Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важных резервов повышения эксплуатационных свойств сталей и сплавов является создание в их поверхностном слое нанокристаллических структур, которые могут обладать уникальными физико-механическими характеристиками вследствие наличия у них высокой плотности дислокаций и большой протяженности сильно неравновесных границ зерен. За счет поверхностного наноструктурирования различными методами интенсивного поверхностного пластического деформирования (ИППД) могут быть получены материалы с высокопрочным поверхностным слоем на основе недорогих углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготавливают большинство изделий машиностроения.
Эффективным способом формирования на стальных поверхностях функциональных нанокристаллических слоев является фрикционная обработка скользящими инденторами, проводимая в условиях, исключающих заметный нагрев поверхности трения. Выработка научно-обоснованных принципов создания высокопрочных, теплостойких и износостойких нанокристаллических слоев требует дальнейшего развития представлений о закономерностях формирования при фрикционной обработке сталей структурного состояния и физико-механических свойств поверхностных слоев, а также о поведении этих слоев в условиях нагрева, статического деформирования и контактного нагружения.
До недавнего времени оставался нерешенным целый ряд вопросов, связанных с материаловедческими аспектами фрикционной упрочняющей обработки углеродистых и низколегированных сталей. В частности, не уделялось должного внимания изучению процесса наноструктурирования при поверхностной пластической обработке труднодеформируемых закаленных высокоуглеродистых сталей. Особый интерес к ИППД неотпущенного (тетрагонального) мартенсита связан с возможностью за счет реализации в нем процессов деформационного динамического старения эффективно повышать прочностные и трибологические свойства стальных поверхностей (например, закаленных лазером).
Требуют рассмотрения также неизученные вопросы термической стабильности структурного состояния и прочности субмикро- и нанокристаллических слоев, сформированных в условиях трения скольжения на поверхности железа и низкоуглеродистых сталей, а также сталей, подвергнутых лазерной закалке и химико-термической обработке (включающей цементацию). Учитывая влияние общего высокого уровня дефектности нанокристаллической структуры на процессы рекристаллизации и возможный аномальный рост зерна при нагреве, представляется важным исследовать поведение сильнодеформированной стали при длительном термическом воздействии.
Изучение влияния дополнительного легирования элементами замещения (кремний, хром, никель) на твердость и сопротивление термическому разупрочнению подвергнутых фрикционной обработке сталей позволит выработать критерии оптимизации химического состава высокопрочных и теплостойких нанокристаллических слоев.
Интенсивное диспергирование структуры при различных видах ИППД, охрупчивающее деформированный слой, может оказывать неоднозначное влияние
на трибологические и механические свойства металлических материалов. Поэтому актуальным и имеющим несомненную научную и практическую значимость является изучение трибологических и механических свойств, механизмов изнашивания и особенностей деформирования при статическом нагружении сталей, подвергнутых фрикционной обработке и дополнительному нагреву. Важно также изучить наличие микроповрежденностей металла в поверхностных слоях, наноструктурированных фрикционной обработкой.
Поскольку пластичность наноструктурных сталей может быть улучшена проведением дополнительного отпуска (отжига), эффективным для обеспечения хорошего комплекса износостойкости, прочности и пластичности может оказаться проведение комбинированных деформационно-термических обработок по оптимизированным режимам.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием тематике проектов в рамках программ Академии наук РАН различных уровней (проект «Ресурс пластичности и конструкционной прочности металлических материалов, наноструктурированных методами интенсивной пластической деформации» по программе Президиума РАН №22, проект «Исследование на макро-, микро- и наноуровнях трибологических, прочностных характеристик и диагностирование поверхностных слоев функциональных материалов, модифицированных термо-механо-химическим воздействием» по программе ОЭММПУ РАН №13, междисциплинарный проект УрО РАН «Получение субмикрокристаллических и нанокристаллических структур в металлах и сплавах при фазовых превращениях и интенсивной пластической деформации»), а также проектов РФФИ №07-08-00279-а и №11-08-01025-а.
Цель диссертационной работы состоит в изучении особенностей формирования структурного состояния, трибологических и механических характеристик поверхностных слоев углеродистых и низколегированных сталей при фрикционной обработке и последующих термических воздействиях.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Рассмотреть процесс формирования нанокристаллических структур в поверхностном слое закаленной высокоуглеродистой кремнистой стали 80С4 при фрикционной обработке скользящим индентором.
-
Исследовать влияние фрикционной обработки на химический состав, микротвердость и теплостойкость подвергнутых лазерной или объемной закалке железа (содержащего 0,003 и 0,042 % С), углеродистых, цементованной хромоникелевой и дополнительно легированных кремнием и хромом сталей.
-
Изучить влияние длительного (до 20 ч) нагрева при 350-550С на сопротивление термическому разупрочнению, химический состав и эволюцию нанокристаллической структуры на поверхности трения закаленной высокоуглеродистой стали У8.
-
Изучить влияние фрикционной обработки и последующих отпусков на механические характеристики, износостойкость, коэффициент трения и механизмы изнашивания в условиях абразивного воздействия и трения скольжения термоупрочненной среднеуглеродистой стали 50.
5. Обосновать режим комбинированной деформационно-термической наноструктурирующей обработки закаленной конструкционной стали, обеспечивающий хороший комплекс износостойкости, прочности и пластичности.
Научная новизна.
-
Установлен последовательный процесс формирования нанокристаллической структуры при фрикционной обработке такого труднодеформируемого материала как закаленная кремнистая сталь 80С4 со структурой высокоуглеродистого пластинчатого мартенсита: фрагментация мартенситных пластин в ходе скольжения и двойникования, образование полосовых фрагментированных структур, преобразование в ходе ротаций фрагментов их широких малоугловых границ в тонкие болыпеугловые сильно неравновесные границы с уменьшением кристаллитов до размеров не более 20-50 нм.
-
Наноструктурирующая фрикционная обработка повышает теплостойкость карбонильного железа и мартенситных структур, сформированных лазерной закалкой в армко-железе и сталях. Наиболее эффективный рост теплостойкости отмечен у низкоуглеродистых сплавов, что во многом обусловлено сохранением в их сильнодеформированном слое даже при нагреве до 450-550С высокопрочных областей с нанокристаллическими структурами, образующих вместе с рекристаллизованными субмикронными зернами феррита характерные «бимодальные» структуры.
-
Установлено отсутствие аномального роста рекристаллизованных зерен при длительном (до 20 ч) нагреве до 450-550С наноструктурированной трением закаленной высокоуглеродистой стали У8.
4. Повышение теплостойкости упрочненных фрикционной обработкой
углеродистых сталей при температурах 400-600С достигается дополнительным
легированием кремнием и хромом.
-
По данным микроиндентирования, наноструктурирующая фрикционная обработка повышает сопротивление поверхностного слоя закаленной среднеуглеродистой стали 50 пластической деформации при контактном механическом воздействии. Это ограничивает развитие процессов микрорезания, схватывания и пластического оттеснения и обусловливает существенный (до 1,7-3 раз) рост износостойкости конструкционной среднеуглеродистой стали в условиях абразивного и адгезионного изнашивания, а также граничного трения.
-
Установлено сохранение или даже рост преимущества в износостойкости поверхностно наноструктурированной закаленной стали 50 в условиях абразивного воздействия и трения скольжения со смазкой после отпуска в широком интервале температур (100-600С), а в условиях трения скольжения без смазки - после нагрева только до температуры 350С, при которой еще обеспечивается достаточная прочность основного металла и не происходит вырывания микрообъемов упрочненного поверхностного слоя по глубинным менее прочным слоям (когезионный отрыв материала).
Практическая значимость работы.
Для достижения хорошего комплекса износостойкости, прочности и пластичности конструкционной стали предложено после закалки проводить комбинированную деформационно-термическую наноструктурирующую обработку, включающую фрикционную обработку и отпуск при температуре 350С.
Комбинированная обработка закаленной среднеуглеродистой (0,5 % С) стали обеспечивает повышение до 2-3 раз твердости и износостойкости без снижения механических свойств (в том числе пластичности) по сравнению с закаленной сталью, отпущенной при 350С. Проведение деформационно-термической обработки позволит расширить сферу применения наноструктурирующей фрикционной обработки, в частности, для упрочнения валов и других деталей, работающих в условиях статического и циклического нагружения.
Результаты работы свидетельствуют, что фрикционная обработка позволяет значительно повысить теплостойкость упрочненных лазером и цементацией изделий, эксплуатируемых в условиях повышенного нагрева.
Показано, что фрикционная обработка может применяться как способ наноструктурирования высокопрочных и хрупких металлических материалов, расширяя тем самым возможности для исследования строения и свойств наноструктур деформационного происхождения, которые не могут быть созданы объемными методами интенсивных (больших) пластических деформаций.
При практической реализации фрикционной упрочняющей обработки стальных изделий следует учитывать не только эффективность деформационного упрочнения, но и поврежденность (нарушение сплошности в виде субмикроропор и микротрещин) поверхностного слоя в процессе накопления пластической деформации.
Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций по дисциплине «Наноматериалы и нанотехнологии», входящей в учебный план по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов» магистерской программы «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии» кафедры металловедения Института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
На защиту выносятся:
1. Процесс формирования нанокристаллической структуры в поверхностном
слое закаленной высокоуглеродистой стали 80С4 при фрикционной обработке.
-
Установленное повышение теплостойкости упрочненных лазером и цементацией стальных поверхностей наноструктурирующей фрикционной обработкой. Особенности влияния дополнительного легирования кремнием и хромом на сопротивление термическому разупрочнению деформированных при фрикционном воздействии сталей.
-
Роль «бимодальных» (нанокристаллических и рекристаллизованных субмикрокристаллических) структур, формирующихся при температурах 450-550С в деформированной трением низкоуглеродистой стали 20, в повышении теплостойкости упрочненного фрикционной обработкой поверхностного слоя.
-
Особенности поведения при длительном (до 20 часов) нагреве в интервале температур 350-550С нанокристаллических структур, сформированных фрикционной обработкой в поверхностном слое закаленной стали У8.
-
Результаты исследования влияния фрикционной обработки и последующего нагрева в интервале температур 100-600С на трибологические и механические характеристики закаленной стали 50.
6. Режим комбинированной деформационно-термической обработки, обеспечивающий конструкционной среднеуглеродистой стали хороший комплекс износостойкости, прочности и пластичности.
Личный вклад автора: Соискатель участвовал в планировании и постановке экспериментов, проводил фрикционную обработку материалов, исследование химического состава и топографии поверхностей трения, дюрометрические измерения и микроиндентирование. Принимал участие в исследованиях структуры, трибологических и механических свойств опытных образцов. Обработка и анализ полученных результатов осуществлены с участием автора. Результаты исследований неоднократно докладывались соискателем на научно-технических конференциях.
Достоверность полученных результатов исследований обеспечена большим объемом экспериментального материала, использованием апробированных методов механических и трибологических испытаний, применением современных методов изучения структуры, химического и фазового состава, профиля поверхностей и продуктов изнашивания, а также использованием статистической обработки результатов измерений. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы.
Основные результаты работы, изложенные в диссертации, были доложены на следующих конференциях: III Международной школе «Физическое материаловедение» «Наноматериалы технического и медицинского назначения», Тольятти, 24-28 сентября, 2007 г.; XIX, XX, XXI Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 4-8 февраля, 2008 г.; Пермь, 1-5 февраля, 2010 г.; Магнитогорск, 6-Ю февраля, 2012 г.); XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Нижний Новгород, 1-5 июля, 2008 г.; IV Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающии контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень, 9-11 декабря, 2008 г.; IV, V Российских конференциях «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 26-28 мая, 2009 г.; Екатеринбург, 25-29 апреля, 2011г.); XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 23-25 июня, 2009 г.; 5 Международном форуме (10-я Международная конференция молодых ученых и студентов) «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 25-27 ноября, 2009 г.; VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 24-28 мая, 2010 г.; IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2011», Москва, 1-4 марта, 2011 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара, 22-24 ноября, 2011 г.
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 6 статей в сборниках научных трудов и 8 тезисов докладов.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 217 источников и приложения. Работа изложена на 167 страницах, включая 73 рисунка и 13 таблиц.
