Введение к работе
— .- Актуальность проблемы. Важнейшим резервом повышения работоспособности (износостойкости, долговечности, коррозионной стойкости,и т.п.) металлов и сплавов, в том числе инструментальных сталей является возможность получения оптимального сочетания характеристик твердости, прочности, пластичности, высокой предельной удельной энергии деформации,, вязкости разрушения (трещиностойкости) за счет использования традиционных и высокоэнергетических.методов термической, химико-термической, мехаяико-термической и других обработок.
С применением этих технологий оказывается возможным получение совершенно новых предельных состояний металлических материалов, повышающих механические характеристики за счет мелкозернистости, хорошей адгезии упрочненного слоя с основным материалом и т.п.
Основным параметром, используемым для рценки состояния материалов после высокоэнергетических обработок, является его твердость. Однако для предотвращения образования трещин и обеспечения повышенной работоспособности упрочненных поверхностей у изделий требуется применение комплексного подхода к оценке новых структурных состояний. В частности, требуется оценка локальной предельной деформации упрочненных слоев, связанной с релаксационной способностью, дефектностью, кинетикой распада разных метастабильных структур во времени и т.д.
В литературе немногочисленны сведения о методах измерения предельной деформации (т.е. запаса пластичности в данном состоянии) упрочненных слоев. В основном они не . выходят за рамки качественного описания традиционной связи: повышение твердости приводит к охрупчиванию материала.
Кроме того,- в литературе отсутствуют данные о предельной пластичности материала при одной и той же твердости, полученной различными методами термической обработки, как обычными, так и с использованием высококонцентрированных энергетических потоков.
Из практики известны случаи,' когда после одних технологий, обеспечивающих получение высокой твердости, в материале появляются микро- и макротрещины (поверхностные и внутренние), после других технологий, обеспечивающих ту же твердость, они у этого же материала не обнаруживаются.
Цель работы. Разработка метода оценки предельной деформации поверхностных слоев твердых и хрупких материалов и установление взаимосвязи между предельными характеристиками инструментальных сталей (твердостью, пластичностью, прочностью, удельной предельной энергией деформации Wc и т.д.), подвергнутых поверхностному и объемному термическому упрочнению с применением как обычных,так и высокоэнергетических технологий, обеспечивающих формирование различных видов микроструктур.
Научная новизна работы.
1. Разработана методика определения предельной деформации
материалов р различными структурами,- заключающаяся в оценке
ее величины по соотношению диагонали отпечатка пирамиды Вик-
керса и длины трещины между отпечатками в момент возникнове
ния разрушения.
2. Предложена методика теоретической оценки предельной дефор
мации материалов в случае отсутствия видимой трещины при
вдавливании индентора, при этом учитывается размер внутрен
него дефекта, предположительно ответственного за разрушение.
-
Дано теоретическое обоснование условий разрушения в виде трещин на кромке и в углах отпечатка при вдавливании индентора Виккерса в соответствии с характером диаграмм предельной пластичности металлов, построенных в зависимости от величины показателя напряженного состояния П.
-
Предложено обоснованное объяснение диапазона изменения предельной деформации от нуля до бесконечности с использованием взаимосвязи двух функций: ' способности к деформации и вероятности разрушения.
-
Предложена формула'для расчета предельной удельной энергии деформации wc с использованием значений твердости и предельной деформации єпрел-, значения которой позволяют прогнозировать работоспособность материала в данном структурно-энергетическом состоянии в соответствии с видом микроструктур..
Практическая ценность работы. Заключается:
1. В разработке нового метода оценки предельной деформации поверхностных слоев твердых и хрупких материалов в различных структурных состояниях (от алмаза до сталей) ,на которое получено положительное решение о выдаче патента РФ по заявке
N95106194/28 (ОШЗб) от 19.04.95г. Метод может быть использован для контроля качества материалов в заводских условиях.
2. В проведении оценки предельной деформации инструментальных
- сталей У8А, ХВГ, 9ХС как после объемной закалки, так и после-— лазерного термоупрочнения, лазерно-легированных слоев элементами Со, Mo, W и слоев, наплавленных самофлюсующимся порошком ЛР-10Р6М5 на конструкционную сталь 45, а также в проведении расчетов предельной деформации для ряда хрупких материалов типа-алмаза, пьезокерамикй, карбида бора и других.
-
В определении диапазона изменений локальных значений предельной деформации по предложенной методике от нуля (в случае абсолютно хрупких материалов) до бесконечности (для материалов в высокопластичном состоянии).
-
В апробировании методики использования нового метода оценки предельной деформации для материалов с твердостью HRCe 60-65, которая подтвердила имеющиеся литературные сведения.
-
В проведении расчетов предельной удельной энергии деформа^-ции Wc для инструментальных сталей после обработки их высококонцентрированными источниками энергии и показании расположения этих точек на диаграмме структурно-энергетического, состояния, которая используется для выбора материалов и для прогнозирования их работоспособности, в частности, скорости распространения трещины по уравнению Пэриса-Эрдогана.
Основные положения, представляемые к защите:
-
Экспериментально установленные закономерности изменения предельной деформации инструментальных сталей У8А, ХВГ, 9ХС после различных упрочняющих технологий: объемной закалки, лазерного термоупрочнения, а также лазерного легирования и лазерной наплавки на сталь 45, обеспечивающих формирование различных видов микроструктур.
-
Теоретическое"обоснование формулы для расчета и разработанный новый метод оценки предельной деформации материалов и поверхностных слоев изделий, термически упрочненных на повышенную твердость и имеющих мартенситную микроструктуру.
-
Результаты расчета предельных характеристик инструментальных сталей и хрупких материалов.
-
Определение области применения нового метода оценки пре-
дельной деформации термически упрочненных материалов и методика его использования.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных материалов" (г.Санкт-Петербург, май 1995г.), на научно-техническом международном семинаре "Современное металловедение для машиностроения" (г.Нижний Новгород, май 1996г.), на научно-технической конференции "Проблемы машиноведения" (г. Нижний Новгород, январь 199?г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы из 130 источников. Работа состоит из 10Н страниц текста, 53рисунков, 24 таблиц. Обпдай объем составляет 70 страниц, приложение.
Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 3 статьи и тезисов докладов, получено решение о выдаче патента РФ.
Работа выполнялась в рамках следующих программ:
-
Программа ГКНТ-04 "Межотраслевые технологии, 0.09.06. Разработка критериев оценки материала (1992-1997гг.).
-
Программа "Университеты России", раздел "Технические университеты. Разработка фундаментальных уравнений для характеристик предельного состояния машиностроительных материалов и программированных систем оценки качества, работоспособности, слабых мест и разрушения деталей машин и инструмента" (1993-1997гг.).
-
"Исследования в области фундаментальных проблем металлургии", конкурс грантов 1994-1997гг., раздел 94-5.1-44. Металловедение.
