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

15 мкм и 25 мкм. Количество титана в тонком слое, прилегающем к поверхности, равно 2,0% при содержании этого элемента в ис­ ходном металле 2,7% (норма по техническим условиям 2,54-2,9%). Количество хрома, вместо 20% у исходного металла, в поверхност­ ном слое составляет 18,2% при норме по техническим условиям 19-4-22%. Величина обеднения поверхностного слоя по титану {ATi) равна 0,7%, по хрому — ДСг = 1,8%. Из приведенных дан­ ных видно, что процентное содержание основных легирующих элементов в поверхностном слое значительно ниже норм, предус­ мотренных техническими условиями для данного материала. При ■отмеченном обеднении титаном и хромом наблюдается одновремен­ ное насыщение слоя алюминием, который, по-видимому, диффун­ дирует к поверхности из сердцевины образца. На обточенном об­ разце (вариант 4) слой с повышенным содержанием алюминия составляет 20 мкм.

Еще большее изменение химического состава поверхностного

•слоя наблюдается у образцов, обдутых дробью и обкатанных роли­ ками, имеющих самый большой исходный наклеп из исследуемых

■образцов (рис. 15.7 и 15.8).

Следует отметить, что у обточенных на оптимальной скорости резания образцах обнаружена меньшая по сравнению с другими режимамиточения глубина слоя с измененным химическим сос­ тавом и меньшая степень обеднения этого слоя легирующими эле­ ментами, что объясняется меньшей глубиной исходного наклепа.'

Между измененным по химическому составу поверхностным слоем и исходной величиной и знаком поверхностных напряжений 1-го рода какой-либо взаимосвязи не наблюдается.

Применительно к рассмотренным условиям испытания сплава ЭИ437БУ глубина измененного слоя по какому-либо элементу может быть определена из следующих уравнений:

Эти зависимости показывают, что глубина слоя, измененного по химическому составу, зависит от степени наклепа в большей мере, чем от его глубины.

Следует заметить, что процесс изменения химического соста­ ва поверхностного слоя сопровождается изменением физико­ механических свойств металла этого слоя, в частности, параметра кристаллической решетки а. Из данных табл. 15.2 видно, что параллельно с изменением химического состава происходит из­ менение периода кристаллической решетки; при этом чем больше была исходная глубина и степень наклепа, тем в большей степени произошли изменения по химическому составу, тем больше отли­ чие периода кристаллической решетки материала измененного

315

поверхностного слоя от периода решетки исходного металла. Например, для испытанного шлифованного образца а = 3,559 Кх* обкатанного роликами — а = 3,556 Кх, при периоде решетки металла в исходном состоянии — а — 3,570 Кх.

Необходимо отметить также, что в поверхностном слое окислен­ ных образцов имеет место дефицит металла, т. е. суммарное про­ центное содержание компонентов меньше веса исследуемого ма­ териала, что, по-видимому, связано с наличием кислорода, входя­ щего в состав окисных включений. Так, например, в тонком поверхностном прилегающем к поверхности (2ч-7 мкм) слое образца, изготовленного точением (вариант 4), суммарное содер­ жание всех компонентов составляет 95,5% (Ti = 2,09о; Сг =- 18,2%;

А1 = 0,98% ; Ni = 73%; Ti + Mn + Si дз 1,25%), т. е. дефицит металла равен 4,5%. У образца, обкатанного роликами, дефицит металла в поверхностном слое составляет 7,4% при суммарном процентном содержании элементов 92,6%. Дефицит металла свидетельствует о наличии большого количества окислов в метал­ ле поверхностного слоя. Известно, что образование окислов сопровождается изменением объема. Это, по-видимому, и явилосьосновной причиной возникновения термических остаточных напряжений в поверхностном слое после длительных высокотем­ пературных испытаний.

Микроструктура поверхностного слоя

Исследование структуры образцов сплава ЭИ437БУ, обработан­ ных по различным технологическим вариантам, производилосьдо и после испытания образцов на жаропрочность. Непосредст­ венно после механической обработки структура поверхностногослоя представляет собой вытянутые в направлении движения

их плотность, искаженность зерен и их границ с увеличением сте­ пени пластической деформации при использовании различных методов обработки возрастают. Возрастает и плотность дислокации

с наклепом в процессе длительных испытаний образовался, де­ фектный слой в виде мелких рекристаллизованных зерен с микрот­ вердостью на 504-130 кг/мм2 ниже основного материала, что сви­ детельствует о значительном разупрочнении материала этого слоя [2, 4]. Следует заметить, что при исследовании даже нетравленных

316

клепа. На электрополированном образце не обнаружено дефект­ ного окисленного слоя в виде мелких рекристаллизованных зерен (рис. 15.9 а). На образцах после таких видов обработки поверх­ ности, как полирование, шлифование, точение, дробеструйная обработка и обкатка роликами, увеличивающих соответственно глубину и степень наклепа, обнаружена возрастающая глубина дефектного слоя (рис. 15.9 и 15.10). Так, например, окисленный дефектный слой на полированном образце находится в пределах 5—7 мкм, шлифованном—8ч-12 мкм, обточенном (по варианту 4) на оптимальной скорости— 12-МЗ мкм, после дробеструйной

ляет 15ч17 мкм, по варианту 6—13ч15 мкм. Как видно из данных, точение сплава ЭИ437БУ на оптимальной скорости резания обес­ печивает наименьший дефектный слой по сравнению с образцами, обработанными на других скоростях резания.

Необходимо отметить, что глубина дефектного слоя, представ­ ляющего собой металлоокисную смесь, соответствует глубине за­ легания термических напряжений. Это дополнительно подтверж­ дает правильность вывода о том, что причиной возникновения термических напряжений является несоответствие физико-меха­ нических свойств металла поверхностного слоя и металла серд­ цевины.

Анализ микроструктуры показывает также, что между слоем с окисленными границами зерен, прилегающим к поверхности, и основной структурой находится промежуточный слой. Этот слой также состоит из мелких рекристаллизованных зерен, но не имеет окисленных границ и характерен несколько меньшей травимостью по сравнению с основной структурой (рис. 15.10).

При исследовании поверхностного слоя испытанных образцов рентгеноструктурным методом было обнаружено размытие линий при отсутствии наклепа (упрочнения) (рис. 15.11). Микроструктурное исследование показало, что причиной размытия ли­ ний является мелкозернистая структура поверхностного слоя. К ром е ТОГО , р а э м ъ ш ш ЛУУУЙ м ож ет способствовать наличие тер­ мических остаточных напряжений.

Электронномикроскопическое исследование образцов показало, что в поверхностном слое, представляющем собой металлоокисную смесь, полностью отсутствует упрочняющая у'-фаза, что связано с существенным обеднением поверхностного слоя легирующими эле­ ментами. По мере удаления от поверхности количество у'-фазы по­ степенно увеличивается; сердцевина образцов представляет собой структуру с обычным гетерогенным строением. На рис. 15.12 при­ ведены характерные фотографии дефектного слоя, полученные'на электронном микроскопе. В зоне А (см. рис. 15.10 и 15.12) наблю­ дается мелкозернистая структура с широкими границами зерен, представляющими слой окислов; в зоне Б также видна мелкозер­

322

нистая структура, но без включений окислов. Зона В — струк­ тура сердцевины образца.

Таким образом, экспериментально установлено, что интен­ сивность протекания в поверхностном слое таких процессов, как разупрочнение (падение твердости), окисление, изменение химического и фазового состава, структуры, образование терми­ ческих напряжений, изменение параметра кристаллической решет­ ки идр., находится в непосредственной связи с глубиной и степенью наклепа, обусловливающего диффузионные процессы в поверх­ ностном слое.

К вопросу о релаксации остаточных напряжений

При исследовании изменения состояния материала поверх­ ностного слоя в процессе длительных высокотемпературных ис­ пытаний не было обнаружено какой-либо взаимосвязи между разупрочнением поверхностного слоя и величиной и знаком оста­ точных напряжений, что может быть объяснено быстрой релакса­ цией последних. Для подтверждения этого было проведено иссле­ дование влияния температуры на релаксацию остаточных напряже­ ний. Образцы из сплава ЭИ437БУ были обработаны точением по режиму: v = 34 м/мин, s = 0,08 мм/об, t = 1,0 мм. После изготов­ ления образцы подвергались нагреву в воздушной среде: одна пар­ тия образцов нагревалась до температуры 700°С, другая — до 750°С (эксплуатационные температуры для этого сплава). Время выдержки при этих температурах было различное и находилось в пределах 0,5—8 час.

Из теории пластичности известно, что релаксация напряже­ ний при повышенных температурах происходит за счет деформации материала. При этом считается, что релаксация будет происходить до значений напряжений, равных пределу текучести материала при данной температуре.Напряжения меньше предела текучести не должны сниматься при повышении температуры до тех пор, пока их величина не совпадет со значением os; затем релаксация напряжений должна протекать согласно изменению предела текучести. Полное снятие напряжений может быть достигнуто при температуре, когда оч = 0. Для сплава ЭИ437БУ предел текуче­ сти стремится к нулю при температуре, превышающей 950°С. При температуре 700°С и 750°С пределы текучести соответственно равны 72 кг/мм2 и 68 кг/мм2. Приведенные цифры показывают, что согласно теории релаксации по механизму ползучести в нашем случае при температурах 700ч-750°С не должно было бы наблю­ даться существенного снижения остаточных напряжений.

Однако экспериментальные данные показывают, что в дейст­ вительности изменение остаточных напряжений не в полной мере соответствует рассмотренной схеме релаксации (рис. 15.13, 15.14). Как видно из приведенных данных, нагрев образцов из сплава

323