Файл: Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом.pdf

карбидов благоприятно влияет на ее структуру, твердость и пластические свойства.

Поверхностный слой детален после обкатывания получил наклеп. В сталях произошли структурные изменения, которые характеризуются видимой дефор­ мацией зерен, потерявших свою обычную форму. Зерна вытянуты в направлении осевой подачи инструмента, отдельные их части сдвинуты относительно друг друга.

Рис. 21. Микроструктура сталеі'і, Х200: о — сталь 45; п — сталь 35; а — сталь 15; с — сталь 45Г2

Поверхностный слой имеет волокнистую структуру (рис. 22). Изменение формы зерен происходит в результате смещения отдельных участков по плоскости скольжения и некоторого поворота этих плоскостей под действием внеш­ них сил в направлении деформации. Процессы сдвига происходят посредством однородного скольжения. Это вызывает измельчение зерен первоначальной структуры. У обкатанных деталей наблюдается увеличение количест­ ва зерен перлита, твердой структурной составляющей сталей, которые под действием усилия обкатывания, вы­ тесняя зерна феррита, перемещаются к поверхности.

Для сталей со средним содержанием углерода и для стали 45Г2 характерны более четкие границы деформа-

84

дни. Вытянутые параллельно оси детали зерна видны на небольшой глубине. С дальнейшим увеличением до опре­ деленных значении усилии обкатывания ориентация от­ дельных зерен становится более четкой (рис. 23).

Малоуглеродистая сталь 15, наоборот, получила зна­ чительное проникновение пластической деформации в глубь детали. Из-за дробления зерен поверхностный слой после обкатывания приобрел мелкозернистую структуру,. На шлифах хорошо видно, что наклеп ведет к уп-

Рис. 23. .Микроструктура поверхностного слоя стали 45Г2 после об­ катывания с усилием 19,6 кН, Х200

лотненшо металла, устраняет пористость, завальцовывает трещины. Однако при наклепе свыше оптимальных значений нарушается однородность пластической дефор­ мации (рис. 24), происходит разрыхление металла и раз­ рушение поверхности. В этом случае границы зерен искривлены, осколки разрушенных зерен разбросаны хао­ тично, их периметр имеет зубчатую конфигурацию. В ме­ талле появляются сосредоточенные области ослабления. Затрачиваемая энергия деформации, вероятно, расходу­ ется на процесс развития микротрещин. Непосредственно перед разрушением поверхности наступает разупрочне­ ние стали, уменьшение твердости (см. табл. 14). Выска­ зывается мнение, что у материала обкатываемой детали, контактирующего с инструментом, происходят значи­ тельные изменения, приводящие к потере крнсталлн-

8 6

ческого строения и свойств, характерных для таких тел 1112, ИЗ, 133]. Электронная микроскопия позволяет не­ сколько глубже изучить структуру и механизм упрочне­ ния наклепанных сталей. С этой целью проведены иссле­ дования микроструктуры в электронном микроскопе ЭМ-3. Использован косвенный способ исследования мик­ роструктуры, заключающийся в исследовании не самого объекта, а копии (реплики), снятой с рельефа поверх­ ности. Материалом для реплик может служить ряд ве­ ществ: коллодий, поливинил-формальдегид, кварц, золо­ то, бериллий, уголь, лак и т. д. В данном случае был при­ менен прозрачный лак.

Косвенный способ применяется в том случае, когда необходимо изучить структуру поверхности без связи с внутренней структурой объекта и если по характеру по­ верхности (по ее рельефу) приходится судить о структуре материала. В первом случае необходимо получить лишь копию рельефа исследуемой поверхности, во втором — перед получением реплики требуется тщательная подго­ товка поверхности путем воздействия на нее соответству­ ющими реактивами, позволяющими выявить внутреннюю структуру материала. В задачу данных исследований входило изучение внутренней структуры наклепанных об­ разцов. Приготовление образцов и реплик включало: под­ готовку поверхности образцов, нанесение реплики на ис­ следуемую поверхность, отделение ее от поверхности объ­ екта, вылавливание реплик на объективные сетки и изуче­ ние их в электронном микроскопе.

Из исследуемых сталей были подготовлены микрошлифы, очищенная поверхность которых подвергалась травлению 4%-ным раствором азотной кислоты, промыв­ ке в бидистиллированной воде и сушке в шкафу.

Прозрачный лак, нанесенный на поверхность микро­ шлифа, разливаясь, копировал микрорельеф шлифа. Пос­ ле высыхания лаковая пленка отделялась от поверхности образца. Для этой цели на высохшую лаковую пленку наносился 2 0 %-ный подогретый раствор жидкого жела­

тина. При высыхании желатин, сжимаясь, отделял лако­ вую пленку от поверхности шлифа. Двойная пленка (лак—желатин) помещалась в теплую дистиллированную воду, где находилась до полного растворения желатина, после чего промывалась в горячей дистиллированной во­ де и сушилась на воздухе.

8 8

Полученные лаковые реплики даже при минимальной их толщине не обеспечивали достаточной контрастности изображения. Чтобы повысить контрастность, рельеф по­ верхности оттенялся хромом. Реплика помещалась под колоколом вакуумной установки, где находился специаль­ но смонтированный испаритель из вольфрамовой прово­ локи. При достижении под колоколом остаточного давле­ ния 1 0 мм рт. ст. и работе испарителя атомы наносимого

металла, попадая на поверхность реплики, оттеняли ее

рельеф. После этого реплики монтировались для просмот­ ра в электронном микроскопе, лучшие из них фотографи­ ровались.

Электронно-микроскопические исследования позво­ лили выявить характерные изменения в строении сталей, происходящие при поверхностном пластическом деформи­ ровании.

На рис. 21, 25 представлена микроструктура сталей 45, 35, 15 и 45Г2 при разном увеличении. Можно на­

8 »

блюдать, что для исходной микроструктуры характерно равномерное распределение зерен составляющих, разме­ ры зерен практически одинаковы. Ближе к поверхности образца все четче проявляется вытянутость зерен в на­ правлении подачи деформирующего инструмента. Ста­ новятся менее заметными границы отдельных зерен и структурных составляющих, а в непосредственной близо­ сти от поверхности они трудно различимы (особенно у стали 15).

Электронные микрофотографии позволили полнее представить картину изменений микроструктуры поверх­ ностного слоя. Непосредственно у поверхности структура мелкодисперсна, ее составляющие, как и границы зерен, неразличимы. В этих объемах сталь потеряла специфи­ ческие свойства, характерные для кристаллических тел, и приобрела структуру,' характерную аморфным телам. Здесь микроструктура стали 45 и стали 15 практически одинакова. Это позволяет заключить, что физико-механи­ ческие свойства в этих областях стали иные, чем у исход­ ных структур.

Можно полагать, что равномерная мелкодисперсная структура, образующаяся на основе мелких блоков, должна вызвать упрочнение границ зерен.

По мере удаления от обкатанной поверхности состав­ ляющие структуры становятся крупнее, видны границы зерен и их конфигурация в плоскости образца, что осо­ бенно заметно при изменении содержания углерода в стали.

Таким образом, упрочнение стали в процессе поверх­ ностного пластического деформирования связано со структурными изменениями, измельчением блоков и, как показали проведенные исследования, с повышением плотности дислокаций и остаточных внутренних на­ пряжений.

Исследования тонкой структуры сталей с помощью электронного микроскопа подтвердили сделанные вы­ воды. Отмечено, что тончайшая пленка на поверхности деформированного образца имеет мелкодисперсную структуру, границ зерен и линий скольжения не видно, что изменение структуры наблюдается только после при­ ложения усилия, превышающего предел текучести мате­ риала, т. е. изменения в микростроении вызывает лишь пластическая деформация.

90

2. Остаточные напряжения в сталях, упрочненных наклепом

Обработка стальных деталей наклепом приводит к неравномерному изменению объема материала, располо­ женного на разной глубине. Ближе к поверхности более деформированные слои стремятся занять больший объем, чем слои, находящиеся под ними. Следствием этого явля­ ется возникновение остаточных напряжений. Н. Н. Давиденковым [42] остаточные напряжения классифицирова­ ны как напряжения I, II, III рода.

1.Напряжения I рода, макроскопические напряже­ ния, уравновешивающиеся в пределах больших объемов, имеющих размеры одного порядка с размерами тела. Это напряжения, вызванные неоднородной пластической де­ формацией, явившейся результатом действия внешних сил. Рентгенографически остаточные напряжения первого рода проявляются в смещении интерференционных линий (в большей степени задних линий).

2.Напряжения II рода, микроскопические, или кристаллитные напряжения, уравновешивающиеся в малых объемах одного порядка с размерами одного или несколь­ ких кристаллитов, рентгенографически эти напряжения

проявляются в размытии интерференционных линий (в большей степени задних).

3. Напряжения III рода, ультрамикроскопические (элементарные), уравновешивающиеся в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой. Эти напряжения при рентгеноскопии проявляются в ослабле­ нии интенсивности линий высших порядков дебаевского спектра и в усилении фона.

Макроскопические напряжения оказывают влияние на прочностные свойства изделий, иногда вызывают пластическую деформацию в больших объемах металла, коробление деталей, а порой их разрушение. Следствием

ция, вызывающая изменение межплоскостиых расстояний

вкристаллах, приводит к смещению соответствующих ли­ ний на рентгенограммах [5]. Эта взаимосвязь и положена

воснову рентгенографического метода определения оста­ точных напряжений, возникающих при пластическом деформировании металлов.

9 1

Проведенные работы по рентгенографическому ис­ следованию процессов деформации в основном связаны с обработкой металлов давлением, с весьма большими объ­ емами и скоростями деформации. Они не дают достаточ­ ных сведений о развитии искажений атомно-кристалли­ ческой решетки при упрочнении стальных деталей на­ клепом.

Обкатывание стальной поверхности роликами вызыва­ ет фпзпко-механпческпе изменения в поверхностном слое. Для изучения этих изменений применен рентгенострук­ турный анализ, с помощью которого были определены остаточные напряжения I рода, остаточные напряже­ ния II рода, размер блоков мозаики, плотность дис­ локаций.

Этот метод определения физических величин является косвенным, однако он имеет преимущества перед другими хотя бы в том, что не нарушает целостности детали или образца, является более прогрессивным и точным.

Исследования были выполнены на рентгеновском ап­ парате с ионизационной регистрацией УРС-50И. Пре­ имущества аппарата со счетчиком Гейгера для регистра­ ции дпфрагмнрованных рентгеновских пучков перед фото­ графическим методом неоспоримы. Наряду с ускоренным получением рентгенограмм значительно повышается чувствительность при измерении интенсивностей рентге­ новских лучей. Расходимость пучка ограничивается с по­ мощью трех щелевидных диафрагм, находящихся между рентгеновской трубкой и образцом, а также перед счет­ чиком. Диафрагма и устройство гониометра ГУР-3 дают возможность осуществлять падежную фокусировку.

Съемка рентгенограмм осуществлена с цилиндри­ ческой поверхности образца, вращающегося относитель­ но своей вертикальной оси с л = 30 обIмин. Была сконст­ руирована и изготовлена специальная головка (рис. 26). Для рентгеноструктурного анализа использованы такие же образцы, как и для испытаний на износ при трении скольжения. В качестве эталонов были приняты образцы из исследуемых марок сталей и армко-железа, отожжен­ ные при 850 °С. Режим работы аппарата следующий: из­ лучение Ка—Со, напряжение на трубке 30 кВ; сила тока

92