Введение к работе
1.1. Актуальность темы
Качество, ресурс, надежность и конкурентоспособность современной техники определяются уровнем существующих технологий. Возрастающие требования к этим характеристикам ставят задачу повышения эффективности методов обработки материалов, исследования и контроля их свойств на всех этапах изготовления и эксплуатации изделий.
Как показывает практика и многочисленные исследования, определяющее влияние на эксплуатационные характеристики материалов (износостойкость, циклическую прочность, трешиностойкость и др.) оказывают структура и свойства поверхностных слоев материалов и непосредственно качество поверхности. Это связано с тем, что в силу специфики строения поверхностных слоев материалов накопление пластической деформации и развитие необратимых повреждений в материале начинается с поверхности. В процессе эксплуатации конструкционные материалы испытывают значительные нагрузки, в результате которых в них могут развиваться неравномерные микро- и макроскопические пластические деформации. Структурные изменения в микрообъемах и особая роль поверхностных слоев в общем процессе макропластической деформации материалов существенно определяют эксплуатационные свойства изделий машиностроения. В связи с этим, в дополнение к критериям статической прочности (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение или сужение), которые характеризуют усредненные свойства образца, необходимы также характеристики, позволяющие судить о структурном состоянии и свойствах локальных объемов металла в поверхностных слоях. Среди существующих методов исследования и контроля физико-механических свойств материалов методы, основанные на измерении микротвердости (твердости), являются сравнительно простыми, доступными, а в некоторых случаях единственно пригодными, например для оценки свойств отдельных фаз и структурных составляющих сплавов или локальных областей обработанного материала (тонкие покрытия, упрочненные слон, сварные швы и т.д.). Вместе с тем метод локального контактного нагружения материала индентором является перспективным, содержащим в себе еще много нераскрытых возможностей.
Новые перспективы для прогнозирования и перазрушающего контроля свойств материалов вблизи поверхности, в технологических приповерхностных слоях и покрытиях содержит метод испытания на микротвердость с непрерывной регистрацией параметров вдавливания инден-тора - метод кинетической микротвердости МКМ [1]. Непрерывная запись диаграмм вдавливания позволяет определять более 20 различных параметров, характеризующих физико-механические свойства материала в одном эксперименте и без разрушения объекта исследования. Разре-
шающая способность, уровень точности и воспроизводимости результатов измерения микротвердости не уступает большинству современных методов исследования. Возможность автоматизации эксперимента позволяет набирать необходимое количество результатов для качественного статистического описания явлений. Таким образом, локальное нагруже-ние материала индентором в настоящее время рассматривается как метод микромеханических испытаний, который кроме твердости дает целый комплекс механических характеристик. Однако следует отметить, что разрабатываемым в данной работе методическим возможностям метода кинетической микротвердости для оценки структурных параметров материалов до настоящего времени не уделялось достаточного внимания.
Непрерывно возрастающее количество научных публикаций, посвященных исследованию различных объектов методом кинетической микротвердости, развитию его методических возможностей, также свидетельствуют о несомненной актуальности рассматриваемой проблемы.
1.2. Цель и основные задачи исследования
Целью работы является разработка неразрушающей методики оценки комплекса физико-механических и структурных характеристик материалов, в том числе в их поверхностных слоях но диаграммам непрерывного вдавливания индентора, которая может быть использована как в исследовательских целях, так и в производственных и эксплуатационных условиях в качестве метода неразрушающего контроля.
В связи с этим в работе поставлены следующие задачи:
-
Выбрать и обосновать критерии для оценки структурных параметров материалов, в том числе в поверхностных слоях и микрообъемах, используя методические возможности испытания на микротвердость с непрерывной регистрацией параметров вдавливания индентора. Провести экспериментальную проверку выбранных критериев на материалах, позволяющих однозначно трактовать полученные результаты.
-
Разработать расчетную методику для количественной оценки гистере-знсных потерь при циклическом локачьном контактном деформировании материалов по параметрам, получаемым из диаграмм непрерывного вдавливания индентора.
-
Исследовать закономерности изменения структуры в поверхностных слоях материалов после поверхностного упрочнения ультразвуковым выглаживанием и последующего деформационного старения.
1.3. Научная новизна
1.Обоснован новый подход к неразрушаюшему, экспрессному прогнозированию эксплуатационных свойств материалов и изделий, заключаю-
щийся в одновременном определении их физико-механических и структурных характеристик, получаемых при испытании на кинетическую микротвердость, в частности:
обоснована корреляционная связь между структурой материала и статистическими параметрами кинетической микротвердости (коэффициентом вариации и гистограммами микротвердости при заданных значениях размеров отпечатков);
предложена и обоснована количественная модель для расчета обратимой локальной неупругой деформации в каждом цикле контактного на-гружения по результатам испытания методом кинетической микротвердости. Установлены аналитические зависимости обратимой локальной неупругой деформации от пластической, упругой и общей деформации в отпечатке. Основные параметры входящие в полученные зависимости находятся по диаграммам непрерывного вдавливания ин-дентора.
В рамках исследования прогрессивного метода упрочняющей обработки ультразвуковым выглаживанием были сопоставлены (с использованием методов кинетической микротвердости, акустической эмиссии и мессбауэровской конверсионной спектроскопии) упрочнение и кинетика последующего старения сплавов на основе железа. Показано, что в процессе деформационного старения происходит дополнительное упрочнение поверхности за счет диффузии углерода из объема материала в приповерхностные слои с повышенной плотностью дислокаций. Обнаружено, что после ультразвукового выглаживания армко-железа в поверхностном слое толщиной не менее 20мкм образуются области, в которых атомы Fe имеют ближайшее окружение по типу аустенита.
І.4. Практическая значимость
Практическая значимость проблемы исследования и контроля структуры и физико-механических свойств материалов вблизи поверхности обусловлены тем, что с контактным воздействием и контактной деформацией связано не только большинство современных методов обработки, упрочнения и соединения материалов (обработка металлов давлением и резанием, шлифование, полирование, твердофазные методы сварки и др.), но и долговечность и ресурс изделий, работающих в условиях усталости и износа.
Прибор и методики оценки структурных характеристик по результатам испытания на кинетическую микротвердость внедрены в Республиканском инженерно-техническом центре порошковой металлургии при Пермском государственном техническом университете ПГТУ (г. Пермь) и использованы в НИИ технологии материалов (г. Волгоград), что подтверждено соответствующими актами. Кроме того, результаты работы
используются при подготовке студентов и аспирантов, специализирующихся в области материаловедения, что также подтверждено актом.
1.5. Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование и экспериментальное подтверждение на примере двухфазных материалов из несмешивающихся компонентов {Co-Pb, Cu-Fe) корреляционной связи между структурой материала и статистическими параметрами кинетической микротвердости: коэффициентом вариации и гистограммами микротвердости при различных фиксированных размерах отпечатка.
-
Методика расчета обратимой локальной псупругой деформации в каждом цикле контактного нагружения по ширине пегли гистерезиса, регистрируемой на диаграммах непрерывного вдавливания индентора.
-
Особенности кинетики старения в поверхностных слоях низкоуглсро-дистых сталей, упрочненных ультразвуковым выглаживанием.
1.6 Апробация работы
Основные результаты и положения диссертации были представлены на:
I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994)
III Межгосударственном семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1995)
XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Самара, 1995)
Third International Conference on Composites Engineering (ICCE/3) (University of New Orleans, New Orleans, 1996).
Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (МАТИ-РГТУ, Москва, 1997)
World Tribology Congress (8-12 September 1997, London, UK).
1.7 Публикации
По материалам диссертации опубликовано 7 статей и 6 тезисов докладов на конференциях.
1.8 Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложения и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 136 страниц, в том числе 42 рисунка, 8 таблиц.
