Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ известных технологий повышения качества режущего инструмента путем воздействия на структуру материала 8
1.1. Влияние физико-механических свойств
инструментальных сталей на качество инструмента 8
1.2. Изменение физико-механических свойств стали под воздействием магнитного поля 12
1.3. Термомагнитная обработка 22
1.4. Циркуляционное намагничивание 26
1.5. Влияние магнитной обработки на износ режущего инструмента 30
1.6. Оборудование для магнитной упрочняющей обработки 33
1.7. Повышение эксплуатационных свойств стали высокоэнергетическим воздействием 36
1.7.1. Упрочнение ударными волнами 37
1.7.2. Использование теплового удара «холодом» 41
1.7.3. Применение лазеров для повышения качества 42 инструмента %
1.7.4. Ультразвуковая обработка закаленной быстрорежущей стали 49
1.8. Выводы и постановка задач исследований 56
Глава 2. Методики экспериментальных исследований 59
2.1. Исследуемые материалы 59
2.2. Методики исследований 62
2.2.1. Выбор факторов подлежащих исследованию 62
2.2.2. Измерение твердости 63
2.2.3. Изучение структурных изменений в металле инструмента после магнитной обработки 64
2.2.4. Испытания на прочность 64
2.2.5. Исследование структуры ультразвуковым методом 66
2.2.6. Испытание инструмента на износостойкость при продольном намагничивании , 68
2.2.7. Испытания инструмента при циркулярном намагничивании 69
2.3. Разработка экспериментального оборудования для магнитной обработки 70
2.3.1. Устройство для продольного намагничивания 70
2.3.2. Устройство для циркулярного намагничивания 71
Глава 3. Влияние магнитного воздействия на физико- механиче ские и эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей 75
3.1. Выбор параметров поля для магнитной обработки 75
3.2. Исследование изменений твердости после магнитной обработки, продольное намагничивание 78
3.2.1. Изменение твердости поверхности образцов при локальной магнитной обработке 78
3.2.2. Изменение твердости образцов по времени после магнитной обработки при различных вариантах намагничивания 80
3.3. Исследование микроструктуры образцов после магнитной обработки 82
3.4. Магнитная обработка циркулярным намагничиванием 85
3.5. Испытания на износостойкость режущего инструмента 91
3.6. Исследование теплостойкости после магнитной обработки... 95
3.7. Испытания на прочность 97
Глава 4. Связь магнитного воздействия с дислокационным механизмом упрочнения 100
4.1. Взаимосвязь скорости ультразвука и структуры стали 100
4.2. Влияние дислокаций на скорость ультразвука 103
4.3. Исследование изменений скорости ультразвука после магнитной обработки 104
4.4. Синергетический подход к проблеме упрочнения быстрорежущей стали в процессе магнитной обработки Ю8
4.4.1. Субструктурные дислокационные построения 108
4.4.2. Механизм самоорганизации структуры быстрорежущей стали после магнитной обработки 112
Глава 5. Внедрение результатов исследований в производство 120
5.1. Разработка оборудования для магнитной обработки в цехах механообработки 120
5.2. Разработка оборудования для магнитной обработки в инструментальном производстве, отработка режимов работы 128
5.2.1. Проведение экспериментальных работ и выбор режимов магнитной обработки инструмента 128
5.2.2. Разработка установки магнитного упрочнения «Волна» 130
5.2.3. Отработка режимов упрочнения инструмента на установке «Волна» 136
5.3. Разработка опытной установки для циркулярного намагничивания 137
5.4. Производственные испытания на износостойкость режущего инструмента 140
5.5. Комплексное упрочнение режущего инструмента 143
5.6. Разработка и внедрение технологии магнитного упрочнения инструмента на предприятии 146
Основные результаты и выводы 148
Библиографический список 150
Приложение 167
- Изменение физико-механических свойств стали под воздействием магнитного поля
- Изучение структурных изменений в металле инструмента после магнитной обработки
- Исследование изменений твердости после магнитной обработки, продольное намагничивание
- Влияние дислокаций на скорость ультразвука
Введение к работе
Повышение качества современной техники и производительности механической обработки в значительной мере зависит от износостойкости режущего инструмента. Обеспечение стабильности режущих свойств инструмента особенно важно в условиях интенсивного нагружения при высокоскоростных методах обработки на станках с программным управлением. Опыт механообработки показывает, что работоспособность инструмента определяется физико-механическими свойствами инструментального материала, которые в свою очередь в значительной мере зависят от состояния тонкой структуры. Особый интерес для машиностроения представляет проблема обеспечения стабильности качества инструмента из быстрорежущих сталей, как наиболее широко применяющихся при металлообработке и имеющих значительный разброс физико-механических свойств, в зависимости от точности выполнения технологического режима изготовления. Основной задачей материаловедения является поиск и направленное создание структурных состояний, обеспечивающих высокий уровень показателей работоспособности режущего инструмента — износостойкости, теплостойкости, долговечности. В условиях современного производства необходимо использовать все ресурсы инструментального материала, добиться стабильности проявления повышенных физико-механических свойств. В этой связи необходимы методы обработки, воздействующие как на поверхность, так и на внутреннюю структуру и субструктуру материала. Одним из таких методов является обработка инструмента магнитным полем (МП).
Преимуществами магнитного воздействия перед другими способами повышения стойкости режущего инструмента являются: малая энергоемкость, простота оборудования и исполнения, отсутствие негативного воздействия, универсальность применения для различных инструментальных материалов и эффективность. Эти данные подтверждаются многочисленными исследованиями и производственным опытом.
Несмотря на известность способа магнитной обработки и ее сравнительную эффективность, широкого применения она не получила. Основными причинами являются: недостаточная изученность метода, отсутствие эффективного оборудования и объективных методов контроля. В этой связи решение этих проблем является важной научно-практической задачей.
Цель работы. Повышение эксплуатационных свойств инструмента из быстрорежущих сталей магнитной обработкой (МО) за счет совершенствования способа, разработки и внедрения оборудования на базе теоретических и экспериментальных исследований. Научная новизна.
- Впервые теоретически обоснован и экспериментально подтвержден процесс дисперсионного твердения во всем объеме металла при локальном магнитном воздействии.
- Разработан новый процесс упрочнения инструмента циркуляционным намагничиванием импульсным электрическим током.
- Разработан и экспериментально подтвержден процесс комплексного упрочнения инструмента, совмещающий магнитную обработку с эпиламиро-ванием.
- Разработаны новые способы и оригинальное оборудование для магнитной обработки в соответствии с типом производства.
- Разработана синергетическая модель дисперсионного твердения быстрорежущей стали под действием МП.
- Научная новизна подтверждена тремя авторскими свидетельствами СССР, двумя патентами РФ на изобретения, полученными на конкретные решения научного и прикладного характера.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследований изменения физико-механических свойств быстрорежущих сталей при продольном намагничивании постоянным маг 4 нитным полем, циркуляционном намагничивании импульсным током;
- результаты исследований влияния локального намагничивания отдельного участка на изменение физико-механических свойств по всему объему образца;
- установление связи изменения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука с параметрами, характеризующими состояние материала при локальном и полном намагничивании образца;
- результаты сравнительных испытаний на износостойкость режущего инструмента, изготовленного традиционным способом и с применением магнитной обработки.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработано и изготовлено оборудование для магнитной обработки инструмента;
- разработаны технологические процессы упрочнения магнитной обработкой;
- разработаны и утверждены в НИАТ технические рекомендации магнитного упрочнения инструмента для предприятий различного типа организации производства;
- созданы производственные участки упрочнения инструмента в цехах изготовления и переточки инструмента на ОАО «КнААПО». Разработанная технология и оборудование внедрены на ряде предприятий. Суммарный экономический эффект от внедрения на ОАО «КнААПО» составил более 2000 тыс. руб.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физической обоснованностью применяемых методов современного материаловедения; достаточным объемом экспериментального материала и сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, практическим использованием в производстве.
Апробация работы. Результаты исследований и практического использования докладывались на следующих международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях: Всесоюзном научно-техническом семинаре «Магнитная обработка режущего инструмента и перспективы дальнейшего развития этого метода» Москва, ВДНХ СССР, 1978, 1979 г.г.; научно-технических конференциях Комсомольского-на-Амуре политехнического института в 1978 - 1982 г.г.; Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии», г. Красноярск 2001 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2001 г.; Межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии» г. Хабаровск, 2001 г.; Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», г. Феодосия, 2001 г.; VI Sine-Russian international symposium on new materials and technologies "New materials and technologies in 21st century" Beijing, China, 2001 г.; I Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», г. Москва, 2002 г.; XIV Петербургских чтениях по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2003 г.; VII Russian-Chinese symposium "New materials and technologies" Agoy, Krasnodar, 2003 г.; Дальневосточный инновационный форум 2003 «Роль науки новой техники и технологий в экономическом развитии регионов», г. Хабаровск, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, из них 5 изобретений.
Изменение физико-механических свойств стали под воздействием магнитного поля
Влияние магнитного поля на физико-механические свойства металлов известно давно. В 1929 году Герберт сообщил об обнаруженном им эффекте повышения твердости при старении сталей в магнитном поле [12,13]. Автор проводил исследования с быстрорежущей сталью типа Р18, углеродистой и малолегированной сталью с 0,7 - 0,8%, а также с неферромагнитными материалами - алюминием и латунью. Материал предварительно наклёпывался дробеструйной обработкой или подвергался волочению. Магнитное поле накладывалось во время старения при комнатной температуре или, что оказа лось более эффективным, при 100С. Как указывается в работе, образец зажимался между полосами магнита, создающего в зазоре 3 мм индукцию 0,6 - 2,7 тл (6000 - 27000 гс) при напряженности поля 120 кА/м (1500 э). Образец поворачивался от 1 до 400 раз на 90 С и размагничивался постукиванием по одной из сторон после каждого поворота. У всех материалов было получено повышение твердости. Твердость измерялась маятниковым способом по Герберту. В 1932 году Матуяма [14] предпринял попытку повторить опыты Герберта по магнитному твердению для армко - железа, стали с 0,6 - 0,7% С и алюминия. Измерением твердости по Виккерсу не удалось обнаружить указанных изменений. Поэтому Матуяма предположил, что магнитное поле влияет на сам маятник.
Харрингтон [15] также не получил изменения твердости быстрорежу щей стали после магнитной обработки. Он предположил, что причи ной повышения твердости в опытах Герберта был наклеп от маятника. А.В. Алексеев [16,17], продолжая опыты Герберта, проводил магнитную обработку инструмента из быстрорежущей стали. Он обрабатывал в магнитном поле до 2 тл (20000 гс) сталь после закалки и 1 - 3 кратного отпуска при 500С и получал прирост твердости до 67 HRC, который сохранялся и после размагничивания образцов. Алексеев обнаружил, что после закалки и отпуска твердость колеблется в течение некоторого времени и стабилизируется только через несколько часов. Отмечалось также повышение коррозионной стойкости, определенное по времени травимости в 5% - ой азотной кислоте (3 мин вместо 0,15). Для обработки закаленной и отпущенной стали Р18 он рекомендовал следующую методику: а) выдержка в магнитном поле при комнатной температуре в течение 1,5-2 мин при одном полном обороте изделия; б) через 5-10 часов после указанной обработки - нагрев изделия до 100С в кипящей воде и выдержка от 40 до 60 мин. Затем воздействие маг нитным потоком в течение 1,5-2 мин при одном полном обороте; в) непосредственно после воздействия магнитного поля выдержка в кипящей воде около 1 час.
А.П. Гуляев писал [18], что проверка не подтвердила результатов опыта А.В. Алексеева. В его опытах твердость быстрорежущей стали не менялась в результате воздействия магнитного поля.
В дальнейшем работы по магнитной обработке стали были возобновлены в 50 - годах в ГДР [19]. Магнитную обработку производили во время и после термической обработки.
Эрдман - Еснитцер изучал влияние постоянного и вращающегося переменного магнитного поля на твердость стали после отжига и закалки.
Автор намагничивал образцы при комнатной температуре после отжига и не обнаружил изменений твердости. Он попытался получить какой - либо положительный результат посредством непрерывного изменения намагниченности во вращающемся поле.
После нагрева на 800С образец подвергали вращению с помощью электродвигателя при включенном и выключенном поле, создаваемом электромагнитом переменного тока (50 щ и 0,46 тл = 4600 гс). Образец при этом охлаждали на воздухе или в воде. Изменений механических свойств не наблюдалось. И.П. Бернштейн считает, что причина отрицательного результата опытов Эрдмана - Еснитцера и Матуямы кроится в самой постановке опытов [20].
В конце шестидесятых начале семидесятых годов были получены удовлетворительные результаты в повышении износостойкости магнитной обработкой. В различных организациях проводятся исследования явлений, сопутствующих магнитной обработке. В 1979 году на ВДНХ СССР состоялся первый всесоюзный семинар по магнитной обработке режущего инструмента [21]. В 1980 состоялся второй семинар. В его работе приняли участие представители 29 институтов и 40 предприятий страны. Были представлены доклады по исследованию физических основ магнитной обработки и его практическому применению на предприятиях. Исходя из докладов и публикаций [22,23], магнитная обработка инструмента применяется на многих предприятиях различных отраслей. Износостойкость инструмента повышается в 1,5 — 3,0 раза.
В более поздних работах Садовским В.Д. и другими [24,26] установлено, что магнитная обработка импульсным полем при температуре жидкого азота вызывает интенсивное превращение аустенита в мартенсит. Ими же было установлено, что для этих превращений необходимо поле не ниже критической величины и сделано предположение, что появление мартенситнои фазы в магнитном поле вызвано магнитострикционными напряжениями, возникающими при намагничивании, и напряжениями от объемной магнитост-рикции паропроцесса в сильных магнитных полях.
Постниковым С.Н. была предложена гипотеза о магнитострикционном и магнитодисперсионном характере упрочнения [27,28]. Согласно этой теории металл инструмента обладает внутренним упругим полем, обусловленным реальной дислокационной структурой. С наложением магнитного поля происходит взаимодействие собственного упругого поля с полем, вызванным магнитострикционной деформацией. Вследствие этого в отдельных местах материала возникают локальные перенапряжения, которые приводят к изменению структуры. Эта теория подтверждается рядом работ [29,30].
Изучение структурных изменений в металле инструмента после магнитной обработки
Структурные исследования проводили с использованием методов металлографического анализа (микроскопы «Neophot-2», «Neophot-21» электронный микроскоп JSM5600) при увеличении не менее х500 раз. Анализ производили по следующей схеме: 1. Подготовленная для анализа поверхность образца фотографировалась. 2. Производилось намагничивание образцов в магнитном поле напряженностью Н 6000...8000 А/м 2...8 с. по всей длине образца и 30 % длины образца. 3. Затем эта же поверхность вновь фотографировалась непосредственно после обработки, через 1,12,24, 36,48,144 часа. Образцы изготавливаются из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5 и для сравнения из стали 20. При обнаружении видимых структурных изменений продолжали анализ. 4. В образцах, обработанных по п. 2, делали микрошлифы сечений, определяли толщину слоя изменений в металле. 5. Пункты 1, 3, 4 повторяли для образцов обработанным циркуляционным намагничиванием. Испытания на прочность проводились по стандартным методикам, а также с использованием метода акустической эмиссии (АЭ) с использованием аппаратно-программного комплекса «АКЕМ» [163]. Эксперименты проводились на образцах из сталей Р18 и Р6М5. Образцы нагружались растяжением на универсальной установке АЛА ТОО ИМАШ 20-75. Нагружение формации регистрировались на штатном устройстве установки. Параллельно с записью кривой деформации велась регистрация сигналов АЭ на компьютерном комплексе. При этом широкополосный датчик АЭ (с полосой пропускания 0,2...1 МГц) был установлен на площадке специально разработанных захватов в непосредственной близости от зоны деформации. Обобщенная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.1.
Образец крепится в захватах нагружающего устройства установки через тензобалку. Величина силовой нагрузки после преобразования тензодатчиком записывается по координате Y самопишущего потенциометра. Величина перемещения правого захвата отслеживается упругим элементом, на котором укреплен тензопреобразователь. Величина перемещения записывается по координате X самопишущего потенциометра. Акустический датчик устанавливается на площадке специального захвата. Усиление электрических сигналов АЭ осуществляется согласованным предварительным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления и порогом дискриминации. В усилителе имеется система фильтров и выделения огибающей регистрируемых электрических сигналов АЭ. Питается усилитель от автономного блока питания. Аналоговый сигнал огибающей сигналов АЭ поступает на стандартный аналого-цифровой преобразователь типа L-154. Далее цифровая информация записывается на винчестер персональной ЭВМ на физическом уровне. Дальнейшее формирование файлов информации, их обработка, анализ и вывод необходимых параметров АЭ на дисплей компьютера обеспечивается оригинальным программным комплексом. Результаты испытания обрабатывались по пяти основным акустическим параметрам, которые позволяют в полной мере сформировать акустический образ исследуемого процесса. К этим параметрам относятся: пиковая амплитуда сигналов (А,В), скорость счета (ин тенсивность N имп./с), суммарный счет (SJV, имп.), суммарная энергия (ЕЕ, мВ -с), параметр (Кр) выделения сигналов от трещин на фоне общего потока АЭ информации.
Изменения микроструктуры, а также дислокационной структуры исследовались методом ультразвуковой акустики. Замерялись скорость распространения упругих колебаний и затухание упругих колебаний. Исследования коэффициента затухания несут информацию о дислокационной структуре металла, взаимодействии дислокаций с различными барьерами их закрепления.
Измерения скорости ультразвука широко используются для прецизионного измерения модулей упругости твердых тел и связанными с ними физическими характеристиками.
Сопоставлением скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука оценивалось изменение количества дислокаций. Для этой цели изготовлена экспериментальная установка (рис. 2.2.).
Исследование изменений твердости после магнитной обработки, продольное намагничивание
Эффективность выбранных режимов магнитной обработки можно определить только опытным путем. Одним из чувствительных методов определения изменений состояния материала является измерение твердости [164].
Определение изменений твердости, происходящих в металле после магнитной обработки, производились на образцах из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5, Р6М5К5, термообработанных с трехкратным отпуском до твердости 60...65 HRC.
Образцы были выполнены в виде прямоугольной пластины длиной 100 мм., сечением 6x20 мм., с шлифованными поверхностями.
Обработка производилась в магнитном поле напряженностью 6-105А/м., 8-105А/м, 10-105А/м. Образцы обрабатывались 30% длины, на всю длину, с остаточной намагниченностью «S» полярности, с остаточной намагниченностью «N» полярности, в режиме намагничивание-размагничивание. Продолжительность обработки намагничиванием устанавливалась от 2 до 15с. На каждый режим устанавливалась партия 5-10 образцов.
При анализе технической литературы по магнитной обработке и другим методам высокоэнергетического воздействия на детали с метастабиль-ным строением возникла гипотеза, что при локальном воздействии на часть образца изменения произойдут по всему объему. Для ее проверки на образцах были намагничены участки около 30% длины. В десяти равноотстоящих местах по длине образца производились замеры твердости на приборе ТК-2. Замеры производились перед обработкой, через 4 часа и 72 часа после магнитной обработки. По результатам измерений построены графики распреде ления твердости по длине образца см. рис. 3.1. Каждая точка значений твердости является средним 5 замеров. В результате выявлено, что после магнитного воздействия постоянного магнитного поля наблюдалось повышение твердости на 1...3 единицы HRCa по всей поверхности образца, независимо от того находилась ли эта часть образца в магнитном поле или нет.
На границе перехода намагниченной части образца в ненамагничен-ную, т.е. в переходной зоне, наблюдается незначительное повышение твердости, а на остальной части образца, а так же на образцах намагниченных по всей длине аномалии распределения твердости не обнаружено. Повышение твердости в граничной области объясняется напряжениями, возникшими в междоменной области, при переходе от направленного к спонтанному магнитному состоянию.
При сравнении образцов полностью намагниченных и намагниченных частично, а также размагниченных сразу же после намагничивания сущест венных отличий не обнаружено. На всех образцах отмечено повышение твердости на 1...3 единицы HRC.
В результате исследований установлено, что повышение твердости происходит не сразу после обработки, а через некоторое время начинает монотонно повышаться до определенного предела. На рис. 3.3. изображены графики изменения твердости по времени после магнитной обработки. Наблюдения проводились до 144 часов, через каждые 24 часа. Весь процесс условно можно разбить на 3 стадии.
Первая стадия - до 6 часов, а в на некоторых образцах до 12 часов не выявлено никакого существенного повышения твердости. Это означает, что выявленное повышение твердости не является результатом механического наклепа, а результат дислокационных преобразований. Затем до 72 часов происходит постоянное повышение твердости. Повышение твердости объясняется вновь возобновившимся процессом дисперсионного твердения - переходом остаточного аустенита в мартенсит и выделением дисперсных карбидов.
На второй стадии с 72 до 120 часов наблюдается незначительное снижение твердости. Это снижение можно объяснить сопровождающей процесс дисперсного твердения коагуляцией (другой термин - коалесценцией). Соединением дисперсных карбидов в более крупные.
Затем, на третьей стадии, процесс естественного старения завершается. Все процессы происходящие в металле стабилизируются. Эту стадию можно назвать - стабилизация.
Для исследования влияния продолжительности намагничивания и напряженности магнитного поля на изменения твердости образцы магнитили в течение 2, 4, 10, 15с. При напряженности (Н) поля в зазоре инструмент магнитопровод 6-Ю5 А/м, 8-Ю5 А/м, 10-Ю5 А/м. Например, на графиках, рис. 3.3., изображены кривые со следующей обработкой: 1- в течение 2с, Н-6-105 А/м; 2-10с, Н-10-105 А/м; 3-15с, Н-10105 А/м.
Анализ результатов показал, что для обработки достаточно намагничивания в течении 2с. при напряженности поля 6-Ю5 А/м. Дальнейшее увеличение затрат времени и энергии не приводит к ощутимым изменениям твердости. Кроме того выявлено, что полярность намагничивания, как состояние намагниченности, также не оказывает влияния на повышение твердости.
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что на изменение свойств закаленной быстрорежущей стали магнитной обработкой оказывает влияние не состояние намагниченности, а связанные с ней процессы, из которых магнитострикция является наиболее дееспособной.
Влияние дислокаций на скорость ультразвука
Влияние дислокаций на скорость распространения ультразвука хорошо описана в работах [175, 176]. Их влияние не является однозначным, поэтому необходимо изменение скоростных характеристик рассматривать как итог происходящих в металле явлений. Коэффициент затухания а, находится в прямой зависимости от состояния дислокаций. При закреплении дислокаций происходит уменьшение коэффициента а, а при отрыве дислокаций происходит рост а. При исследовании а следует учитывать, что на него также как и на скорость влияют не только дислокации, а также дефекты строения структуры.
Эффект дислокационного закрепления обычно сказывается в уменьшении дислокационного затухания и увеличении скорости распространения ультразвука. Однако, при определенных условиях скорость ультразвука может возрастать при закреплении дислокаций, или увеличении длины петель. Этот эффект был назван аномальным [176]. Этот эффект проявляется при малых деформациях, к каким можно отнести магнитострикцию. Необходимыми условиями проявления аномального эффекта скорости являются низкая резонансная частота (т.е. большие длины петель) и высокая чувствительность измерений скорости (10"4). Облучение или возврат после деформации должны приводить к закреплению дислокаций, с другой стороны деформация приводит к увеличению длин петель очень малых деформаций.
Следует заметить, что при больших (в данном случае не рассматривается) деформациях, когда плотность дислокаций становится значительной, обнаруживается нормальное уменьшение скорости, так как дислокационные петли становятся более короткими.
По данным [175] при старении происходит закрепление дислокаций и растет их плотность. Возникновение и рост гелиноидных дислокаций, а также появление дислокационных петель в процессе старения уменьшают искажения кристаллической решетки. При этом увеличивается плотность дислокаций и образуются зоны Гинье - Престона, которые имеют вид игл. Они уменьшают искажения кристаллической решетки, вызванные повышенной концентрацией легирующих элементов в пресыщенных твердых растворах.
Изменения в структуре металла также исследовались методом ультразвуковой акустики. Исследования коэффициента затухания сигнала и амплитуды колебаний несут информацию о дислокационной структуре металла, взаимодействии дислокаций с элементами и дефектами структуры.
Исследования проводились на образцах из стали Р18 0 2мм, длиной 80мм и спаянных со стержнем из стали 20 того же диаметра. На образцах делалась кольцевая проточка. Участок от торца до проточки являлся мерной базой для измерений. Измерения скорости и коэффициента поглощения звука производились импульсным методом, на опытном устройстве, изображенном на рис. 2.2 с помощью генератора типа Г5-54 и задающего генератора радиоимпульсов. Ультразвуковые импульсы вводились в образец. Сигналы принимались осциллографом через широкополосный усилитель. Измерение времени между импульсами и амплитудой импульсов производилось при помощи измерительных систем самого осциллографа.
Испытывались два варианта магнитной обработки: 1 - образец намагничивался по всей длине; 2 - намагничивалось 25...30% длины. На рис. 4.1. изображены графики относительного изменения скорости, на рис. 4.2. графики относительного изменения коэффициента затухания. Исследования выявили изменение коэффициента затухания а, скорости звука v, в течение 36 часов после магнитной обработки в обоих вариантах намагничивания на одинаковый числовой порядок. Это значит, что в обоих случаях происходят одинаковые структурные изменения по всему объему образца. Но характер изменений величины v в обоих случаях разный. В образцах, прошедших полное намагничивание, скорость звука возрастает постепенно, с перерывом с 8 до 12 часов. А в образцах с частичным намагничиванием скорость сначала уменьшается до 8 часов. После 8 часов скорость начинает увеличиваться и возрастает пропорционально времени выдержки. Если сравнивать прирост скорости с приростом твердости по времени, то можно отметить примерно одинаковый характер повышения и процент увеличения. Повышение твердости также наблюдалось после 12 часов и продолжалось до 24...36 часов. Следовательно повышение скорости ультразвука является следствием структурных изменений и повышения твердости. Аналогичные выводы сделаны в работе [175] Муравьевым В.В..
Для коэффициента затухания а в обоих случаях наблюдаем уменьшение величины с возвратом к 36 часам. Причем характер кривых совершенно различен. Так как а отображает информацию о дислокациях, значит при разных способах намагничивания движение и закрепление дислокации происходит по разному.
Образец с намагничиванием по всей длине. До 8 часов изменений а в основном не наблюдается (на отдельных образцах незначительное (0,01%) повышение). С 8 часов до 12 понижение а на 1,17%. Затем наблюдается повышение значение коэффициента затухания с точкой перегиба кривой в 24 часа, до 36 часов. К 36 часам а приходит в первоначальное положение. То есть дислокационная структура приходит в завершенное состояние.
Образец с намагничиванием 30% длины. До 8 часов наблюдается резкое уменьшение коэффициента затухания а и такой же резкий подъем с 8 до 12 часов. Затем происходит более плавное уменьшение а с пиком в 24 часа, и такой же интенсивности подъемом до исходного состояния в области 36 часов.
Таким образом подвижность дислокаций возбужденных магнитной обработкой заканчивается примерно через 36 часов.
Изменение скорости ультразвука и с ней коэффициента затухания следует связывать с процессами происходящими при дисперсном твердении.
При дисперсном твердении происходят следующие процессы: переход остаточного аустенита в мартенсит, выделение дисперсных карбидов, коагуляция карбидов. Каждое из явлений по-своему влияет на v и а. Так переход остаточного аустенита в мартенсит увеличивает v и увеличивает а. Выделение дисперсных карбидов - уменьшает v. Увеличение размера карбидов -увеличивает скорость. Уменьшение содержания углерода - увеличивает скорость. Скорость ультразвука увеличивается с увеличением твердости, предела прочности.
Основное влияние на скорость звука играют напряжения. При неравновесной структуре после жесткой термообработки скорость ультразвука в сплаве минимальная: процессы уравновешивания структуры — отпуск, старение и др., ведут к монотонному увеличению скорости, а в случае равновесной структуры - скорость максимальна. Это явление хорошо просматривается на графике.
Особенности графиков изменения коэффициента затухания связано с различиями в намагничивании образцов и связанными с ними движениями дислокаций.
Образец с полным намагничиванием. До 8 часов в равной мере происходит закрепление и раскрепление дислокаций. Большое влияние в этот мо мент оказывает релаксация напряжений после магнитострикции. С 8 до 12 часов преобладает закрепление дислокаций вызванное напряжениями, возникающими от разности объемов аустенитной и мартенситной фазы при мартенситом переходе остаточного аустенита. При закреплении дислокаций происходит уменьшение коэффициента затухания.
После 12 часов преобладает отрыв и перераспределение дислокаций, связанное с дальнейшим дисперсионным твердением, при этом идет рост коэффициента затухания. После отметки 24 часа перелом кривой объясняется преобладанием закрепления дислокаций на коогулировавшихся карбидах.
Образец с локальным намагничиванием. Пик уменьшения коэффициента затухания связан с преобладанием закрепления на границе перехода намагниченной части в не намагниченную. Дальнейшее увеличение коэффициента связано с отрывом дислокаций после набора критической суммы. Уменьшение коэффициента с 12 до 24 связано с закреплением дислокаций на не намагниченном участке. С 12 до 36 часов преобладает перераспределение дислокаций как и при полномасштабном намагничивании.
