Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных методов обеспечения конструктивной прочности деталей машин и механизмов 9
1.1. Структурная композиция - сталь с износостойким покрытием. Проблемы комбинированного упрочнения. Роль и значение переходной зоны 9
1.2. Цель и задачи исследования 23
Глава 2. Объёмное упрочнение стали. Создание оптимальной структуры в объёме деталей 24
2.1. Регулируемое термопластическое упрочнение (РТПУ) 24
стали
2.1.1. Исследование процессов горячей деформации стали 25
2.1.2. Формирование структуры аустенита при термопластическом воздействии 29
2.1.3. Структура и свойства углеродистой стали после термопластического воздействия 34
2.1.4. Разработка оптимальной схемы
термопластического упрочнения РТПУ 41
2.1.5. Структура и свойства стали, упрочнённой регулируемой термопластической обработкой РТПУ 44
2.1.6. Выводы 49
2.2. Термоциклическая обработка ТЦО 51
2.2.1. Формирование структуры при термоциклической обработке 51
2.2.2. Разработка технологии деформационной з
термоциклической обработки малоуглеродистой стали 54
2.2.3. Влияние ДТЦО на структуру и свойства углеродистой стали 58
2.2.4. Влияние ДТЦО на формирование структуры и свойств стали при повторном термическом воздействии 61
2.2.5. Влияние обработки слябов методом ДТЦО на свариваемость стали 63
2.2.6. Выводы 68
Глава 3. Повышение износостойкости деталей машин методами электродуговой наплавки 69
3.1. Расчет теплового воздействия сварочной дуги 69
3.2. Анализ процесса изнашивания деталей плавучих черпаковых снарядов 73
3.3. Исследование материалов и технологии электродуговой наплавки рабочих поверхностей тяжелонагруженных деталей плавучего черпакового снаряда типа ПЧС - 450 78
3.4. Применение износостойкой биметаллической облицовки, полученной сваркой взрывом, для упрочнения рабочих поверхностей деталей плавучего черпакового снаряда типа ПЧС-450 92
3.5. Плазменная наплавка жаропрочных сталей 100
3.6. Выводы и рекомендации 111
Глава 4. Износостойкие порошковые покрытия. Исследование структуры и процесса образования 113
4.1. Формирование металлических покрытий при холодном газодинамическом напылении 114
4.2. Микроструктурные исследования покрытия, полученного методом холодного газодинамического напыления ХГН 127
4.2.1. Структурные особенности порошкового покрытия, полученного методом холодного газодинамического напыления 130
4.2.2. Фрактографический анализ процесса разрушения покрытия ХГН 146
4.2.3. Технологическая реализация метода ХГН 152
4.3. Структурные исследования газотермических покрытий 156
4.4. Выводы 163
Глава 5. Упрочнение детален машин износостойкими самофлюсующимися Ni — Сг — В — Si — С покрытиями 164
5.1. Структура износостойкого самофлюсующегося Ni - Сг В - Si покрытия при плазменной технологии напыления 166
5.2. Анализ методов улучшения физикомеханических характеристик напылённых покрытий 171
5.3. Структура и свойства самофлюсующегося Ni-Cr-B-Si покрытия после объёмной термообработки 180
5.4. Оплавление самофлюсующихся покрытий в соляной 183 ванне
5.4.1. Исследование процесса формирования микроструктуры самофлюсующегося покрытия при оплавлении в соляной ванне 184
5.4.2. Восстановление и упрочнение самофлюсующимся покрытием деталей из серого чугуна 190
5.5. Структура и свойства малоуглеродистой стали с износостойким покрытием после термообработки ламинарной струёй азотной плазмы 199
5.6. Влияние электроконтактного нагрева на структуру износостойких покрытий на никель-хромовой основе.
Электроконтактное термомеханическое припекание покрытий 220
5.7. Оплавление самофлюсующихся покрытий непрерывным СОг-лазером 236
5.8. Обсуждение результатов. Термокинетические структурные диаграммы 239
Глава 6. Лазерная технология поверхностного упрочнения 249
6.1. Структура углеродистой стали при обработке импульсным лазером 251
6.2. Получение защитных покрытий с применением непрерывного СОг - лазера. Лазерная наплавка быстрорежущей стали. Изготовление режущего инструмента 258
6.3. Выводы 273
Глава 7. Получение композиционных порошковых покрытий 274
7.1. Композиционные износостойкие покрытия на железо-никель-хромовой основе 274
7.2. Упрочнение самофлюсующихся сплавов на никель-хромовой основе карбидом вольфрама 292
7.3. Выводы 301
Глава 8. Анализ методов «конструирования структуры» при комбинированном упрочнении деталей машин. Обсуждение результатов
8.1. Требования к структуре основы и покрытия. Научные
методы получения оптимальных структур 302
8.2. Применение комбинированного упрочнения деталей 319
8.3. Основные выводы 329 Список литературы
- Цель и задачи исследования
- Формирование структуры аустенита при термопластическом воздействии
- Исследование материалов и технологии электродуговой наплавки рабочих поверхностей тяжелонагруженных деталей плавучего черпакового снаряда типа ПЧС - 450
- Структура и свойства самофлюсующегося Ni-Cr-B-Si покрытия после объёмной термообработки
Введение к работе
Актуальность работы. Неуклонной тенденцией развития машиностроения является снижение металлоёмкости деталей узлов и механизмов и повышение их надёжности. Особенно важна эта задача в настоящее время, когда износ основных средств производства и транспорта в России достигает 80 %. Актуальна и задача повышения надёжности вновь создаваемой техники.
Снижения металлоёмкости добиваются упрочнением, деталей и элементов несущих конструкций машин.
Меры обеспечения надёжности определяются условиями эксплуатации машин:
Долговечность деталей, работающих в условиях трения, зависит главным образом от их износостойкости.
Безотказность работы и ремонтопригодность деталей машин: во многом характеризуются трещиностойкостью материала.
Сохраняемость, деталей машин и элементов конструкций обеспечивается антикоррозионной защитой.
С точки зрения структурной теории конструктивной прочности,, разработанной научной школой профессора Л.И.Тушинского, для повышения предела текучести наиболееблагоприятными г моделями, (дислокационными механизмами) являются размельчение зёрен, формирование организованных, дислокационных построений полигонально-ячеистого типа, целесообразно, также упрочнение дисперсными,' фазами. Что касается износостойкости рабочей поверхности, то здесь дислокационные модели упрочнения.твердыми фазами и растворенными в кристаллической.решётке атомами.легирующих элементов выдвигаются на первое место. При этом приходится жертвовать трещиностойкостью. То есть, для обеспечения.всего комплекса предъявляемых сложных и противоречивых требований (имеется в виду износостойкость в сочетании с трещиностойкостью), необходимы материалы с различной структурой основы и поверхности. Получение материалов с твёрдой износостойкой поверхностью и вязкой, трещино— стойкой сердцевиной достигается путём формирования своеобразных, структурных композиций, методами нанесения защитных, и износостойких покрытий на детали, подвергнутые объёмному упрочнению.
При выборе параметров процессов нанесения и обработки покрытий методом проб и ошибок часто возникают большие противоречия. Так усилия многих исследователей и технологов, направленные на. повышение прочности сцепления покрытия с основой, одновременно приводят к снижению трещиностойкости и, следовательно, надёжности деталей. В то же время ограничение! тгпппвпгт» втдрПг
зотшигши-
РОС. НАЦІОНАЛЬНАЯ ] БИБЛИОТЕКА
АЛЬНАЯГ
ЕКА |
нанесении покрытий с целью снижения адгезионной связи и снижения опасности возникновения трещин приводят к их отслаиванию в процессе эксплуатации. В связи с этим «конструирование» структуры композиции «основной металл - переходная зона - износостойкое покрытие» на основе научного анализа всех этапов нанесения покрытий > имеет важное научное и практическое значение.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам в области металлургии (раздел №5 - «Металловедение», 1997 - 1998 гг.); программой Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам в области машиностроения (раздел №8 - «Отделка поверхностей и нанесение покрытий», 1998 - 2000 гг.); программой Министерства образования РФ «Приоритетные направления развития науки в ВУЗах» (подпрограмма «Новые материалы», раздел «Функциональные порошковые материалы»).
Цель работы: разработать комплексный подход к формированию структуры композиции «несущая основа- защитное покрытие», обеспечивающей повышение надёжности деталей машин, и построение на этой базе рациональных схем комбинированного упрочнения. Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:
-
Разработать метод объёмного упрочнения углеродистой стали, обеспечивающий наиболее эффективные дислокационные модели упрочнения: измельчение зерна, создание ячеисто-полигональных субзё-ренных построений и выделение твердых дисперсных фаз;
-
Обосновать требуемые условия нанесения и обработки износостойких металлических покрытий для реализации дислокационных механизмов упрочнения твёрдыми растворами и дисперсными фазами;
-
Определить параметры энергетического,воздействия в процессе нанесения и обработки материалов покрытия для формирования защитных свойств при сохранении или улучшении структуры и свойств материала несущей основы изделий.
-
В зависимости от предназначения и конструктивно-технологических особенностей разработать рекомендации по упрочнению несущей основы деталей машин, а также по применению материалов и методов нанесения защитных и износостойких покрытий для повышения надёжности деталей.
Научная новизна.
1. На основании результатов структурных исследований, с учётом основных положений теории конструктивной прочности, сформулированы требования к структуре композиции «основной металл — износо-стойкое-покрытие» Установлено, что лучшее сочетание показателей
прочности, трещиностойкости и шносостойкости комбинированно упрочнённых деталей машин, инструментов «.элементов конструкций обеспечивается при условии одновременного измельчения зерна, создания субзёренных построений в основном металле, выделения в нём дисперсных карбидов в процессе термопластического упрочнения с квазиперлитным превращением и формирования поверхностного слоя, представляющего собой высоколегированную матрицу с равномерно распределёнными выделениями твёрдых фаз. Показано, что трещиностойкость деталей с износостойкими покрытиями, их контактная выносливость и сопротивление хрупкому выкрашиванию в условиях высокоинтенсивного поверхностного воздействия определяется, главным образом, строением переходной зоны со сглаженным структурным переходом, снижающим пики внутренних напряжений.
2. Впервые проведены прямые исследования структурных преоб
разований в аустените углеродистых сталей, обусловленных горячей пла
стической деформацией. Полученные данные обеспечили научно обосно
ванный выбор схемы термопластической обработки, в результате которой
в измельчённом зерне аустенита создаются дислокационные субзеренные
построения, а при последующем ускоренном охлаждении выделяются
дисперсные карбиды. Для малоуглеродистых сталей экспериментально
установлены температурно-временные и деформационные параметры,
обеспечивающие получение эффективной структуры аустенита и высокий
комплекс механических свойств стали в результате последующего уско
ренного охлаждения.
3. Разработан метод объёмного упрочнения малоуглеродистой
стали регулируемым термопластическим воздействием с последующим
квазиперлитным превращением в условиях ускоренного охлаждения,
обеспечивающий повышенные показатели конструктивной прочности.
4. Для формирования структуры основного металла и износо
стойкого покрытия использован принцип самоорганизации структуры,
приведённой в нестабильное состояние в процессе термопластического
воздействия. Экспериментально определены оптимальные темпера-
турно-временные и силовые параметры энергетического возмущения.
Показано, что для эффективного измельчения зерна аустенита сталь
должна быть деформирована до состояния динамической полигониза-
ции; последующее измельчение зерна происходит за счет статической
рекристаллизации в течение междеформационной паузы. Для получе
ния субструктуры в мелком зерне предлагается в заключительном
проходе выполнять деформацию со степенью, соответствующей горя
чему наклёпу; ячеистая субструктура образуется в течение времени
охлаждения, предшествующего распаду аустенита. Установлено, что
при обработке покрытий для диспергирования твёрдых фаз, имеющих грубое строение, концентрированные тепловые потоки следует регулировать таким образом, чтобы сохранять в жидкой фазе отдельные частицы, являющиеся центрами последующей кристаллизации.
5. Показана целесообразность использования градиента температур, возникающего при нагреве с применением источников энергии высокой концентрации, для регулирования структуры как защитного покрытия, так и переходной зоны, и основного металла детали. Варьируя параметры энергетического воздействия, а также толщину, состав и состояние нанесенных покрытий достигнуто такое распределение температур по сечению, когда в слое покрытия выделяются дисперсные упрочняющие фазы, коагулируют и завариваются поры, происходит релаксация внутренних напряжений с одновременным отпуском предварительно упрочнённой основы. Нанесение покрытий и термическая обработка деталей совмещены в одной операции.
Практическая значимость. Исследование влияния параметров различных видов обработки на распределение температур и формирование структуры покрытий позволило определить состаз износостойких сплавов и технологию комплексного упрочнения различных деталей машин в зависимости от их конструктивно-технологических особенностей и предназначения. Рекомендации по выбору способов комбинированного упрочнения позволяют при проектировании процессов изготовления сменно-запасных частей, а также ремонта и восстановления деталей определить целесообразную совокупность переходов технологических процессов.
При технологической реализации комплексное упрочнение обеспечивает экономическую эффективность, высокий уровень и культуру производства в системе технической эксплуатации машин, снижение вредного воздействия машиностроительного и ремонтного производства на окружающую среду.
Реализация результатов работы. На основании результатов исследований, выводов и рекомендаций, данных в работе, разработаны технологические процессы упрочнения деталей машин металлическими покрытиями, реализованные на водном транспорте и в других отраслях промышленности. В том числе:
- В Новосибирском речном порту методом термоциклической обработки упрочнены цевки механизма поворота плавучего крана КПЛ 5-30, а способом электрошлаковой наплавки с регулируемой подачей электродов восстановлены зубья крупномодульных шестерён цевочного зацепления, которые после упрочнения в 1995 году эксплуатируются по настоящее время. Электродуговой наплавкой восстановлены и
упрочнены поверхности шкивов тормозных барабанов и пальцев грейферов. Ресурс восстановленных деталей составил 120 - 125 % от ресурса новых изделий.
На специализированном участке ремонта судовых деталей плазменной технологией Новосибирской ремонтно-эксплуатационной базы флота с учетом технологических рекомендаций данной работы разработаны и внедрены процессы упрочнения деталей типа валов, цилиндровых втулок, гребных винтов.
На участке ремонта земснарядов Самусьской ремонтно-эксплуатационной базы флота Томской области внедрены технологические процессы восстановления и упрочнения методом электродуговой наплавки и биметаллической облицовки черпаков и черпаковых барабанов плавучих земснарядов ПЧС450. Экономический эффект от внедрения в 1986 году только на одной машине составил 83,9 тысяч рублей.
Методом лазерной наплавки на базе ОАО НИИХИММАШ осуществлена технология изготовления опытной партии инструментов -дисковых деревообрабатывающих пил, штроборезов и пик пневмоин-струмента.
Научные и технологические разработки диссертации легли в основу нового учебного курса «Способы нанесения покрытий и свойства упрочнённых слоев» и издания учебного пособия по курсу «Методы исследований материалов и процессов (структура, свойства и процессы нанесения порошковых покрытий)» с грифом Министерства образования РФ.
На зашиту выносятся:
1. Основные положения комбинированного упрочнения деталей
машин:
дифференцированное формирование структуры объёма деталей (измельчением - зерна, созданием субзёренных дислокационно-ячеистых построений, вьщелением дисперсных карбидов) и рабочей поверхности (в виде твёрдых фаз в легированной матрице);
создание контактной зоны основного металла и защитного покрытия со сглаженным структурным переходом, снижающим пики внутренних напряжений;
одновременное формирование износостойкой структуры материала защитного покрытия и вязкой несущей основы детали воздействием концентрированной энергии.
2. метод регулируемого термопластического упрочнения стали;
3. закономерности формирования, структуры контактной зоны
металлических покрытий при напылении;
-
схема комплексного (объёмного и поверхностного) упрочнения деталей машин в зависимости от условий их эксплуатации и конструктивно-технологических признаков.
-
метод и результаты прямых структурных исследований аусге-нита углеродистой стали при горячей деформации;
Автору принадлежат разработка концепции и постановка задач работы, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обработка, интерпретация и систематизация полученных данных, разработка перспективных путей и результаты практического использования технологических рекомендаций работы.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях, семинарах, совещаниях, симпозиумах: Всесоюзной конференции «Термическое и термомеханическое упрочнение металлов» (МДНТП им. Дзержинского. Москва, 1978 г.). Восьмом и девятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии металлических материалов (Фрунзе, 1978, 1980 г.). Всесоюзном семинаре «Современные проблемы повышения качества металлов» (Донецк, 1978). Зональном совещании «Структура и свойства металлов и методика преподавания технологии материалов» (Новокузнецк, 1984). Совещании - семинаре Сибирского региона «Технология металлов и металловедение» (Улан - Удэ, 1985). Всесоюзной научно-практической конференции «Вопросы преподавания машиноведения и основ производства» (Новокузнецк, 1986). Всесоюзной конференции «Повышение качества металла путём термической и термомеханической обработки» (Днепропетровск, 1988). Объединённом семинаре кафедры "Порошковая металлургия" ТПИ и отдела термодинамических покрытий ИФПМ (Томск, 1989). XI Всесоюзной конференции «Генераторы низкотемпературной плазмы» (ИТФ СО АН СССР Новосибирск, 1989). Международной конференции «Plasmajets in the development of new technology» (Фрунзе, 1990). Конференции Новосибирского государственного аграрного университета «Проблемы науки и производства в условиях аграрной реформы» (Новосибирск, 1993). 46-ой Научно-технической конференции Сибирской государственной геодезической академии (Новосибирск, 1996). Научно-технической конференции Новосиб. гос. академии строительства «Повышение эффективности средств и методов автоматизации строительства» (Новосибирск, 1996). Международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий» (НГТУ, Новосибирск, 1997). Международной конференции «Развитие личности в системе непрерывного образования» (НГПУ, Новосибирск, 1997). Научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта
и транспортного строительства» (НГАПС-НИИЖТ, Новосибирск, 1997). Научно-практической конференции «Технология образования на пороге третьего тысячелетия» (НГПУ, Новосибирск 1999). Ежегодных научно-практических конференциях НИИВТ-НГАВТ, 1985-2004 г). Новосибирских городских научных семинарах по металловедению (Новосибирск, 1976-2004 г).
Публикации. По результатам выполненной диссертационной работы имеется 52 публикации, в том числе две монографии. Список публикаций приводится в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 361 странице, состоит из введения, 8 глав и приложений, содержит 34 таблицы, 146 рисунков и список литературы из 283 наименований.
Цель и задачи исследования
Для успеха комбинированного упрочнения необходимо оптимальное сочетание структуры и свойств материала сердцевины, поверхности и переходной между ними зоны.
С точки зрения структурной теории конструктивной прочности [174] с учетом двух важнейших показателей конструктивной прочности — предела текучести и трещиностоикости, а также температуры вязко-хрупкого перехода (хладноломкости) можно оценить различные дислокационные механизмы упрочнения в применении к промышленным сплавам. Наиболее благоприятными моделями (дислокационными механизмами) являются организованные дислокационные построения полигонально-ячеистого типа, размельчение зерен - активизация барьерного эффекта. В ряде случаев, например для низколегированных конструкционных сталей, суперсплавов, дуралюминов и т. д., целесообразно упрочнение дисперсными фазами (рис. 1.1,а).
Роль субструктур в процессах упрочнения и разрушения на основе синергетического подхода показана в работах В. С. Ивановой, В. Ф. Терентьева и др. В процессе усталостного нагружения стали перед фронтом распространяющейся трещины за счет развития зоны пластической деформации создается целый набор дислокационных субструктур, зависящих от уровня напряжений в каждой точке: диссипативные структуры упрочнения (полигональная или ячеистая дислокационные структуры, формирующиеся при ползучести, усталости и текучести); диссипативные структуры разупрочнения, формирующиеся при сверхпластичности; диссипативные структуры разрушения (полосовые дисклинационные структуры), формирующиеся при различных видах нагружения на стадии вязкого предразрушения. С учётом этого положения, предварительное создание в сплаве диссипативных субструктур упрочнения должно повысить его служебные характеристики (сопротивление усталости, ползучести, хладноломкости и др.).
Эффективность существующих дислокационных моделей повышения предела текучести по отношению к вязкости разрушения неадекватна. Наиболее приемлемыми следует считать модель размельчения зерна или структурных составляющих сплава, модель создания дисперсных упрочняющих фаз или зон и, наконец, модель увеличения числа дислокаций за счет организованных построений ячеисто-полигонального типа или, в общем случае, развития субзеренного строения. При действии этих моделей упрочнения рост предела текучести сопровождается снижением вязкости разрушения не столь активно, как в случае деформационного упрочнения, роста силы Пайерлса — Набарро или твердорастворного упрочнения.
Что касается износостойкости, то здесь, как показали результаты анализа эффективности вклада различных дислокационных механизмов, проведённого Д.Е. Буториным (рис. 1.1,6), на первое место выдвигаются дислокационные модели упрочнения твердыми фазами, дисперсность которых определяется условиями изнашивания деталей.
Технология получения защитных и износостойких покрытий включает: подготовку поверхности основания, формирование на поверхности основы слоя покрытия из исходных материалов заданного химического состава и морфологии и последующую термическую или термомеханическую обработку нанесённого слоя с целью придания ему служебных свойств и создания прочной связи между формирующимся слоем и основанием. Адгезионная прочность при нанесении покрытий обеспечивается за счёт таких процессов, как схватывание, спекание, смачивание и т. д. Для протекания этих процессов кроме термодинамических условий необходима чистота и активирование поверхностей. Очистка поверхности предусматривает удаление органических соединений - жиров, смазки и т.п. и неорганических: плёнок окислов, солей, гидратов и прочих загрязнений. Способы подготовки поверхностей подразделяются на химические, физические, механические и комбинированные - физико-химические, химико-механические, физико-механические. Химические способы очистки поверхности предполагают обезжиривание и травление изделий в органических и неорганических: растворах кислот, щелочей, а также расплавах. К химическим следует отнести также способ очистки отжигом в восстановительной атмосфере. Физические способы очистки основаны на физических явлениях. К механическим способам относятся различные методы снятия поверхностного слоя изделия механическим путём. Комбинированные способы подготовки поверхности включают травление в растворах с наложением ультразвуковых колебаний, отжиг с электроискровым нанесением шероховатости, отжиг с зачисткой щёткой, обработку в барабанах с раствором щёлочи и т.д. Выбор способа очистки определяется видом и характером производства, размерами детали, химическим составом и т. д.
Материалом износостойкого покрытия служат различные по химическому составу сплавы в форме порошков, гранул, проволоки и волокон, пластин и оболочек. Выбор формы исходного материала определяется способом его нанесения и последующей обработкой. Наиболее широко применяются порошки металлов и сплавов.
Формирование структуры аустенита при термопластическом воздействии
Разработанный метод является до сих пор единственной возможностью прямых структурных исследований горячей деформации и других динамических процессов - теплового удара, ускоренного охлаждения и др.
Выявленные при лабораторных исследованиях закономерности формирования структуры горячедеформированной углеродистой стали позволили обоснованно выбрать ; оптимальные режимы прокатки и осуществить регулируемое термопластическое упрочнение вначале на лабораторном, а затем на промышленном прокатных станах.
Прокатку образцов проводили на лабораторном прокатном стане с диаметром валков 200 мм и скоростью прокатки 0,4 м/с,максимальная степень деформации составляла 70%. Образцы непосредственно из валков попадали в бак с различными охлаждающими средами. Скорость охлаждения определяли с помощью контрольных образцов с зачеканенными в них с торца на глубину 15 мм хромель-алюмелиевыми термопарами. Микроструктурные исследования проводили в плоскости, перпендикулярной плоскости прокатки и параллельной направлению прокатки.
В производственных условиях разработанную технологию упрочнения осуществили на линейном стане Трио-4501. Стан предназначен для прокатки средних профилей: квадратного и круглого сечения от 40 до 64 мм, полосы, углового профиля размером до 75x75x8 ГОСТ 8509-72. Упрочнялись образцы проката среднего профиля из стали СтЗпс, предназначенной для изготовления металлоконструкций, работающих в условиях Сибири.
При всех исследованных параметрах горячей деформация в формировании структуры углеродистых сталей отмечены общие закономерности. В начале деформации происходит горячий наклеп, вызывающий резкое увеличение напряжения до некоторого максимума (рисунок 2.2). На поверхности зёрен в начальной стадии деформации появляются четкие прямолинейные линии сдвига (рисунок 2.3, точка 1). При деформации, соответствующей максимальному напряжению течения стали, появляются линии сдвига в пересекающихся плоскостях, что свидетельствует об интенсивном развитии неоднородного скольжения. Наряду с деформацией самих зёрен происходит их взаимное смещение за счёт зернограничного скольжения (рисунок 2.3, точка 2).
Последующее разупрочнение аустенита в процессе деформации связано с динамическим возвратом и рекристаллизацией, происходящими при высоких температурах непосредственно в момент нагружения. Существующие теории рекристаллизации [27,28,30,205,206]связывают её начало с эволюцией возникшей ранее субструктуры. Поэтому считаем, что деформация, предшествующая динамической рекристаллизации, обеспечивает развитую субструктуру. Развитие динамической рекристаллизации сопровождается падением напряжения течения и увеличением удельной протяженности границ зёрен (рисунок 2.2, рисунок 2.3, точка 3). Когда динамическая рекристаллизация охватывает практически весь деформируемый объём (рисунок 2.3, точка 4) напряжение течения и удельная длинна границ зерен устанавливаются на постоянном уровне.
Аустенитная структура углеродистой стали при горячей деформации растяжением при t=950 С, є=6х102 с.1 Последеформационные структурные изменения исследовали при изотермической выдержке. В случае прерывания деформации на стадии умеренного горячего наклепа видимых структурных изменений в интервале изотермических пауз длительностью до 600 с. не происходит. Частичное разупрочнение, наблюдаемое при этом (рисунок 2.4), связано с возвратом. При выдержке стали после горячей деформации со степенью до 10-15%, которая соответствует наибольшему горячему наклепу аустенита5становится возможным развитие вслед за возвратом статической рекристаллизации (рисунок 2.5, б). Наибольшее измельчение аустенитного зерна в результате статической рекристаллизации наблюдалось после максимального деформационного упрочнения (рисунок 2.5, в). Резко увеличивается удельная протяженность границ аустенитных зерен и уменьшается их средний диаметр (рисунок 2.6). В случае прерывания деформации на стадии динамической рекристаллизации (рисунок 2.5, г) зародыши новых зерен образуются уже в процессе деформации. Наличие готовых центров рекристаллизации значительно ускоряет процесс разупрочнения. Происходит быстрый рост отдельных зерен, приводящий к увеличению их среднего диаметра. Такой механизм структурных изменений называется мета-динамической рекристаллизацией [27, 30]. При термопластическом упрочнении развитие метадинамической рекристаллизации может приводить к ухудшению свойств по сравнению с контрольной закалкой.
Исследование материалов и технологии электродуговой наплавки рабочих поверхностей тяжелонагруженных деталей плавучего черпакового снаряда типа ПЧС - 450
Для исследования влияния ДТЦО на свойства стали в результате последующей термической обработки образцы обыкновенной и опытной стали нагревали и выдерживали при температуре от 100 до 1000 С, регулируя время выдержки от 5 минут до 10 часов. Структуру выявляли травлением в нитале на шлифах, приготовленных в плоскости, расположенной перпендикулярно направлению и плоскости прокатки (рисунок 2.18). «. 4»
Влияние ДТЦО на структурные изменения стали при последующем нагреве Установлено, что после обработки при температуре 650 - 800 С перлит приобретает глобулярное строение. Уменьшается не только количество цементитной составляющей в квазиперлите, но и площадь, занимаемая им. Уменьшается травимость границ зёрен феррита. После выдержки при температуре 900 С доля эвтектоидной составляющей в структуре вновь увеличивается, причём она превышает равновесное для стали данного состава количество. В стали, изготовленной по обычной технологии, структура приобретает вид видманштеттовой. Возникновение видманштеттовой структуры связывают с неравновесными условиями фазовых превращений при термическом упрочнении проката [189]. Называют такие структурные составляющие темнотравящимися или промежуточными между продуктами распада аустенита по механизму диффузионного и сдвигового превращения. В данной работе, однако, охлаждение после высокотемпературной обработки производили вместе с печью. Это исключает неравновесные условия распада аустенита. В работе [26] склонность к образованию видманштеттовой структуры связывают с наличием водорода в стали. Особенности структурных изменений стали, обработанной ДТЦО, при термическом воздействии, в частности уменьшение количества перлитной составляющей, отсутствие видманштеттовой структуры, позволяют прогнозировать улучшение некоторых технологических и эксплуатационных свойств.
Для исследования влияния ДТЦО на строение зоны термического влияния ЗТВ при сварке образцы опытной и контрольной стали сваривали между собой стыковым соединением. Выполняли односторонний и двусторонний шов ручной электродуговой сваркой без разделки кромок электродом ОЗС-12 типа Э-46А, диаметром 4 мм, при напряжении 34 В и токе 180 А. При этом, очевидно, термическое влияние на каждый из свариваемых образцов было одинаковым. Структура ЗТВ в корне одностороннего шва и на участке сплавления валика сварного шва с основным металлом отличается меньшим количеством темнотравящеися составляющей и меньшим по размеру зерном (рисунок 2.19).
На поперечных шлифах образцов стыкового двустороннего соединения исследовали изменение микротвёрдости участков сплавления и зон термического влияния сваренных образцов. График изменения микротвёрдости представлен на рисунке 2.20. Для малоуглеродистой стали изменение твёрдости вследствие воздействия термического цикла сварки невелико, однако, из приведённых микрофотографий и графика изменения микротвёрдости ясно видно, что структура и свойства в ЗТВ более однородны, а размер характерных участков меньше в стали, изготовленной с применением ДТЦО.
Испытания свариваемости опытной стали, обработанной методом ДТЦО, проведённые ЦЗЛ Новокузнецкого завода резервуарных металлических конструкций, подтвердили высокие свойства сварных соединений. Рентгеновский контроль сварных соединений допустимых дефектов не обнаружил, а механические испытания показали увеличение их прочности и надёжности по сравнению со сварными соединениями, полученными при сварке контрольной стали (таблица 2.12).
Механические свойства сварных соединений. Данные испытаний на Новокузнецком заводе резервуарных металлических конструкций [25,163]
Факторы, обеспечивающие хорошую свариваемость: уменьшение количества квазиперлитной составляющей в ЗТВ, отсутствие видманштеттовой структуры, меньший размер ЗТВ ответственны и за стойкость стали против воздействия агрессивных сред. Определение механических свойств образцов сварных соединений после воздействия агрессивных сред проводилось согласно ГОСТ 6996 - 66 и ГОСТ 1497 - 87.
Структура и свойства самофлюсующегося Ni-Cr-B-Si покрытия после объёмной термообработки
Структурные аспекты взаимодействия микрокапель, соударяющихся с твёрдой относительно холодной основой, изучались на учебно-исследовательском диагностическом комплексе в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Комплекс предназначен для изучения процессов сверхбыстрой закалки из жидкого состояния [146, 249-250]. О.П.Солоненко с сотрудниками был выполнен цикл исследований, позволивший осуществить экспериментально-теоретическое доказательство одновременности протекания процессов деформации и затвердевания капель металлических расплавов при их соударении с подложками в широком диапазоне режимных параметров [147, 247]. В зависимости от соотношения теплофизических характеристик: температуры Тк, устанавливающейся в контакте, и температурами Тпч и Тпо плавления материалов напыляемых частиц и основы установлены четыре основных варианта развития процессов на границе между частицей и основой: 1. Растекание и одновременное затвердевание частицы на твердой подложке и последующее охлаждение системы «частица покрытия - основа» (Тпч Тк Тпо). 2. Растекание, затвердевание частицы и одновременное подплавление основы с последующим затвердеванием подплавленного слоя и охлаждением системы «частица покрытия - подложка» (Тпч Тк Тпо) 3. Полное растекание капли на твердой основе, последующее охлаждение и затвердевание жидкого слоя с одновременным его сворачиванием под действием силы поверхностного натяжения (Тпч Тк Тпо) 4. Полное растекание капли с одновременным подплавлением основы в пятне ее контакта с частицей, последующее охлаждение и затвердевание растекшейся капли с возможным продолжением процесса подплавления подложки, завершающееся остыванием и кристаллизацией системы «частица покрытия - подложка» (Тпч Тк Тпо).
В случаях, когда процесс охлаждения и кристаллизации растекающейся капли осуществляется достаточно интенсивно, нарушается стабильное растекание расплава. Интенсивные фазовые переходы приводят к появленшо препятствий, которые вызывают локальные ускорения и торможения потока. Кристаллическая фаза в охлаждающейся частице становится причиной потери стабильности течения расплава и появления случайных радиальных выбросов, именуемых «пальцами», быстро затвердевающих вследствие их малой толщины (рисунок 4.28).
Вид осевших при газотермическом напылении на основу частиц -сплэтов в зависимости от термокинетических параметров бывает весьма разнообразным [147]. Однако судя по виду контактной поверхности механизм растекания частиц по поверхности основы во всех случаях имеет общие закономерности. Структура охлаждающейся частицы формируется послойно.
Схема формирования структуры частицы в процессе газотермического напыления при её расгекании с одновременным затвердеванием на основе и фотография поверхности контакта частицы алюминия, оторванной от основы из нержавеющей стали
Каждый последующий слой растекается по поверхности предыдущих затвердевших тонких слоев, имеющих неоднородную толщину. Понижение температуры остывающей частицы сопровождается снижением жидкотекучести. Всё это приводит к появлению макропористости, нарушению идеальности контакта и формированию рыхлой структуры границ с низкой адгезией. Процесс радиального растекания расплава в целом становится сильно заторможенным. Очередные слои расплава как бы нагромождаются и одновременно затвердевают на предыдущих слоях. Поверхность контакта, полученная в результате такого процесса взаимодействия частицы с основой, представляет собой две характерные зоны. В центре контактной поверхности располагается зона сплошного контакта, образованная в период упругой деформации жидкой частицы, предшествующий её растеканию. Вокруг зоны сплошного контакта расположены концентрические кольцевые участки контакта. Они возникают при растекании частицы в условиях одновременной кристаллизации с понижением жидкотекучести и возникновением порогов из образующихся кристаллов. На рисунке 4.29 приведены фотографии частицы никеля, напылённой на основу из кварцевого стекла при температуре частицы 2100 - 2200 К. Прозрачная основа позволила сфотографировать частицу как со стороны внешней поверхности, так и со стороны основы без отделения частицы. Это позволило оценить фактическую площадь контактной поверхности частицы, которая при виде со стороны основы представляется рефлексами. Деформированные и оплавленные при ударе расплавленных частиц участки поверхности кварцевого стекла не отражают свет и выглядят тёмными. Тёмное пятно на снимках рядом с закрепившейся на основе частицей (сплэтом)- каверна на месте оторвавшейся соседней частицы.
Вид поверхности контакта, в частности концентрические контактные зоны, расположенные вокруг пятна сплошного контакта, показывает, что закономерности формирования сплэтов, изученные на относительно крупных частицах распространяются и на мелкие, имеющие место в реальных технологических процессах частицы.
