Файл: Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие.pdf

тура детали ниже той температуры, при которой образовался поверхностный окислительный слой.

Из формулы

=т = Е (tt — to) Я,

где t1 — комнатная температура;

t.2 — температура образования окислов;

Е — модуль упругости измененного материала; а — коэффициент линейного расширения,

следует, что если температура детали будет выше температуры образования окисленного слоя, термические напряжения меняют знак.

Другой специфической особенностью термических напряжений является то, что они неустранимы и могут быть сняты лишь при удалении соответствующего окисленного поверхностного слоя ме­ талла.

Микротвердость поверхностного слоя

Основные данные по микротвердости поверхностного слоя образцов до и после испытания приведены в табл. 15.1. В ней приведены также степень пластической деформации металла, при­ легающего к поверхности (2-^7 мкм), и плотность дислокаций в этом слое. Степень деформации была найдена из корреляционной зависимости между степенью деформации и величиной упрочнения. Плотность дислокаций вычислялась методом гармонического ана­ лиза формы линии (111) при рентгенографировании поверхности образца на установке УРС-50ИМ [31. Исходная степень упрочне­ ния (наклепа) подсчитывалась по формуле (12.2). После длитель­ ных испытаний степень разупрочнения поверхностного слоя опре­ делялась по формуле

N' = Н~ Нр . 100 %,

Н

где Н — микротвердость сердцевины; Но— микротвердость поверхности.

Приведенные в табл. 15.1 и рис. 15.5, 15.6 данные показывают, что микротвердость поверхностного слоя образцов, прошедших длительные испытания, существенно изменилась по сравнению с исходной "микротвердостью [2, 4]. На образцах после испытания на жаропрочность при наличии упрочнения в исходном состоянии наблюдается существенное разупрочнение поверхности, выражаю­ щееся в значительном падении микротвердости. При этом повыше­ ние исходной глубины и степени пластически деформированного

308

слоя приводит к соответствующему увеличению слоя с понижен­ ной микротвердостью. Так, например, у электрополированного образца (без наклепа) толщина слоя с пониженной микротвер­ достью составляет Ю мкм с величиной микротвердости поверхности 320 кг/мм2 (при твердости сердцевины 340 кг/лш2). На полирован­ ных, шлифованных, обточенных и упрочненных образцах обнаруже­ на соответственно все возрастающая глубина дефектного разупрочненного слоя. Максимальный по глубине и степени разупрочненный слой обнаружен на обкатанном роликами образце, имею­ щем самый большой наклеп поверхности. В этом случае микро­ твердость поверхности составляет 220 кг/мм2, что на 290 кг/мм2 ниже исходной микротвердости поверхности и на 120 кг/мм2 ни-

Рис. 15.6. Влияние исходной глубины наклепа на глубину разупрочненного слоя (а) и степень разупрочнения (б) при длительных испытаниях образцов сплава ЭИ437БУ (цифрами указаны номера вариантов изготовления — см. табл. 15.1)

же твердости сердцевины. При степени упрочнения (наклепа) N=47%, полученной обкаткой роликами, в процессе высокотем­ пературного испытания произошло разупрочнение поверхности порядка N' = 35%. Среди образцов, изготовленных точением, наименьший разупрочненный слой как по глубине, так и по сте­ пени обнаружен на образце, обработанном на оптимальном по интенсивности износа режиме резания.

310

Взаимосвязь между разупрочненным слоем и исходным на­ клепом поверхности выражается уравнениями:

а; = 1.08 ■/Ляз,

N' = 7,37 • /г0'29;

Л/' = 2,54 • №>69.-

Таким образом установлено, что, как и в случае исследования напряженности поверхностного слоя, главным фактором, опреде­ ляющим интенсивность разупрочнения (падения твердости) поверх­ ностного слоя, является исходная глубина и степень наклепа.

Необходимо: отметить, что в процессе длительных испытаний разупрочнение в поверхностном слое образцов произошло не на всю глубину наклепанного слоя. Например, у шлифованного образца с исходной глубиной наклепа 50 мкм глубина слоя с по­ ниженной микротвердостью составляет 30 мкм (рис. 15.5). Анало­ гичная картина наблюдается и у других образцов. Это свидетель­ ствует о незаконченном процессе разупрочнения металла. Повидимому, при большем времени испытания разупрочнение по­ верхностного слоя произошло бы на большую глубину в соот­ ветствии с исходной глубиной наклепа обработанной поверхности.

Изменение химического состава поверхностного слоя

Химический состав поверхностного слоя образцов, испытан­ ных на жаропрочность, определялся спектральным методом по методике ВВИА им. Жуковского. Постепенное снятие слоев элек­ трополированием с последующим спектральным анализом позво­ лило выявить картину, изменения содержания, того или иного элемента по глубине поверхностного слоя. G целью уменьшения глубины проникновения искры производилось перемещение образ­ ца в горизонтальном к'оптической оси спектрографа направлении.

Результаты послойного спектрального анализа приведены в табл. 15.2 и рис. 15.7, 15.8, Обнаружено;_что поверхностный слой обедняется основными легирующими элементами’—; титаном и хромом. При. снижении содержаний этих элементов в-поверхност­ ном слое наблюдается повышенное содержание алюминия. Ука­ занный сложный характер изменения содержания легирующих элементов в поверхностном слое свидетельствует о протекании одновременно процесса окисления и.процесса направлённрй диф­ фузии: одних элементов—к поверхности,. Других—в глубь металла. Это явление, известное как явление диффузионного переноса ве­ щества, или эффект Киркендолла [51, наблюдалось реже при дли­ тельном нагреве хромоникелевых сплавов (см., например [6]).

Однако интенсивность окислительных и диффузионных про­ цессов, приводящих к изменению химического состава поверх-

Рис. 15.7. Изменение химического состава по глубине поверхностного слоя образцов ЭИ437БУ после испытания на жаропрочность:

а — образец электрополирован; б — шлифованный; в — обточенный (ва­ риант 4); г — обкатан роликами

Г

Рис. 15.8. Влияние исходной глубины (а) и степени (б) наклепа на величину слоя, обедненного титаном и хромом (цифрами указаны номера вариантов

обработки — см. табл. 15.2)

ностного слоя, определяется не только условиями высокотемпе­ ратурного испытания 14]. Данные, приведенные в табл. 15.2 и рис. 15.7 и 15.8, показывают, что исходное состояние поверхности образцов, определяемое технологией изготовления, оказывает непосредственное влияние на изменение химического состава при испытаниях в условиях высоких температур. Как и в случае ис­ следования разупрочнения поверхности, основным фактором, оп­ ределяющим интенсивность обеднения поверхностного слоя тита­ ном и хромом и насыщения поверхности алюминием, является глу­ бина и степень пластической деформации поверхностного слоя. Так, например, в процессе длительного высокотемпературного испытания образцов без наклепа (электрополированных) поверх ностный слой по химическому составу практически не изменяет­ ся; наблюдается лишь некоторое обеднение титаном слоя глубиной до \0мкм (рис. 15.7). У обточенного, по варианту 4) образца слой, обедненный титаном (/irl) и хромом (/icr), составляет соответственно

313