля 20 – 42 МА/м.
В третьей главе представлены результаты исследований влияния МИО на физико-механические свойства исследуемых сталей.
Стали Р6М5, Р6М5К5, Р18. Результаты влияния импульсного магнитного поля на микротвердость быстрорежущей стали Р6М5, находящейся в термоупрочненном состоянии, представлены в таблице 1. После МИО микротвердость увеличилась на 25 – 35%.
Таблица 1 - Микротвердость образцов после ТО и МИО (частота МИО: 1 - 0.5 Гц, 2 – Гц, 3 - 5 Гц, 4 – 10 Гц, время обработки 4 мин., напряженность магнитного поля 42 МА/м) Среднее значение микротвердости Максимальный разброс средних значений в № в образце до/после МИО, МПа пределах одного образца до/после МИО, МПа 1 6210/7758 172/ 2 5944/7985 106/ 3 6200/8525 234/ 4 6727/9285 172/ Уменьшение разброса микротвердости при режимах: 1, 3, свидетельствует о повышении структурной однородности.
Получено увеличение прочности при испытании на изгиб образцов из стали Р18 после МИО (таблица 2).
Таблица 2 – Результаты сравнительных испытаний на изгиб образцов из стали Р Без МИО МИО 5 Гц., 4 мин., Н = 42 МА/м МИО 10 Гц., 4 мин., Н = 42 МА/м В, МПа В, МПа В, МПа 1611.3 2873.1 3757. 2339.1 2139.1 3020. 2114.9 2873.1 2617. Характер изменения микроструктуры после МИО показан в таблице 3.
Таблица 3 – Микроструктура стали Р18 после термообработки и МИО Без МИО МИО Микроструктура МИО 5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 10 Гц, 4 мин., 42 МА/м Балл мартенсита 3-4 3-4 3- Балл зерна аустенита 10 10(11) 10(11) Карбидная неоднородность 2-3 1 Остаточный аустенит, % 1.8 1.2 1. Стали 65Г и У10А. Изменение микротвердости образцов из сталей 65Г и У10А, прошедших термическую и магнитно – импульсную обработку, представлено в таблице 4 и заключается в следующем:
1. Микротвердость при отпуске в интервале 100 – 200 °С снижается: у стали 65Г от 8373.8 МПа у закаленного образца, до 7302.7 МПа, 6665.7 МПа, 6152.2 МПа, у стали У10А - от 8961.3 МПа у закаленного образца, до 8236. МПа, 6286.2 МПа, 6065.3 МПа при отпусках на 100, 150 и 200 °С, соответственно;
2. МИО при малых частотах вызывает разупрочнение металла (таблица 4), аналогично низкому отпуску: микротвердость стали 65Г снижается до 7302. МПа, стали У10А до 7970.3 МПа. При повышении частоты (выше 1 Гц) наблюдается увеличение микротвердости до 9117.8 МПа у стали 65Г и 7535. МПа у стали У10А.
Результаты рентгеноструктурного анализа по влиянию МИО и низкотемпературного отпуска на состояние мартенсита (содержание углерода, тетрагональность) в стали 65Г представлены в таблице 5 и на рисунке 1.
Таблица 4 – Режимы обработки и микротвердость сталей 65Г и У10А Микротвердость, МПа № режима Режим обработки Сталь 65Г Сталь У10А 1 Закалка 8373.8 8961. 2 Закалка + отпуск 100 °С 7302.7 8236. 3 Закалка + отпуск 150 °С 6665.7 6286. 4 Закалка + отпуск 200 °С 6152.2 6065. 5 Закалка + МИО 0.5 Гц 4 минуты 7302.7 7970. 6 Закалка + МИО 1 Гц 4 минуты 7717.3 6519. 7 Закалка + МИО 5 Гц 4 минуты 8101.5 7476. 8 Закалка + МИО 10 Гц 4 минуты 9117.8 7535. Таблица 5 – Содержание углерода в мартенсите стали 65Г после низкого отпуска Режим обработки Содержание углерода, %С Тетрагональность мартенсита, c/ Закалка 0.600 1. отпуск 100 °C 0.590 1. отпуск 150 °С 0.480 1. отпуск 200 °С 0.240 1. Эффект МИО определялся сразу после обработки, спустя 4, 8 и более часов. Сразу после МИО содержание углерода снижается от 0.6% до 0.5% (при частоте 0.5 Гц), до 0.41% (при частоте 10 Гц);
тетрагональность при частоте Гц от 1.028 до 1.0189. После 12 часов выдержки при частоте 10 Гц содержание углерода снизилось до 0.34%, а тетрагональность мартенсита до 1.0156, что соответствует эффекту нагрева на 170 – 180 °С.
а) б) Рисунок 1 Зависимость содержания углерода в мартенсите: а) - от температуры низкого отпуска, б) - от режимов МИО: 1 – через 4 ч. после МИО;
2 – через 8 ч.;
3 – через 12 ч.
Исследовалось влияние МИО на релаксационные характеристики термоупрочненных образцов из стали 65Г. Одна партия образцов после закалки подвергалась отпуску при 150 и 200 °С, а другая после закалки - магнитно импульсному воздействию.
Таблица 6 – Результаты релаксационных испытаний 02, МПа № Режим обработки 1 Закалка 2 Закалка + отпуск 150 °С 3 Закалка + отпуск 200 °С 4 Закалка + МИО 5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 5 Закалка + МИО10 Гц, 4 мин., 42 МА/м Значения сопротивления микропластической деформации (СМД) максимальны после закалки, а также закалки с отпуском при 150 °С (таблица 6).
Величина 2, которая примерно соответствует пределу пропорциональности, 0 максимальна у закаленного образца ( 2 = 1180 МПа), при отпуске 150 °С снижалось до 988 МПа. Повышение температуры отпуска до 200 °С заметно уменьшает СМД, увеличивает релаксационную способность материала, значение 2 уменьшается до 810 МПа. Влияние МИО зависит от ее параметров: при режиме № 4, релаксационная способность стали 65Г повышается, по сравнению с закаленным состоянием, а величина 2 снижается до 940 МПа, при режиме № 5 2 снижается до 985 МПа.
Изменение нагрузки образования трещины в стали У10А (от отпечатка на твердомере Виккерса) и твердости в зависимости от режимов отпуска и МИО представлены в таблицах 7, 8, 9. Измерение производилось сразу после МИО, спустя 4, 8, 12 и более часов после магнитного воздействия.
Таблица 7 – Твердость по Виккерсу стали У10А после термической обработки Режим обработки Твердость, НV Закалка, 850 °С вода 882. Закалка 850 °С вода + отпуск 150 °С 880. Закалка 850 °С вода + отпуск 200 °С 805. Таблица 8 – Величина нагрузки образования трещин в стали У10А после ТО и МИО Режим обработки Нагрузка, Н Наличие трещин Закалка, 850 °С вода 460 Есть Закалка 850 °С вода +отпуск 150°С более 1185 Нет Закалка 850 °С вода + отпуск 200°С более 1185 Нет МИО 0.5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 931 Есть МИО 1 Гц, 4 мин., 42 МА/м 1033 Есть МИО 5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 613 Есть МИО 10 Гц, 4 мин., 42 МА/м 1033 Есть Таблица 9 – Твердость по Виккерсу стали У10А после МИО Время после обработки МИО Обработка МИО Сразу Через 4 часа Через 8 часов Через 12 часов 0.5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 840.0 868.0 926.0 927. 1 Гц, 4 мин., 42 МА/м 854.3 897.0 926.0 926. 5 Гц, 4 мин., 42 МА/м 882.5 926.0 913.0 926. 10 Гц, 4 мин., 42 МА/м 882.5 882.5 913.0 926. Таким образом, при использованных режимах МИО одновременно повышалась и твердость стали У10А и нагрузка образования трещины от отпечатков.
Сталь 9ХС. На закаленных образцах стали 9ХС проводились измерения и расчет акустических параметров после отпусков на 150 и 200 °С и после МИО (сразу, через 6 часов и через 24 часа). Скорость продольной волны (Vl) в образцах: после закалки - 5949.82 м/с, после отпуска 150 и 200 °С - 5967.86 и 6006.33 м/с, соответственно. МИО ( = 10 Гц, = 4 мин., Н = 42 МА/м) неоднозначно влияет на изменение скорости прохождения продольной волны в образцах после различных режимов термообработки. На закаленных образцах после МИО скорость продольных волн увеличилась с 5949.82 м/с до 6031. м/с;
на образцах, отпущенных на 150 °С - с 5967.86 м/с до 6019.72 м/с, а отпущенных на 200 °С - уменьшилась с 6006.33 м/с до 6002.39 м/с.
Прослеживается цикличность в изменении скорости прохождения продольных волн при выдержке после МИО в интервале 1 – 24 часа.
Скорость поперечных волн (V2) увеличивалась с 3160.88 м/с после закалки до 3166.63 м/с - при отпуске 150 °С, до 3179.82 м/с - при отпуске 200 °С. При МИО происходит увеличение V2: на закаленных образцах - с 3160.88 м/с до 3164.40 м/с, на отпущенных при 150 °С - с 3166.63 м/с до 3173.16 м/с, на отпущенных при 200 °С - с 3179.82 м/с до 3183.07 м/с.
Акустическая анизотропия изменялась не только при отпуске 150 и 200 °С, но и при МИО по выбранным режимам.
Температура отпуска (до 200 °С) слабо влияет на величину коэффициента Пуассона. Через 24 часа после МИО на закаленных образцах повышается от 0.3034 до 0.3102, на отпущенных на 150 °С - от 0.3041 до 0.3076.
Сталь 10. С увеличением степени холодной деформации до 50% плотность стали 10 уменьшается от 7.8723 г/см3 до 7.8322 г/см3(рисунок 2). После МИО при частотах 1 – 5 Гц отмечено снижение плотности, однако увеличение частоты прохождения импульса до 10 Гц приводит к ее повышению до 7.8601, 7.8420, 7.8486 г/см3 в стали, деформированной на 10, 30, 50% соответственно.
МИО относительно слабо влияет на микротвердость стали 10 после деформации на 10 и 30% (рисунок 3). Максимальные эффекты колебались в пределах 50 – 100 МПа (~ 6%). Более четкое влияние МИО наблюдалось после ХПД 50%: микротвердость снижалась от 1723.5 МПа до 1575 МПа (~ 9%).
а) б) Рисунок 2 Результаты измерения плотности стали 10: а) - после ХПД, б) – после МИО, предварительно деформированной на: 1 - 10%, 2 – 30%, 3 – 50% а) б) Рисунок 3 Зависимость изменения микротвердости стали 10: а) - от степени ХПД;
б) - после МИО, предварительно деформированной на: 1 - 10%, 2 - 30%, 3 - 50% Уровень микронапряжений, определенных рентгеноструктурным методом, в стали 10, деформированной на 30%, после МИО, в зависимости от ее параметров, как повышался (158.13 МПа), так и понижался (37.17 МПа) относительно исходного значения (75.5 МПа).
В четвертой главе приведен анализ результатов влияния МИО на физико механические свойства исследуемых сталей.
Стали Р6М5, Р6М5К5. Результаты измерения микротвердости (таблица 1) образцов из термоупрочненных сталей Р6М5 и Р6М5К5 показали, что при МИО может быть получено дополнительное увеличение сопротивления пластической деформации (СПД).
При МИО быстрорежущей стали в результате смещения доменных границ, магнитоупругой локальной деформации кристаллической решетки, магнитострикции стимулируется зарождение и движение дислокаций, ускоряются релаксационные сдвиговые и диффузионные процессы.
Увеличение микротвердости может быть обусловлено дополнительным упрочнением твердого раствора при повышении концентрации легирующих элементов в поверхностном слое, выделением высокодисперсных частиц второй фазы – карбидов.
С помощью регрессионного анализа проведена оценка значимости влияния параметров МИО на микротвердость быстрорежущей стали Р6М5К5. Получено уравнение регрессии в кодовом и натуральном масштабе соответственно:
Y = 8881+ 823.7X1 + 380.1X2+754.9X3, (1) y = 183x1 + 253.4x2 + 51.4x3+5836.8, (2) где Х1(x1) – частота магнитного импульса, Гц;
Х2(х2) – время воздействия, мин.;
Х3(х3) – напряженность магнитного поля, МА/м.
Величина магнитного импульса и напряженность магнитного поля оказывает большее влияние на значение микротвердости, чем время обработки;
все коэффициенты положительны - влияние данных факторов прямое.
Уменьшение разброса значений микротвердости в пределах исследуемого образца при МИО связано с выравниванием внутренних напряжений, повышением структурной однородности стали, что обеспечивает увеличение вязкости быстрорежущей стали, повышение стойкости инструмента.
Стали 65Г и У10А. В интервале температур низкого отпуска у закаленных сталей снижение твердости в некоторых случаях немонотонно, что связано с различным влиянием процесса распада мартенсита на составляющие сопротивления пластической деформации спд:
спд = тр. реш. + д. + гз. + тв.р. + частиц, (3) где тр.реш. - «трение» решетки;
д.,гз.,тв.р.,частиц – сопротивление от взаимодействия дислокаций, границ зерен, упрочнения твердого раствора, частиц второй фазы, соответственно.
При низком отпуске снижается вклад д. за счет уменьшения плотности дислокаций в мартенсите при аннигиляции дислокаций и вклад тв.р. - при обеднении мартенсита углеродом. В то же время образование сегрегаций углерода, выделение дисперсных – карбидов увеличивают вклад частиц.
Общий эффект зависит от соотношения этих вкладов и их изменения при отпуске: для сталей 65Г и У10А результирующий эффект выразился в снижении микротвердости при отпуске 100 – 200 °С (таблица 4).
МИО при малых частотах импульса вызывает разупрочнение металла, аналогично низкому отпуску: микротвердость стали 65Г снижается от 8373.8 до 7302.7 МПа, стали У10А - от 8961.3 до 7970.3 МПа, что, прежде всего, может быть обусловлено снижением содержания углерода в мартенсите после МИО от 0.6% до 0.34% (рисунок 1.б).
Однако при больших частотах (выше 1 Гц), микротвердость после МИО стали 65Г возрастала до 9117.8 МПа (таблица 4), т.е. упрочняющий эффект (частиц) оказывается больше разупрочняющих (д., тв.р.). Следует добавить, что при МИО возможна перестройка дислокаций в стенки с образованием границ блоков и субзерен, что также способствует упрочнению. Эффект снижения содержания углерода в мартенсите стали 65Г после МИО и 4-х часов выдержки пропорционален частоте прохождения импульсов: при 0.5 Гц – от 0.6% до 0.5%, при 10 Гц - до 0.41%. Увеличение времени выдержки до 12 часов сопровождается дальнейшим обеднением твердого раствора углеродом до 0.34%, что соответствует эффекту отпуска 170 - 180 °С.
Испытания на релаксацию напряжений показали влияние МИО на 0 релаксационные характеристики 2 - предел пропорциональности, 2 – величина, характеризующая релаксацию напряжений при 2 и являющаяся мерой сопротивления микропластической деформации (СМД).
Для стали 65Г значения СМД максимальны после закалки и закалки с отпуском при 150 °С. По данным приведенных релаксационных испытаний (таблица 6) воздействие МИО с частотой прохождения магнитного импульса 5 10 Гц подобно отпуску при 150 - 170 °С. В зависимости от режима МИО можно повышать либо релаксационную способность, либо релаксационную стойкость металлов и сплавов.
Нагрузка появления трещины (НПТ) от укола на твердомере Виккерса закаленных образцов из стали У10А составила 460 Н. Отпуск при 150 и 200 °С приводит к повышению НПТ (таблица 8) – выше 1185 Н (максимально достижимая нагрузка на приборе). МИО закаленных образцов при всех выбранных режимах повышала НПТ: при частоте 0.5 Гц – до 931 Н, 1 Гц – до 1033 Н, 5 Гц – до 613 Н, 10 Гц – до 1033 Н. Повышение сопротивления разрушению при МИО может быть обусловлено релаксацией и выравниванием внутренних напряжений, освобождением дислокаций, генерированием новых дислокаций в результате магнитострикции.
Важным результатом исследования является то, что при использованных режимах МИО одновременно повышалась и твердость стали У10А (рисунок 4), и нагрузка образования трещины (таблица 8). Отсюда следует, что с помощью МИО можно Рисунок 4 Трехмерная модель влияния частоты существенно повысить магнитного импульса и времени выдержки после стойкость инструмента, как МИО на твердость стали У10А против износа, так и против выкрашивания режущей кромки.
Сталь 9ХС. При отпуске закаленной стали 9ХС на 150 и 200 °С скорость продольной волны увеличивалась на 18 и 57 м/с, соответственно, при погрешности расчетов не более ±5 м/с (рисунок 5). Для закаленного образца наблюдается немонотонная зависимость изменения скорости от времени выдержки после МИО. Общий эффект после выдержки 24 часа составил 82 м/с, что сравнимо с эффектом отпуска при 200 °С. На отпущенных при 200 °С образцах сразу после МИО наблюдается повышение скорости до 6028.58 м/с, однако в процессе выдержки скорость снижается до исходного уровня.
Наиболее неравновесному состоянию отвечает закаленное состояние. С повышением температуры отпуска состояние становится более равновесным. В этой связи полученный результат можно интерпретировать следующим образом: эффект МИО, проявляющийся в увеличении скорости продольной волны, четко выражен у «неравновесной» закаленной стали, а наименее выражен на образцах, отпущенных после закалки на 200 °С.
Вероятно, при МИО инициируются те же процессы, которые происходят при низкотемпературном отпуске стали (обеднение твердого раствора углеродом, образование сегрегаций углерода и мелкодисперсных карбидов), это согласуется с результатами, полученными на Рисунок 5 Изменение скорости сталях У10А и 65Г.
распространения продольных В результате МИО происходит ультразвуковых волн в зависимости от изменение коэффициента Пуассона, температуры отпуска и времени выдержки что свидетельствует об изменении после МИО: 1 – закалка, 2 – отпуск 150 °С, упругих свойств стали. Характер 3 - отпуск 200 °С изменения зависимостей аналогичен, как и в случае распространения продольных волн.
При отпуске закаленной стали 9ХС на 150 и 200 °С коэффициент Пуассона увеличивается на 0.0004 и 0.0018, соответственно. После МИО и выдержки часа коэффициент Пуассона закаленной стали повышается до 0.3102, что превышает эффект от отпуска при 200 °С (0.3053).
У образцов, отпущенных при 200 °С, сразу после МИО коэффициент Пуассона повышается до 0.3070, однако в процессе выдержки снижается практически до исходного уровня.
Сделан вывод, что акустический метод может быть эффективно использован в практике выбора режимов МИО как чувствительный, быстрый, неразрушающий метод контроля структурных изменений в сталях при магнитно – импульсной обработке.
Сталь 10. Повышение степени деформации при ХПД сопровождается уменьшением плотности, что связано с увеличением количества вакансий, плотности дислокаций, образования субмикропор и субмикротрещин, то есть с ростом повреждаемости металла.
При режиме МИО ( = 10 Гц, - 4 мин., Н = 42 МА/м) происходит увеличение плотности в образцах, продеформированных на 10, 30 и 50%. Это дает основание считать, что обработка импульсным магнитным полем может снижать повреждаемость холоднодеформируемого металла, уменьшать вредное в этом отношении влияние наклепа.
С увеличением степени деформации микротвердость стали 10 монотонно повышается от 1231.0 МПа до 1723.5 МПа (рисунок 3.а), что связано с ростом плотности дислокаций и перестройкой дислокационной структуры.
Наклепанное состояние связано с наличием избыточной латентной энергии и потому неравновесно и нестабильно. При нагреве в наклепанной стали могут идти как разупрочняющие процессы (возврат, рекристаллизация), так и упрочняющий процесс деформационного старения, обусловленный диффузией примесей внедрения (углерода, азота) к дислокациям с образованием атмосфер Коттрелла, блокирующих дислокации.
Как видно из полученных результатов, микротвердость деформированной стали 10 при МИО снижалась. Зависимость микротвердости от частоты прохождения импульсов немонотонная (рисунок 3.б), что может быть связано с различной степенью стимулирования разупрочняющих и упрочняющего процессов при разных частотах. Разупрочняющий эффект МИО наиболее явно выражен при наибольшей степени деформации (50%): велика латентная энергия и в большей степени реализуются разупрочняющие процессы возврата, стимулированные магнитно – импульсным воздействием.
Полученные данные позволяют предположить, что с помощью МИО можно существенно влиять и управлять субмикроструктурой, а, соответственно, и свойствами холоднодеформированной стали. Повышение плотности сталей и сплавов практически всегда свидетельствует об уменьшении повреждаемости и улучшении качества металла, что должно проявляться в повышении удельной работы предельной деформации Wc.
В пятой главе на основании результатов исследований и установленных закономерностей показано, что магнитно-импульсная обработка может быть использована для повышения стойкости и надежности металлоизделий по следующим направлениям: повышение стойкости инструмента из быстрорежущей стали за счет увеличения износостойкости и вязкости;
обеспечение размерной стабильности мерительного инструмента и высокоточных деталей машин и механизмов за счет снижения и выравнивания внутренних напряжений, стабилизации структуры, уменьшения количества остаточного аустенита;
улучшение качества упругих элементов типа рессор, пружин за счет повышения релаксационной стойкости.
Механические свойства и поведение под нагрузкой сталей и сплавов определяются структурой на разных масштабных уровнях: макро, микро (форма, размер и взаимное расположение зерен разных фаз), субмикро (вакансии, дислокации, субзеренные дислокационные границы, дисклинации и т.п.). Соответственно, механическое поведение металлических материалов является сложным и может быть описано следующим уравнением:
F=1/m, (4) где F – функция приспосабливания системы к внешним воздействиям;
– степень искажения системы;
m – показатель, учитывающий твердость, релаксацию напряжений, механическую схему деформации. Этот показатель зависит от четырех факторов: силового, временного, дефектного и приложенного напряжения.
Если использовать уравнение (4) в инженерных задачах, то адаптация системы (F), будет проявляться через предельную деформацию разрушения металлоизделий пред:
пред = 1/m (5) В качестве, выступает изменение плотности:
= ()=ln(м/мкон), (6) где м – исходная плотность;
мкон – плотность в момент разрушения.
В таком случае, уравнение (4) записывается так:
( / ) м мкон пред = +, (7) р 2 П, = (8) т н где - скорость релаксации;
Vн – скорость нагружения;
т – предел р текучести чистого железа;
П – показатель структурно-энергетического состояния;
– коэффициент пропорциональности, зависящий от вида процессов накопления энергии в твердом теле.
На базе уравнений 7, 8 анализируется поведение при воздействии внешних факторов (напряженное состояние, температура и др.) сталей и сплавов в различном структурно-энергетическом состоянии, разрабатываются синергетические критерии и предельные характеристики, в том числе, удельная работа предельной деформации Wc. Значения Wc для быстрорежущих сталей после различных обработок, рассчитанные по данным механических испытаний, приведены в таблице 10.
Таблица 10-Энергоемкости сталей Р6М5 и Р6М5К5 в зависимости от метода обработки HB/т (-Fe) (B+т)/2, МПа Wc Марка стали Режим обработки HB, МПа ТО 6270 21 1442 2. ТО + МИО 0.5 Гц 7758 26 1784 3. Р6М5 ТО + МИО 1 Гц 7985 27 1837 3. ТО + МИО 5 Гц 8525 28 1961 3. ТО + МИО 10 Гц 9285 31 2136 4. ТО 6400 21 1472 2. ТО + МИО 0.5 Гц 9100 30 2093 4. Р6М5К5 ТО + МИО 1 Гц 9192 31 2114 4. ТО + МИО 5 Гц 9924 33 2283 4. ТО + МИО 10 Гц 10839 36 2493 4. Примечание: пред для хрупких термоупрочненных быстрорежущих сталей в расчете принималась 0.2%.
Как видно из таблицы 10, магнитно - импульсная обработка термоупрочненных быстрорежущих сталей позволяет одновременно увеличить удельную энергию предельной деформации (Wc) и твердость по сравнению с термическим упрочнением и, таким образом, повысить работоспособность металлоизделия.
С целью определения возможности эффективного воздействия МИО проведены стойкостные испытания опытной партии термообработанных метчиков из стали Р18. Стойкость метчиков, обработанных по режимам, приведенных в таблице 11, увеличилась в 1.3 раза.
При эксплуатации метчики, не обработанные МИО, имели сколы на всю ширину пера, наблюдалось грубое выкрашивание и скалывание режущих кромок, метчики переточке не подлежали. После проведения МИО характер дефектов изменился, скалывание режущих кромок стало незначительно, а их количество уменьшилось. В результате после переточки инструмент можно использовать заново.
Таблица 11 - Режимы обработки МИО № режима Напряженность Рабочая частота Время обработки 1 42 МА/м 5 Гц 4 мин.
2 42 МА/м 10 Гц 4 мин.
Выполненные в работе исследования на образцах из термообработанной стали Р18 показали положительные эффекты МИО (повышение предела прочности при испытаниях на изгиб, красностойкости, уменьшение количества остаточного аустенита), которые обеспечили повышение стойкости инструмента.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Получены зависимости структурно – чувствительных характеристик (твердость, микротвердость, предел прочности при изгибе, плотность, микронапряжения, нагрузка появления трещины, параметры релаксации напряжений, акустическая анизотропия, скорость ультразвуковых волн) от параметров магнитно – импульсной обработки. Статистические методы анализа экспериментальных данных, регрессионный анализ обеспечивают достоверность полученных результатов.
2. Разработаны режимы МИО, позволяющие повысить микротвердость быстрорежущей стали на 25 – 35% за счет перестройки дислокаций, диффузии легирующих элементов к поверхности, выделения дисперсной карбидной фазы;
уменьшить структурную неоднородность и разброс значений микротвердости за счет стимулирования релаксационных сдвиговых и диффузионных процессов.
3. Разработаны режимы МИО, обеспечивающие одновременное повышение твердости, предела прочности и сопротивления разрушению инструментальных сталей, что позволяет повысить износостойкость и стойкость инструмента.
4. Магнитно – импульсная обработка стимулирует процесс распада пересыщенного твердого раствора (мартенсита): в стали 65Г содержание углерода уменьшалось от 0.6% до 0.34%, тетрагональность мартенсита - от 1.0280 до 1.0156. Влияние МИО оказалось аналогичным отпуску 170 – 180 °С.
Воздействие МИО на релаксационные параметры (предел пропорциональности 02 и сопротивление микропластической деформации 02) стали 65Г также было подобно эффекту отпуска при 150 - 170 °С, уменьшение частоты МИО действует, как повышение температуры или продолжительности отпуска.
5. Установлена возможность фиксировать изменения «тонкой» структуры сталей с помощью акустических методов, что может быть практически использовано при отработке и выборе режимов МИО.
6. Магнитно – импульсная обработка стимулирует и ускоряет процессы возврата в холоднодеформируемой стали, находящейся в неравновесном состоянии, восстанавливает ее плотность, снижает микротвердость, уменьшает степень наклепа и латентную энергию, полученная регрессионная зависимость позволяет выбирать параметры МИО для управления структурно чувствительными характеристиками холоднодеформированной стали.
7. Применение режимов МИО, определенных на основании полученных зависимостей и регрессионных уравнений, в производственных условиях обеспечили повышение стойкости опытной партии метчиков из быстрорежущей стали Р18 на 30%. Экономический эффект от применения в качестве финишной магнитно-импульсной обработки инструмента составляет более 106000 руб./год.
Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:
1. Воробьев, Р.А. Исследование распада мартенсита в стали 65Г при импульсно – магнитной обработке / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // Физика металлов и металловедение. – 2010. - Т. 109. - №3. - С. 284 – 287.
2. Воробьев, Р.А. Характер изменения физико-механических свойств холоднодеформированной стали 10 при обработке импульсным магнитным полем / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // Технология металлов. - 2011. - №1. С. 11-14.
3. Воробьев, Р.А. Влияние обработки импульсным магнитным полем на твердость сталей в упрочненном состоянии / Р.А. Воробьев, В.А. Скуднов, В.Н.
Дубинский // Технология металлов. – 2011. - №2. - С. 28 – 33.
4. Воробьев, Р.А. Влияние отпуска и магнитной импульсной обработки на микронапряжения и блочную структуру быстрорежущей / Р.А. Воробьев, В.Н.
Дубинский // Материаловедение и металлургия: труды НГТУ. - 2007. - Т.61. С.133 - 135.
5. Воробьев, Р.А. Влияние магнитно – импульсной обработки на микротвердость быстрорежущей стали / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // Материаловедение и металлургия: труды НГТУ. – 2008. - Т.68. - С.116 - 118.
6. Воробьев, Р.А. Влияние обработки импульсным магнитным полем на содержание углерода в мартенсите закаленной стали 65Г / Р.А. Воробьев, В.Н.
Дубинский // Будущее технической науки: тез. докл. VII Международной молодежной научно-технической конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2008.- С. 166.
7. Воробьев, Р.А. Влияние импульсного магнитного поля на усталостные характеристики малоуглеродистых сталей / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Международной молодежной научно-технической конференции. – Н.Новгород: НГТУ, 2009. - С. 232-233.
8. Воробьев, Р.А. Влияние магнитно-импульсной обработки на релаксацию концентраторов напряжений / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Международной молодежной научно технической конференции. – Н.Новгород: НГТУ, 2009. - С. 233.
9. Воробьев, Р.А. Влияние магнитно-импульсной обработки на микротвердость высокоуглеродистых сталей 65Г и У10А / Р.А. Воробьев, В.Н.
Дубинский // XIV Ниж. сессия молодых учёных. Техн. науки: тез. докладов, «Татинец». – Н. Новгород, 2009. - С. 60-61.
10. Воробьев, Р.А. Повышение эксплуатационных свойств углеродистых сталей при обработке ИМП / Р.А. Воробьев, В.Н. Дубинский // «Авто - НН 2009» тез. докл. Всероссийск. молодеж. научно – техн. конф. – Н.Новгород:
НГТУ, 2009. - С.345.
11. Воробьев, Р.А. Изменение прочностных характеристик и состояния мартенсита углеродистых сталей под воздействием импульсного магнитного поля / Р.А. Воробьев, В.А. Скуднов, В.Н. Дубинский // «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»: сборник материалов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010.- С.184.
12. Воробьев, Р.А. Прогнозирование изменения уровня микронапряжений при магнитно – импульсной обработке стали 10 после предварительной деформации / Р.А. Воробьев, В.А. Скуднов, В.Н. Дубинский // XV Нижегор.
сессия молодых учёных. Техн. науки: тез. докладов.– Н. Новгород, 2010. - С. 66.
13. Воробьев, Р.А. Эволюция мезоструктуры холоднодеформированной малоуглеродистой стали при магнитно – импульсном воздействии / Р.А.
Воробьев, В.Н. Дубинский // Будущее технической науки: тез. докл. IX Международной молодежной научно-технической конференции. – Н.Новгород:
НГТУ, 2010. - С. 240.
14. Воробьев, Р.А. Воздействие сильных и слабых импульсных магнитных полей на структуру и свойства металлических материалов / Р.А. Воробьев, В.Н.
Дубинский // Труды второй научно – практической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго – Вятского региона». – Н.
Новгород: НГТУ, 2010. - С. 238 – 243.
15. Воробьев, Р.А. Изменение свойств холоднодеформированной стали при магнитно – импульсном воздействии / Р.А. Воробьев // VII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов: Сборник статей под редакцией академика РАН Ю.В. Цветкова и др. – М: Интерконтакт Наука, 2010. - С. 14 – 15.
16. Воробьев, Р.А. Самоорганизация структуры и формирование свойств упрочненных сталей при магнитно-импульсной обработке и последующей выдержке / Р.А. Воробьев, В.А. Скуднов, В.Н. Дубинский // XVI Нижегор.
сессия молодых учёных. Техн. науки: тез. докладов.– Н.Новгород, 2011. - С.66.