Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1 Поверхностное пластическое деформирование (ППД) как способ упрочняющей обработки. 11
1.1.1 Сущность и назначение методов ППД 11
1.1.2 Параметры состояния поверхностного слоя и их влияние на долговечность деталей 12
1.1.3. Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением 14
1.1.4 Геометрические аспекты формирования очага деформации 20
1.1.5 Деформированное состояние 29
1.1.6 Напряженное состояние 3 6
1.1.7 Исчерпание ресурса пластичности металла 3 8
1.1.8 Остаточные напряжения 41
1.2 Физические основы ультразвуковой техники и технологии 44
1.2.1 Общие сведения об ультразвуковых колебаниях 45
1.2.2 Ультразвуковые преобразователи, концентраторы и волноводы 49
1.2.3 Использование ультразвука в различных технологических областях обработки материалов 57
1.2.3.1 Ультразвуковая сварка и пайка 57
1.2.3.2 Применение ультразвука при механической обработке и поверхностном упрочнении труднообрабатываемых материалов 58
1.2.3.3 Ультразвуковая очистка прецизионных деталей 59
1.2.3.4 Ультразвук в процессах пластического деформирования и влияние ультразвука на процесс пластической деформации
1.2.3.5 Применение ультразвука при термической и химико-термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука 63
ГЛАВА 2. Материалы,оборудование и основные методы исследования физико-мехнических и структурных свойств обрабатываемых материалов .
2.1. Характеристика исходных материалов 67
2.2 Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки материалов.69
2.2.1 Технологическое оборудование для УЗО. 69
2.2.2 Инструменты 70
2.3.3. Волноводы колебательных систем. 71
2.3. Методы исследования 76
2.3.1 Металлография 76
2.3.2 Исследование физико-механических свойств материалов после 77
2.3.3 Испытание на износостойкость и определение коэффициента трения после УЗО. 78
2.3.4 Методика определения величины остаточных напряжений после УЗО . 79
2.3.5 Измерение макроскопических остаточных напряжений 81
ГЛАВА 3. Исследование технологических закономерностей ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки (уфуо) с целью получения оптимальных геометрических и физико-механических свойств поверхности обрабатываемых материалов . 82
3.1 Сила внедрения сферического индентора (шарика) при динамическом воздействии. 82
3.2. Глубина проникновения пластических деформаций от индентора (шарика). 85
3.3. Работа при пластическом внедрении индентора (шарика). 87
3.4. Динамика ультразвукового упрочнения. 88
3.5. Расчёт динамического усилия (силы удара) на конце ультразвукового инструмента F^ и времени удара для идеального пластического и упругого удара, а также для упруго-пластического удара. 94
3.6. Влияние технологических параметров УФУО на величину микрогеометрии и микротвердости поверхности обрабатываемых материалов. 98
3.6.1.Влияние амплитуды на величину микрогеометрии поверхности (Rz). 98
3.6.2 Влияние статического усилия на микрогеометрию поверхности 99
3.6.2 Влияние материала упрочняемой детали и её диаметра на величину микрогеометрии поверхности. 101
3.6.4 Влияние скорости вращения детали (VMM/МИН) и величины подачи (S мм/об) на микрогеометрию поверхности . 102
3.6.5 Влияние амплитуды колебаний, величины статической нагрузки, окружной скорости и подачи при УЗО на величину микротвердости обрабатываемого материала. 107
3.7. Исследование структуры и физико-механических свойств инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С после ультразвуковой обработки. 110
3.8 Резервы повышения физико-механических свойств материалов и изделий после поверхностной упрочняющей обработки. 118
Основные результаты и выводы 121
Список использованной литературы 124
- Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением
- Применение ультразвука при термической и химико-термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука
- Методика определения величины остаточных напряжений после УЗО
- Влияние скорости вращения детали (VMM/МИН) и величины подачи (S мм/об) на микрогеометрию поверхности
Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т.д.)
В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.
Проблема получения высокопрочных материалов с использованием
различных видов термического и термомеханического воздействия на
протяжении многих лет традиционно является актуальной для
материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет
реализации двух основных направлений: 1. использование
быстрозакаленного метастабильного состояния материала
(микрокристаллические и аморфные сплавы); 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.
В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операций в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет
интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент.Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузок.Применение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.
Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микро- и макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов
обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.
Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет без использования дополнительного специализированного оборудования
f (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому
маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня, предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется применение традиционных абразивных материалов - паст, войлока, абразивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по сравнению с традиционными способами финишной обработки металлов (хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополнительном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность. При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. Увеличение предела выносливости детали после поверхностного пластического деформирования главным образом зависит от физического состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение
/ поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние
поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов - физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале - с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.
Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на
поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.
Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А.И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).
Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:
Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.
Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала.
Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения
провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.
Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.
Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.
Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.
Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Rz) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.
Научная новизна.
Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.
В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО - амплитуды колебаний 2А,
статической нагрузки Рм., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст., S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст. и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.
Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм.
Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.
Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500С.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.
Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Ну)и геометрических (Rz) свойств обрабатываемой поверхности
от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов. Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2-2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т.е. если до УЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000. Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4
статьях научной периодической печати и доложены на следующих
международных конференциях:
- Международная конференция "Новые перспективные материалы и
технологии их получения -2004"(г. Волгоград);
Международный конгресс "Техника и трибология транспортных систем"
2003(г, Ростов на ДонуДООЗ);
XV Международная конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Тольятти,2003г).
Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований); она содержит 134 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.
Общая характеристика процессов ППД как процессов обработки металлов давлением
Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А.И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).
Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи: 1. Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки. 2. Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. 3. Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки. 4. Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов. 5. Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов. 6. Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО. 7. Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Rz) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО. Научная новизна. Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала. В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рм., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст., S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст. и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм. Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки. Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500С. Практическая ценность и реализация работы. Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.
Применение ультразвука при термической и химико-термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука
Ультразвуковая сварка относится к интенсивно развивающимся способам соединения материалов в твердом состоянии. Простота технологии, хорошее качество соединений, высокая производительность и экономичность ультразвуковой сварки позволяют, например, выполнять соединение обмоток электродвигателей, соединение колпачков с основаниями полупроводниковых диодов и триодов.
Ультразвуковая сварка обладает незначительным термическим влиянием на свариваемый металл по сравнению со сваркой плавлением и длительностью процесса по сравнению с диффузионной сваркой. При сварке некоторых материалов, применяемых в атомной и ракетной технике, ультразвуковая сварка обеспечивает лучшее качество соединений по сравнению с другими способами.
Первые опыты по ультразвуковой сварке (УЗС) металлов предпринимались в Германии в 1936—1937 гг. а работы по созданию оборудования и разработке технологии УЗС начались в США в начале 50-х годов.
В России работы, посвященные ультразвуковому способу соединения металлов, появились в 1958 г. В настоящее время в России и за рубежом налажен выпуск специализированных устройств для УЗС мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт.
Ультразвуковая сварка осуществляется при сжатии соединяемых деталей силой N. нормаль ной к поверхности их соприкосновения, и сообщении деталям ультразвуковых колебаний (= 1 100 мкм, /= 10 100 кГц). Ультразвуковой преобразователь возбуждается генератором. Качество сварки определяется прочностью соединений на срез аср, на отрыв т0ТР и их отношением тср/ тОТР, характеризующим пластичность соединения.
Выполнены работы, посвященные исследованию физики процесса сварки [49, 62, 70, 72, 76, 82, 83, 87]. За последнее время изменились представления о механизме сварки. Режим больших Соответствовавший первоначальному представлению об УЗС как разновидности сварки трением, приводил к весьма низкому качеству сварных соединений. Были высказаны предположения , о возможности сварки в условиях «предварительного смещения» или микросдвига. Опыт микросварки показал что величины ,= 1 ч-З мкм обеспечивают образование надежного соединения. Это обстоятельство, а также усовершенствования техники и технологии УЗС выявили тенденцию снижения величины 4 ПРИ соответствующем повышении усилия сжатия деталей N. Известны четыре основные области применения ультразвука при механической обработке[47]: а) снятие заусенцев с мелких деталей свободно направленным бразивом (рис. 1.31 а); б) ультразвуковая размерная обработка деталей из хрупких материалов абразивными зернами, получающими энергию от специального инструмента (рис. 1.31 б); в) очистка и смазка рабочей поверхности шлифовального круга в процессе его работы (рис. 1.31 в); г) сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментом (металлическим и абразивным) для интенсификации обычных процессов резания (рис. 1.31 г). Кроме того, перспективным процессом является ультразвуковое поверхностное упрочнение маложестких тонкостенных деталей сферическим или цилиндрическим наконечником из твердого сплава или алмаза [48, 51]. Под действием ультразвука резко снижается сопротивление поверхностных слоев металлов пластической деформации и упрочнение деталей ведется при статических силах, в 3-5 раз меньших, чем при обычном упрочнении [25]. Физические основы и общие технологические приемы ультразвуковой очистки широко освещены в литературе [28, 38, 53, 65, 70, 84]. Разработано и выпускается большое количество ультразвукового оборудования для очистки деталей и полуфабрикатов. Однако специфические условия прецизионного машиностроения ограничивали масштабы применения ультразвуковой очистки.
Изделия прецизионного машиностроения топливная аппаратура двигателей, пневмо- и гидроаппаратура высокого давления и др. характеризуются высокими требованиями к шероховатости (до 13-го класса) и геометрической точности (до 2-10"4 мм) поверхностей деталей. Получение такой высокой точности и чистоты обычно достигается доводкой деталей мелкозернистыми абразивными пастами на основе жирных кислот и нефтепродуктов. При доводке происходит частичное окисление углеводородов и шаржирование обработанной поверхности абразивными зернами, а канавки, полости и отверстия забиваются пастами и продуктами разрушения притира и детали. Сложность удаления таких загрязнений и высокие требования к качеству поверхности деталей приводят к тому, что очистка их является одной из наиболее трудоемких операций. влияние ультразвука на процесс пластической деформации
Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла, изменением схемы напряженного состояния, а в некоторых случаях дискретным и динамическим характером протекания пластической деформации. Действие указанных факторов проявляется в различной степени и зависит от направления колебаний, их типа, места расположения очага деформации, условий протекания процесса обработки. Возможны два нелинейных эффекта: «акустическое разупрочнение» и «акустическое упрочнение».
. Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упрочнение металла достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.
Подбором мощности ультразвука можно достичь различной степени разупрочнения даже у высокопрочных материалов, таких как нержавеющая сталь, бериллий, вольфрам и т. д. При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойств исследуемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки. При этом монокристаллы деформируются путем двойникования или изгиба; у поликристаллических тел разрушение происходит по границам зерен. На рис. 1.32 показаны кривые изменения статического напряжения при растяжении алюминиевых монокристаллов при различной интенсивности ультразвука и различных температурах. Видно, что ультразвуковые колебания и нагрев снижают статическое напряжение текучести. Однако для достижения одного и того же эффекта при применении ультразвука требуется энергии значительно меньше, чем при нагреве.
Эффект воздействия ультразвука на обрабатываемый металл проявляется в различной степени по длине образца, если в нем возбуждать стоячую ультразвуковую волну. Наиболее сильно он проявляется в плоскости действия максимальных знакопеременных напряжений, постепенно уменьшаясь по мере приближения к пучности смещений.
Снижение напряжений при наложении ультразвуковых колебаний в процессе пластической деформации наряду с действием акустических напряжений объясняется активацией задержанных дислокаций, вследствие чего процесс их скольжения облегчается. Наряду с процессом активации имеют место процессы устранения препятствий и образование новых дислокаций.
Методика определения величины остаточных напряжений после УЗО
Все нижеприведённые экспериментальные результаты были получены на ультразвуковом генераторе с преобразователем, работающем на частоте f=20 кГц. Используемые материалы: а) a-Fe, Ст. 10,45, У8, У12 - без термообработки. б) 40Х, 2X13, Г13 - без термообработки. в) У8А, У12А, Х12, ШХ-15 - после термообработки. Для достижения высокого класса чистоты и оптимального упрочнения требуются определённые режимы. Для обеспечения необходимой шероховатости поверхности (Rz=min) требуется пластически деформировать более тонкий поверхностный слой (h—япіп), а для получения упрочняющего эффекта пластическая деформация должна захватывать поверхностные слои на значительную глубину (h—max). Эти противоположные требования (h— min, h— max) в случае получения одновременно минимальной шероховатости (Rz=min) и максимальной твёрдости (Hv=max) довольно сложно «примирить». Поэтому подбор оптимальных режимов в этом случае более сложен, чем в случае, когда требуется только Rz=min или только Hv=max. Для инструмента с коэффициентом усиления N = 6,67 (кривая 1) в начальный момент при росте 2А, Rz падает. При дальнейшем росте 2 A Rz возрастает. Причина: с увеличением 2А растёт энергия удара, которая при некотором критическом значении вызывает перенапряжение (контактная усталость) в материале. В результате в тонком поверхностном слое возникают микротрещины и происходит шелушение материала.
Статическое усилие влияет на шероховатость поверхности, образующуюся при упрочнении, степень и глубину наклёпа, величину напряжений, возникающих в поверхностном слое металла и на физико-механические свойства металла. Это влияние обусловлено самим характером образования поверхностного слоя при пластическом деформировании последнего шаром, вибрирующем с ультразвуковой частотой. Выбор величины статического усилия определяет и производительность обработки, подачу и скорость вращения детали, число проходов. Таким образом, влияя практически на все технико-экономические показатели, статическое усилие является фактором режима, позволяющем наиболее гибко управлять процессом ультразвукового упрочнения деталей машин и инструмента.
Малая величина статического усилия не обеспечивает достаточной деформации поверхностного слоя, сминаются только вершины гребешков, так как в этом случае величина сближения инструмента и детали и сила удара будут незначительны. С увеличением статического усилия до некоторого предела шероховатость понижается; чрезмерное увеличение статического усилия приводит не только к понижению класса чистоты, но и к разрушению поверхностного слоя - перенаклёпу.
Сложность определения оптимальной величины статического усилия обусловлена тем, что она зависит от большого числа взаимосвязанных факторов. Величина статического усилия зависит от механических свойств обрабатываемого материала, исходной и требуемой шероховатости поверхности, размеров упрочняемой детали и диаметра шара, от параметров режима упрочнения-подачи и скорости вращения детали, амплитуды колебания и т.п.
Статическое усилие должно быть тем выше, чем менее пластичен материал детали, чем выше исходная шероховатость, чем больше диаметр упрочняемой детали и шара (это ведёт к увеличению пятна контакта и снижению напряжений в деформируемой зоне), чем больше подача и скорость вращения детали и чем меньше амплитуда колебания инструмента.
На рис. 3.9 приведены графики зависимости шероховатости поверхности упрочнённых образцов из стали 45 диаметров 20 мм от статического усилия при различных диаметрах шара. Упрочнение проводилось шарами с диаметрами 6; 10; 12,5 и 15 мм.
Исходная шероховатость поверхности соответствовала 5-му классу чистоты. Из графика видно, что при упрочнении шарами до 10 мм при статическом усилии до 40-50 Н происходит повышение класса чистоты поверхности, а шаром 15 мм до 100 Н. Дальнейшее увеличение статического усилия до 200Н приводит к резкому понижению класса чистоты и даже к разрушению поверхностного слоя. Причина более резкого возрастания Rz на правых ветвях кривых 4— 3—»2—» 1 с уменьшением диаметра шара Dm: С уменьшением диаметра шара уменьшается площадь контакта (при PCT=const) и соответственно резко возрастают контактные напряжения (ок), что приводит к более быстрому перенаклёпу. Причина немонотонного поведения функции R fTPg-): - при малых Рст происходит недостаточная передача энергии, необходимой для пластического деформирования гребешков исходной микрогеометрии; с увеличением Рст величина передаваемой энергии увеличивается и повышается степень деформации, происходит сглаживание микронеровностей; - при дальнейшем увеличении Рст в поверхностном слое возникают а ов (о"в напряжение разрушения, предел прочности), что приводит к перенаклёпу, «шелушению» и снижению чистоты поверхности.
Влияние скорости вращения детали (VMM/МИН) и величины подачи (S мм/об) на микрогеометрию поверхности
Упрочнение материала в процессе пластической деформации представляет собой сложное явление. Для описания отдельных его аспектов различными авторами было разработано большое количество моделей. Но необходимо отметить, что до настоящего времени не проводился анализ совместного упрочняющего влияния на материалы 2-х параллельно действующих и дополняющих друг друга процессов: непосредственно поверхностной обработки и эффекта динамического (во время обработки) и последующего статического (после обработки) деформационного старения (ДС) за счет осаждения быстродиффундирующих примесей внедрения (углерод, азот) на дислокациях и более жесткого их закрепления. Проведение ПУО приводит к накоплению деформации в поверхностном слое детали и, как следствие, к его упрочнению (при правильно выбранном режиме обработки).
С точки зрения термодинамики, наличие приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений является движущей силой, приводящей к образованию направленного диффузионного потока примесей внедрения из объемных внутренних слоев металла в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокации быстродиффундирующие примеси внедрения (углерод, азот) приводят к более жесткому их закреплению, т.е. дополнительному упрочнению поверхностного слоя. Практическая значимость этого явления характеризуется тем, что обнаруживается аномально высокое дополнительное упрочнение поверхностных слоев, выражающееся в двух-трехкратном росте микротвердости на глубине до 1 мкм и при содержании в малоуглеродистой стали 0,08-0,1%С. С ростом глубины слоя и увеличением содержания углерода в стали отмеченная аномалия постепенно исчезает. Кроме того, непосредственно в процессе ПУО приповерхностные слои обрабатываемого материала будут испытывать циклические нагрузки (сжатие-разгрузка) по мере прохождения инструмента по поверхности обрабатываемого образца. При этом будет меняться энергия упругого взаимодействия примесного атома с данным участком кристаллической решетки. Тогда, как следствие, согласно [126], можно ожидать реализации механизма "диффузионной накачки" примесей внедрения в приповерхностные слои обрабатываемого материала. Важной особенностью в понимании физической природы и механизмов ДС является то, что в спектре стопоров, закрепляющих дислокации по механизму Коттрелла, возможно наличие не только примесных атомов внедрения (С, N, О, Н), но и собственных точечных дефектов, вакансий и междоузлий, которые, осаждаясь на винтовых компонентах дислокаций, образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокаций не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Причем собственные точечные дефекты (СТД) (вакансии и междоузлия) также могут действовать и закреплять дислокации как в режиме постоянно действующего диффузионного потока, макроскопически направленного из объема кристалла к его поверхности, так и в режиме "диффузионной накачки" [126] непосредственно в процессе ПУО, о чем уже упоминалось выше, применительно к подсистеме примесных атомов внедрения.
Основным аргументом в пользу предлагаемого нами подхода по учету в механизме закрепления дислокационной структуры не только примесей внедрения, но и СТД (вакансий и междоузлий) является тот факт, что, как известно [126], потенциальный рельеф кристаллической решетки с линейными дефектами в ОЦК металлах обладает следующей особенностью. В них напряжение Пайерлса ( р ) для винтовой дислокации приблизительно в 10 раз больше, чем для краевой. А поскольку энергия активации образования двойного перегиба пропорциональна корню квадратному из р должна наблюдаться приблизительно 30-кратная разница в энергиях активации образования двойного перегиба на краевой и винтовой дислокациях, что, как следствие, ведет к значительно большей скорости движения краевых компонент по сравнению с винтовыми. При этом последовательность стадий движения дислокаций в области микродеформации может быть следующей: сначала - движение геометрических перегибов, затем - образование двойных перегибов на всех краевых компонентах и, наконец, окончание области микродеформации и начало макроскопического течения с образованием двойных перегибов на винтовых компонентах дислокаций. Таким образом, при проведении поверхностной упрочняющей обработки, как и вообще для общего случая деформации ОЦК металлов выше предела текучести, следует ожидать явления быстрого истощения наиболее подвижных краевых компонент дислокационной структуры и накопления преимущественно винтовых компонент [126]. Кстати,, многочисленные J литературные данные по прямому наблюдению дислокационной структуры v с помощью просвечивающей электронной микроскопии четко подтверждают указанную закономерность. Далее, при действии постоянного или циклического (в случае "диффузионной накачки") диффузионного потока вакансий и междоузлий к стокам в виде винтовых дислокаций на последних образуются неконсервативно движущиеся ступеньки. Поскольку при движении таких винтовых дислокаций со ступеньками требуется диффузионный подвод или отвод вакансий или междоузлий (в зависимости от знака ступеньки), такой вид закрепления дислокационной структуры является не менее эффективным, чем примесными атомами внедрения.
Разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закалённых конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твёрдости и прочности за счёт создания нанокристаллических структур с размером зерна 5-10нм. Предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения высокопрочных материалов на больших реальных массивных изделиях, поскольку как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности приближающимся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают в основном в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсивной многократной пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, РКУ-прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующем уровнем физико-механических свойств.
Похожие диссертации на Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов
