Содержание к диссертации
Введение
1. Изменение свойств металлических композиций ультра звуковой обработкой 11
1.1. Влияние мощных ультразвуковых колебаний на межфазную границу разделав процессе кристаллизации металлов и сплавов 11
1.2. Особенности формирования композиции - «газотермическое покрытие -основа» при термическом и ультразвуковом воздействии 14
1.3. Применение ультразвука для упрочняющей обработки материалов и сварных соединений 25
1.4. Исследование пластической деформации и разрушения металлических композиций на мезомасштабном уровне 34
1.5. Постановка задачи исследований 39
2. Материалы, способы формирования и методики исследо ваний композиций и сварных соединений 41
2.1. Материалы и методы формирования композиций «покрытие-основа»41
2.2. Материалы и способы обработки композиций и сварных соединений 45
2.3. Методы исследования структуры, фазового состава и физико-механических свойств композиций и сварных соединений 47
2.4- Методики изучения процессов деформации и разрушения композиций и сварных соединений на мезомасштабном уровне 53
3. Структура и свойства композиций «газотермическое по крытие - основа» и сварных соединений полученных комбинированными способами обработки 59
3.1. Формирование структуры и свойств композиций «покрытие-основа» с использованием ультразвуковой обработки 59
3.2. Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и свойства сварных соединений 77
4. Влияния структуры и свойств композиций с газотермиче скими покрытиями и сварных соединений на их характер деформации и разрушения 86
4.1. Характер деформации и разрушения композиции "покрытие - основа" на мезомасштабном уровне при растяжении 86
4.2. Влияние структуры и свойств композиций "покрытие - основа" на характер деформации и разрушении на мезомасштабном уровне при сжатии 109
4.3. Особенности развития пластической деформации и разрушения в сварных соединениях на мезомасштабном уровне 121
5. Расчет экономической эффективности внедрения ультра звуковой ударной установки по обработке сварных соеди нений рам автомобилей «белаз» 132
Заключение 136
Список литературы 140
Приложения 154
- Особенности формирования композиции - «газотермическое покрытие -основа» при термическом и ультразвуковом воздействии
- Материалы и способы обработки композиций и сварных соединений
- Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и свойства сварных соединений
- Влияние структуры и свойств композиций "покрытие - основа" на характер деформации и разрушении на мезомасштабном уровне при сжатии
Введение к работе
Актуальность темы.
Нанесение защитных упрочняющих покрытий и сварные соединения необходимы при изготовлении деталей и металлоконструкций, эти технологические процессы часто определяют их общую работоспособность [1-3]. Оплавленные и не оплавленные газотермические покрытия применяются для повышения коррозионной и износостойкости деталей (рабочие органы машин и механизмов, узлы трения, защитные элементы химического оборудования и т. д.). Сварные соединения остаются во многих случаях единственным методом изготовления наиболее сложных и ответственных металлоконструкций и изделий (трубопроводы, мосты, стыки рельс, корпуса энергетического оборудования и т.д.). Особенностью строения композиций с покрытиями и сварных соединений является наличие границ раздела в зоне соединения покрытия с основой и свариваемых конструкций.
Наличие на границах раздела значительных напряжений приводит к снижению надежности и долговечности композиций и сварных соединений, работающих в сложных условиях нагружения [4-7], Повышение прочностных свойств композиций «покрытие - основа» и сварных соединений по прежнему является важной и актуальной научно-технической проблемой, решаемой как с помощью традиционной термообработки, так и на основе применения новых технологий ультразвукового воздействия или их сочетания. При этом применение современных методов исследований поведения композиций при нагруже-нии и оценки их напряженного состояния, представляет интерес с научной точки зрения, так как позволяют по-новому выработать критерии повышения прочности композиции, но и являются весьма полезными для создания новых методов диагностики остаточного ресурса материалов и изделий [8-17].
Известно использование ультразвукового воздействия при кристаллизации металлов и сплавов с целью улучшения их структуры и повышения проч-
5 ности, а также для регулирования напряженного состояния и увеличения циклической долговечности сварных соединений [3, 18, 19], В тоже время влияние структурных и фазовых превращений, вызываемых ультразвуковым воздействием, на прочностные характеристики композиций «оплавленное покрытие -основа» и сварные соединения изучено недостаточно.
Большинство из разработанных на сегодняшний день экспериментальных подходов, применяемых в материаловедении, могут быть успешно использованы при решении отдельных задач в исследовании композиций «покрытие - основа» и сварных соединений. Но для получения более полной информации о процессах, происходящих в таких соединениях при нафужении, и описания вызывающих их механизмов требуется иной методологический подход при соответствующей экспериментальной базе,
В этом отношении принципы, методы и средства исследований, на основе физической мезомеханики материалов развиваемые в ИФПМ СО РАН (г, Томск) под руководством академика РАН В.Е, Панина, могут дать более глубокое представление о механизмах деформации и разрушения [8 - 17,20 - 28].
Сочетание металлографических исследований с оптико-телевизионным методом и акустическим контролем упрочняющего ультразвукового воздействия практически отсутствует. Таким образом, эффективность воздействия ультразвука на формирование структуры и свойств композиций, оценка их надежности и работоспособности при различных видах нагружения требуют дополнительных исследований.
Работа выполнялась в ИФПМ СО РАН в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ: «Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных материалов и новых технологий» (раздел «Разработка научных принципов создания технологий получения высо-: копрочных защитных и упрочняющих покрытий с использованием высококонцентрированных источников нагрева и проведение испытаний на прочность на основе принципов физической мезомеханики»), интеграционная программа
фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН (проекты № 28 и № 45 «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий»), совместный научный проект БРФФИ-РФФИ «Физическая мезомеханика деформирования и разрушения материалов, модифицированных плазменными, электронно-лучевыми и газотермическими методами» (шифр проекта БРФФИ: Ф99Р-105; РФФИ: 00-01-81134).
Цель работы.
На основе металлографического анализа и исследования поведения образцов при нагружении изучить влияние ультразвукового воздействия на структуру и свойства композиций «газотермическое покрытие - основа» и сварных соединений с целью повышения их прочности, надежности и долговечности.
Научная новизна работы,
Экспериментально установлено, что применение ультразвукового воздействия при оплавлении покрытий и предварительная ультразвуковая ударная обработка основы перед нанесением и оплавлением покрытий из Ni-Cr-B-Si-сплавов интенсифицирует диффузионные процессы элементов покрытия в основу. При этом увеличивается глубина насыщения поверхностного слоя основы углеродом и бором. Кроме атомов внедрения по границам аустенитных зерен происходит диффузия атомов замещения Ni, Сг и Si, что приводит к снижению температуры плавления участков диффузионного насыщения и облегчению их растворения в расплавленном покрытии. Эти процессы увеличивают количество углерода и бора в поверхностном слое основы, способствуют образованию игольчатой структуры на границе раздела, обеспечивают плавный переход прочностных свойств от покрытия к основе и повышают адгезионную прочность покрытия.
На основе исследований деформации и разрушения на мезомасштабном уровне композиций «газотермическое покрытие ~ основа» установлено, что сформированная в результате ультразвукового и ударного воздействия игольча-
7 тая структура границы раздела с плавным изменением микротвердости обеспечивает создание повышенной плотности локальных мезоконцентраторов напряжений» которые задерживают возникновение макроконцентратора и повышают прочность композиций на 10 - 15%.
- Установлено, что ультразвуковая ударная обработка сварных соединений сталей 12Х1МФ, 09Г2С и 12X18Н9Т измельчает среднюю величину зерна в 4 - 6 раз и повышает микротвердость в поверхностном слое основы. Сформированная ультразвуковой ударной обработкой структура затрудняет пластическую деформацию в поверхностном слое и приводит к увеличению предела пропорциональности сварных соединений.
- Исследования характера деформации и разрушения сварных соединений
на мезомасштабном уровне позволили установить, что ультразвуковая ударная
обработка приводит к устранению концентратора напряжений на границе раз
дела «сварной шов - основной металл» и повышению малоцикловой усталости
стали 12Х1МФ со сварным соединением в 4 - 5 раз.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты исследований влияния ультразвуковой и термической уп
рочняющей обработки на структуру и свойства композиций «покрытие - осно
ва» и сварных соединений полученных следующими способами:
ультразвуковым воздействием в процессе оплавления покрытий;
ультразвуковой ударной обработкой поверхности основы перед нанесением и оплавлением покрытия;
послесварочной ультразвуковой ударной обработкой сварных соединений.
2. Экспериментальные данные по характеру деформации и разрушения
композиций «газотермическое покрытие - основа» и сварных соединений на
мезомасштабном уровне.
Практическая ценность работы.
Режимы и практические рекомендации нанесения износостойких, коррозионно-стойких, газотермических покрытий с ультразвуковой обработкой на защитные втулки, гребни колес насосов, посадочные места валов роторов турбин химического оборудования использовались в ремонтном производстве ПО «Азотреммаш».
Технология нанесения износостойкого газотермического покрытия и термообработка поршня-бойка гидравлического отбойного молотка МГ-1 внедрена на Томском электромеханическом заводе.
Режимы и практические рекомендации по применению напыления и оплавления покрытий использовались при выполнении международного контракта АС 1145/797-90/1 между ИФПМ СО РАН и Центром металлургических исследований Министерства черной металлургии и машиностроения Республики Куба.
Рекомендации по нанесению износостойких и коррозионно-стойких покрытий на защитные втулки и штока задвижек, по использованию ультразвуковой ударной обработки сварных швов и гибов трубопроводов были разработаны при выполнении межотраслевой программы «Живучесть ТЭС» и договора с Костромской ГРЭС «Создание комплекса новых технологий и перспективных материалов для восстановления живучести ТЭС».
Результаты научных исследований использовались при разработке технологии упрочнения сварных швов рам большегрузных автомобилей БелАЗ. Технология апробирована и осваивается на ОАО «Томусинская автобаза».
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались на 17-й Национальной конференции «Термическая обработка» (Чехия, Брно, 1998г.); 5 международной конференции по Перспективным Материалам ІСАМ'99 в Китае (Пекин); Научно-практической конференции «Потенциал железнодорожного образования и науки на рубеже XXI века» (г. Омск, 2000г.); Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Калуга, 2000г.); VI Всероссийской (международной) конференции «Физикохимия ультра дисперсных (нано-) систем» (2002г.); I Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» (г. Томск, 2002 г.); 8-й Корейско-Российский международной конференции «Наука и техника» (Россия, Томск, 2004г.); 20-й международной конференции «Термическая обработка» (Чехия, Jihlava> 2004г,); II Международной конференции «Современные проблемы машиностроения» (г, Томск, 2004 г.)
По результатам диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них -10 статей в центральных российских и зарубежных журналах, 10 - в сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация изложена на 158 страницах, иллюстрируется 70 рисунками, 15 таблицами, состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 141 наименований и приложения.
Основными соавторами по опубликованным работам являются академик РАН, д,ф.-м.н., профессор В.Е. Панин, д.т.н. В.А. Клименов, д.т.н. СВ. Панин, К.Т.Н. В.П. Безбородое, д.ф.-м.н. ІО-Ф. Иванов, д.т.н. Плешанов B.C., к.т.н. Е.А. Ковалевский, к.т.н. Ж.Г- Ковалевская.
Автор выражает благодарность Валерию Павловичу Безбородову, Виталию Петровичу Першину, Павлу Викторовичу Уваркину, Борису Семеновичу Семухину и другим коллегам за продуктивную совместную работу.
Особенности формирования композиции - «газотермическое покрытие -основа» при термическом и ультразвуковом воздействии
Существуют различные методы газотермического напыления - газопламенный, плазменный, детонационный, дуговая металлизация и их модификации.
Суть всех методов газотермического напыления заключается в образовании направленного потока расплавленных дисперсных частиц напыляемого материала и обеспечении их переноса на поверхность напыляемой детали при рациональных значениях температуры и скорости.
При плазменно-дуговом нанесении покрытий плавление и транспортировка порошка осуществляется струей плазмы, образованной вдуванием плаз-мообразующего газа в электрическую дугу. Нагрев отдельных частиц порошка в плазменной струе происходит сравнительно неравномерно: одна часть частиц разогревается до жидкого состояния, другая - до жидко-твердого, возможны случаи недогрева частиц до температуры плавления. Это связано с неравномерностью распределения температуры и скорости плазменной струи в сечении и по длине. Поэтому покрытие формируется с различным строением и структурой отдельных частиц. Схему получения слоя газотермического покрытия и его особенности отражает рис. 1.1.
Для повышения прочностных характеристик газотермически напыленных покрытий применяют различные методы их обработки, разделяющиеся на обработку объемными и концентрированными источниками энергии. Классификация методов упрочнения напыленных покрытий представлена на рисЛ.2.
В качестве высококонцентрированного способа обработки ультразвук высокой интенсивности широко используется для регулирования структуры металлических материалов при кристаллизации, создании высококачественных поверхностных слоев при металлизации, интенсификации фазовых превраще С учетом ошбешюотей фшнки процесса итжта&я строения и структуры паншшпшх покрытий ш ттття ультразвука на структуру и фтнт-механические свойство металл о» н сплавов [36, 37] в ИФПМ СО РАН разработан метол напыления сотювр ттымутл-ртьуковьт воздействием [37].
Сущность метода заключается & подведении мощных ультразвуковых колебаний в іоиу покрытия вблизд пятил напыления (рис, 13).Монослой покрытия толщиной в несколько десятков микрометров, ншре-тый до нескольких сотен градусов и обладающий открытой пористостью, попадает иод действие ультразвукового коицетршчіра. Постоянно действующая силовая нагрузка создает не только акустический контакт, но и осуществляет силовое воздействие на слои покрытия При температурах, реализуемых в данном методе, для большинства металлов и сплавов существует «горячая» твердость, которая в несколько раз меньше значений твердости в нормальных условиях. Это облегчает деформируемость даже хрупких сплавов. Однако не исключен локальный нагрев до более высоких температур, так как импульсный характер нагружения с ультразвуком приводит к очень высоким скоростям нагрева и охлаждения.
Основными характеристиками воздействия ультразвука, определяющими физику протекающих процессов, являются максимальное давление и скорость его приложения. В результате действия этих факторов при обработке ультразвуком слоев покрытий развивается пластическая деформация. Ее протекание
Особенностью пластической деформации покрытия в данной схеме является ультразвуковое воздействие на напыляемый монослой (слой, формирующийся за время прохождения через пятно напыления). Структура монослоя покрытия создается в результате высокотемпературной кристаллизации из расплава либо деформирования частиц, нагретых до температуры, близкой к температуре плавления. Монослой покрытия состоит из совокупности отдельных частиц, продеформированных в разной степени и провзаимо действовавших между собой, а также из пор и несплошностей. Поры и несплошности в пределах монослоя имеют выход на поверхность. Условия для деформирования частиц монослоя при ультразвуковом воздействии зависят от их положения. Поверхностные частицы монослоя находятся в непосредственном контакте с концентратором - инструментом и имеют большую степень свободы для формоизменения, в отличие от ниже лежащих частиц, которые имеют более стесненные условия для пластического деформирования. В результате только частицы, находящиеся в непосредственном контакте с концентратором - инструментом, испытывают наклеп или ультразвуковую проковку и под действием сдвиговых напряжений в твердом состоянии размазываются по поверхности монослоя. Ниже лежащие частицы под действием сдвигающих напряжений могут заполнять несплошности и поры. При этом благодаря открытой пористости, характерной для монослоя, не происходит адиабатического сжатия воздуха в порах и несплошностях.
Степень пластической деформации при ударном воздействии ультразвукового инструмента определяется величиной пиковых напряжений [37] и зависит от амплитуды колебательных смещений м, постоянной силы Рни характеристик обрабатываемых материалов. В результате воздействия высоких и многократных напряжений происходит формоизменение самого покрытия в зоне локализации воздействия как следствие деформирования и уплотнения слоев.Локальность воздействия ультразвука имеет место лишь при поверхностном пластическом деформировании ультразвуковым инструментом, воздействие же ультразвуковых колебаний на жидкую фазу носит объемный характер независимо от зоны введения ультразвука.
Покрытия, напыленные с ультразвуковым деформированием, образовываются со значительным формоизменением слоев и частиц покрытия, приводящим к снижению количества структурных несовершенств (пор, трещин и несплошностей) и организации новых структур на всех уровнях.
Еще одним фактором воздействия ультразвукового деформирования, играющим большую роль в упрочнении материалов и изделий, является изменение характера и уровня остаточных напряжений 1 и 2 рода, что связано со структурными и фазовыми превращениями, скоростью их протекания при воздействии ультразвука, а также с увеличением степени деформации материала.
Использование ультразвуковой обработки позволяет снижать уровень растягивающих напряжений до их полной релаксации и создавать сжимающие напряжения. Снижение уровня растягивающих напряжений достигается вследствие превышения уровня предела текучести материала частиц покрытия и протекания локальной пластической деформации, создания и перераспределения напряжений сжатия, В покрытиях, обработанных ультразвуком, микронапряжения распределяются в меньших объемах, так как структура покрытий изменяется. В результате распределение напряжений становится более благоприятным с точки зрения влияния на динамическую прочность напыленных деталей. Знак и величина остаточных напряжений оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства покрытий и деталей в целом, особенно на износостойкость при работе в условиях наличия масляного клина и усталостную прочность.
В результате воздействия ультразвука при напылении газотермических покрытий с послойной проковкой ультразвуковым инструментом повышается адгезия на 30-50 %, когезионная прочность - на 15-20%, снижается пористость с 6-11 до 4-7 %, повышается микротвердость на 20-40 % [36]. Происходит перераспределение растягивающих остаточных напряжений на сжимающие.
Сравнительные испытания упрочненных и традиционно напыленных покрытий, проведенных при знакопеременном кручении по ГОСТ 23026-78, а также изучение процессов повреждаемости показали, что зарождение усталостных трещин происходит в зоне соединения, вследствие чего возникают локальные отрывы в точках наихудшего сцепления покрытия с основой. Эти зоны являются очагами усталостных трещин, которые, распространяясь преимущест
Материалы и способы обработки композиций и сварных соединений
В качестве материала основы использовалась конструкционная сталь 09Г2С, теплостойстойкая сталь 12Х1МФ,атакже аустеннтная сталь 12Х18Н9Т в состоянии поставки (горячекатаный лист). Химический состав приведен в таблице 2,4,
Образцы сварных соединений вышеперечисленных марок сталей выполнялось ручной дуговой сваркой на установке ВД - 306Э с соблюдением необходимых технологических условий. Классификация, хим. состав и механические свойства электродов приведены в таблице 2.6.
Ультразвуковая ударная обработка поверхности сварных соединений проводилась на комплексе (рис.2.2), состоящем из ультразвукового генератора УЗГ-0,6/27 мощностью 630 Вт и магнитострикционного преобразователя со стержневым волноводом, закрепленным в корпусе. К корпусу прикреплена державка в виде стакана (рис.2.3.), в торце которого просверлены цилиндрические каналы. В каналы вставлены деформирующие элементы стержневой формы, изготовленные из стали ШХ15, диаметром 5 мм и длинной 12 мм. В процессе обработки колеблющийся с частотой v=20 кГц торец волновода задает амплитуду смещения ,, прижимается через деформирующие элементы с усилием FH ДО 200 Н к обрабатываемой поверхности (рис.2.3.). Производительность комплекса при обработке сварных соединений составляет 0.03-03035 м /час. Ibmpmue мішротвердоети по ВиШфеу (ГОСТ 450-76) прошюдилась на приборе ПМТ-3 ори нагрузке на иилентор 0,49-0,98 Н.
Структур основы углеродистых сталей її.м%т.ял%сь травлением с ис-полъ -ю&ишем режгава: 4 ш. НМО КЮыл QfMJJL Структура ауетеимтиых а алей и сшшнов состам Ni-Cr-B-Si выявлялась с поадщью реагшвов: I) 50 мя
Для определения структурно-фазового состава покрытия и переходной зоны «покрытие-подложка» использовались данные о распределении (железа, никеля, хрома и кремния), полученные методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на установке Camebax MICRBEAM при ускоряющем напря-жении 20 кВ, токе пучка 1-Ю" А-10 мА и диаметре электронного зонда 1 мкм. На этом же оборудовании было получено изображение поверхности покрытия и переходной зоны композиции «покрытие-подложка» в характеристическом излучении Kcti {Ni, Cr, Si и Fe) методом ZAF коррекции.
Определение объемного соотношения фаз в оплавленном покрытии проводилось с помощью рентгеноструктурного анализа. Измерения проводились на дифракгометре "ДРОН-3" в Си-Ка- излучении. Изготовление образцов и методика ренттепоструктурного анализа покрытий не отличается от методик для сталей и сплавов, изложенных в работах [99-105]. Для определения фазового состава использовалась традиционная дифрактометрическая съемка в интервалах «0-20», где - угол отражения. Обработку рентгенограмм проводили с применением автоматизированной системы, содержащей около 40000 стандартов - карточек JCPDS - ASTM [103]. Количественный рентгенофазовый анализ основан на пропорциональной интенсивности дифракционных линий данной фазы, ее объемной доле в облучаемом объеме исследуемого материала [102], Суммарная интегральная интенсивность одной фазы, определенная экспериментально по рентгенограмме покрытия, сравнивалась с интегральной интенсивностью, рассчитанной теоретически. Учитывались инструментальные поправки, а также объем элементарной ячейки данной фазы, определенный предварительно измеренным параметрам решетки. Определение параметра кристаллической решетки производилось с помощью метода наименьших квадратов. Измерения напряжений по изменению скорости ультразвука
Скорость распространения акустических волн в твердых телах определяется модулями упругости и плотностью. Любое изменение напряженно-деформированного или структурного состояния материала вызывает изменение сил взаимодействия между атомами и расположения атомов, следовательно, и модулей упругости и функционально связанной с ними скорости распространения ультразвука. В настоящее время доказано, что прецизионные измерения скорости ультразвука в различных металлах и сплавах позволяют судить о вариациях химического состава, структурных изменениях, однородности строения объекта на микроскопическом уровне, характере распределений внутренних напряжений и пр. Тем не менее, зачастую невозможно вывести математические зависимости значения скорости акустической волны в материале от конкретных параметров структуры, содержания примесей или уровня напряжений в объекте. По этой причине экспериментально устанавливаются корреляционные связи между скоростью акустических волн v или частотой автоциркуляции v ультразвуковых импульсов, пропорционально связанных со скоростью (далее - информативный параметр) и исследуемым показателем. Эти связи имеют строгое физическое обоснование.
Так, внутренние напряжения I рода (макронапряжения) вызывают изменения межплоскостных расстояний и параметра кристаллической решетки материала, поэтому существенно влияют на скорость ультразвука и имеют вид эмпирической функции:где v -скорость ультразвука в твердом теле, м/с; v o начальная скорость ультразвука на границе раздела, м/с; 2а0 суммарные внутренние напряжения в металле, МПа; х показатель степени, характеризующий тангенс угла наклона кривой и определяющий интенсивность падения скорости ультразвука в металле.
Физический вид функции распространения скорости ультразвука мож л быть тгредставл следующей зависимостью:где a ускорение (ч.таедленшО распространения ультразвуковой волны м/с" ; г козффициенг внутреннего тренда ГЬ с. Мегодикй ижерешш ішїрш&шш 00 іімеїшіііш е&орос nt уль гр&жуши В настоящем методе при измерениям предусматривается предварительное построение гршущотчтш зависимости на рабочем эталоне (далее образне). Структура и химический состав объекта и образна илептн шы, im напряжения в фртт (в некотором допущении) отсутствуют.Б качестве средства ижерепш использовался прибор, в котором реализована штшшр&уляционшхя сх&ьт измерении скорости рііеироіп ранении понерх-кшнтшх (р яіе нскнх) вши (рие,2А}.
Влияние ультразвуковой ударной обработки на структуру и свойства сварных соединений
Эксплуатационные характеристики изделий с неразъемными сварными соединениями в значительной степени зависят от структурного состояния стали и качества сварного соединения.
Стальные металлоконструкции, имеющие сварные соединения, наиболее часто подвержены усталостному разрушению в области границы раздела «сварной шов - основной металл», так как эта область характеризуются значительными термическими напряжениями (рис.3.21,а, 3.22,а), различием прочностных свойств (рис.3.23) и структурной неоднородностью (рис.3.24). Несмотря на то, что уровень остаточных растягивающих напряжений ниже предела текучести материала, такое напряженное состояние металла является опасным, так как значительно повышается склонность к внезапному хрупкому разрушению. Поэтому устранение вышеперечисленных концентраторов напряжений значительно повышает прочность и долговечность деталей.
Ультразвуковая ударная обработка приводит к изменению структуры и свойств в поверхностном слое сварных соединений (рис.3.25).
После ультразвуковой ударной обработки сварного шва и зоны термического влияния всех исследованных сталей выделяются три характерные зоны, расположенные на различной глубине от поверхности:1 - зона измельченных в 4-6 раз зерен глубиной до ОД мм;2 - зона пластически деформированных УУО зерен глубиной до 0,8 мм;3 - зона релаксации остаточных термических напряжений с исходной структурой зерна глубиной до 15 мм.
Каждая зона отличается не только структурой зерна, но и значением микротвердости. Распределение среднего значения микротвердости по глубине от поверхности в зоне термического влияния сварного соединения исследованных сталей после УУО представлено на рис, 3.26.
В результате УУО в первой зове происходит интенсивная пластическая деформация, приводяиш к дроблению зерен н локальному нагреву поверхности металла с последующим охіщждепием. Многократное повторение процессов пластической деформации сопровождался дроблением зерен. Наїрсв в сочетании с интенсификацией диффузионных процессов под действием акустических колебаний }\о:гтітеї cumirib шшряжешя, необходимые для пластической деформации и дробления зерна, что прмподит к mwenhHtumo черна тгой тпи (в некоторых случаях до шиоструктурного еосчоявмя [120]), На поверхности в шне интенсивной ШПЮ ШЇЄСШЙ деформации и „максимальной температуры на грева, несмотря на значительное измельчение зерна, значение микротвердости ниже, чем в зоне деформированных зерен, и составляет в сталях: 12Х1МФ -2370 МПа; 12Х18Н9Т - 3480 МПа; 09Г2С - 2670 МПа (рис.3.26). Снижение микротвердости на обработанной поверхности стали, при максимальном измельчении зерна, подтверждает процесс нагрева металла в результате пластической деформации до значительных температур. По мере удаления от поверхности уменьшается величина пластической деформации и степень измельчения зерен, но увеличивается величина наклепа, так как снижается температура нагрева и значение микротвердости возрастает.
Вторая зона состоит из менее измельченных деформированных зерен, которые в результате наклепа при незначительной температуре разогрева имеют максимальную микротвердость и составляют в сталях: 12Х1МФ - 2490 МПа; I2X18H9T - 3560; 09Г2С 2750 МПа (рис. 3.26). Значительное повышение микротвердости в результате УУО высоколегированной аустепитной стали 12Х18Н9Т с 2150 МПа до 3560 МПа (рис. 3.26), в отличие от низколегированных феррито - перлитных сталей 12Х1МФ и 09Г2С, как показали исследования [83], обусловлено другими факторами. В результате УУО в аустенитной стали 12XI8H9T, кроме формирования сжимающих напряжений, измельчения зерна и повышения плотности дислокаций (как и в феррито - перлитных сталях 12Х1МФ и 09Г2С)? процесс сопровождается полиморфным у— Е превращением и образованием s-мартенсита, существенным уменьшением размеров и увеличением количества карбидных фаз, особенно Сг2зСб [119], По мере удаления от поверхности и уменьшения степени деформации зерен (рис.3,25) значение микротвердости снижается до уровня необработанного металла.
Третья зона - зона релаксации термических напряжений образуется в результате того, что при УУО в обрабатываемой конструкции возбуждаются сложные, в том числе и ультразвуковые, акустические колебания, В результате их частичного поглощения дефектами кристаллической решетки происходит локальный разогрев, что приводит к снижению напряжения, необходимого для движения дислокаций и увеличению скорости протекания диффузионных процессов [18, 89]. Таким образом, в результате снижения напряжения текучести материала и интенсификации диффузионных процессов происходит значительная релаксация термических напряжений в третьей зоне.
Влияние структуры и свойств композиций "покрытие - основа" на характер деформации и разрушении на мезомасштабном уровне при сжатии
Деформация растяжением как модельная схема наїружения редко встречается в реальных условиях эксплуатации деталей с газотермическими покрытиями, поэтому представляет интерес для исследования характера развития пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне компози ций «газотермическое покрытие - основа» в условиях сжатия. Исследования композиций «покрытие-основа» с напыленными покрытиями в условиях сжатия, перпендикулярных границе раздела, на мезомасштабном уровне [134] показали, что их деформация и разрушение имеют следующую стадийность:— Пластическое течение первоначально развивается в основе» в то время как покрытие еще "находится в упругой области",— Различие физико-механических характеристик покрытия и основы вызывает разное напряженно-деформированное состояние в образце около свободной поверхности подложки (противоположной покрытию) и со стороны покрытия. В результате образец испытывает изгиб, создающий зону концентраций напряжений, сопоставимую с размером образца (макроконцентратор напряжений).— Разрушение покрытия происходит за счет образования магистральной трещины на границе раздела «покрытие-основа» в средней части образца и се дальнейшего распространения под углом 30 к оси нагружения, сопровождающимся отслоением покрытия.
Механические характеристики композиций «покрытие-основа» с напыленным покрытием в условиях деформации сжатием (до разрушения покрытия) с соотношением толщины покрытия к толщине композиции у = 17% значительно выше, чем при деформации растяжением 76 Мпа, и составляют 250 Мпа, а также имеют более высокую пластичность с-3,2% вместо =0,5% при растяжении. Но, как и в условиях деформации растяжением, механические характеристики композиций «напыленное покрытие - стальная подложка» ниже, чем у конструкционной стали основы.
Композиция «покрытие-основа» с оплавленным покрытием ПГ-12Н-01 в условиях деформации сжатием имеет большие значения предела временной и адгезионной прочности, так как при оплавлении покрытие приобретает литую структуру и сплавляется с основой [135]. В композициях «покрытие-основа» с покрытием, оплавленным в условиях ультразвуковой обработки (УЗО), происходит растворение металла подложки по границам аустенитных зерен (рис.3.15) в результате увеличивается площадь переходной зоны и адгезионная прочность покрытия с 216 МПа до 280 МПа. Кроме того, в результате увеличения диффузии углерода и бора из покрытия в основу из низкоуглеродистой стали СтЗ, возрастает глубина зоны сплошной прослойки перлита и, соответственно, прочность материала основы. Как следует из графика на рисА14, несмотря па некоторое снижение микротвердости покрытия с 6600 МПа без УЗО до 6230 МПа с УЗО, значение предела прочности композиций в условиях деформации сжатием повышается от 560 МПа без УЗО до 610 МПА с УЗО [135].
Механические характеристики компонентов исследуемых в работе композиций «покрытие - основа» представлены в таблице 4,3,Результаты проведенных оптико-телевизионных исследований позволили обнаружить закономерности развития деформации и растрескивания композиций с оплавленными покрытиями в условиях статического сжатия в направлении, параллельном границе раздела. Рассмотрим результаты, полученные при исследовании образца с оплавленным без использования УЗО покрытием.в условиях ультразвукового воздействия и без такового с соотношением толщины покрытия к толщине композиции у = 17%,
При статическом сжатии образцов с покрытием, оплавленном без ультразвуковой обработки, пластическая деформация начинается с развития в основе нескольких полос Людерса - Чернова, распространение которых не имеет вида постепенного продвижения вдоль образца. При степени деформации г & 1.5% деформационный рельеф сформирован практически по всей поверхности основы. После этого пластическая деформация в течение длительного времени локализовано развивается в области, оптическое изображение которой приведено на рис, 4.15,а. При этом образец испытывает локальный изгиб, вызванный несовместностью развития пластической деформации в покрытии и основе, о чем свидетельствует картина распределения векторов смещений и 3D-представление сдвиговой компоненты тензора дисторсии (рис. 4,15,6, в).
На рис. 4.15 наблюдается формирование в основе двух шпряженнык полос локализованной шастнчесиой деформации, одна из спорых выявляется метатішграфичсеки (ш ряс. 4Л5,а показам пушегирпой стрелкой), а втр&яг - но ртірі мштю компоненты тешорн пластической диоторенв (на рис. 4.15з обо-шачена стрелкой), Как шжашшют проведенные жеперимептальиые исследования, именно локализованное развитие деформации с формированием дан ПЫЛ МЄ ДШОЛОС ОрИВОДМТ К ЗарОЖДеНИЮ И ПОЄЛЄДЩЄМу pOtMV ТреЩЙНЪГ В 1Kbкршии (в данном случае не магистральной, как на рис. 4.20д).
Рнс. 4,11 Оптическое изображение (а), соответствующее данной степени до-формации ноле веггаров смещений (б) и -распределение ашигоной комоо-иеніьі тешора дистреии (в) и обрати с итшвяенвьм покрытием; s=4 ,65%; Размер изображения 1.69х 1 „26 мм
По мере увеличении степени деформации до значения z & 2.2%, в иабдю-даемоп області и образна {рис. 4А 6л} развевается еи&ревой характер движения шгяршя й, о чем стыежпьстуег кщптш распределения векторов смещений (рнс. 4.16,5). В покрыл ик же прослеживается локализация дефоржщии еднмтм одною фрагмента покрытая относительно другого (на рис. 4.16$ направления их относительного смещения показаны стрелками)» которая не еонршюжд&ется нарушением сплошности, Локализация деформации, ыызшнпт перемещением элементов мезопру&туры, также і ш;т ержд аетем картиной 3D-распределение сдвиговой компоненты тензора дистореш (рис. 4Л6д). Важно, что для данной полосы локализованной деформации (обозначена стрелкой на рис. 4.16,в} фор мируетсн СОІЩЖК жеттх поверхности обочгалеиа пунвггирноЙ стрелкой которая проявляется ш оптических изобра-ш% степенях деформаций {т рис. 4Л7,а
Рис.-116. Оптическое изображение (п% cooi нететвушщее дан л ой степени деформации ноле векторов смещений (б) и 3D-распределение СДВИГОВОЙ композиты тензора дкеторстш (а) в образце с оплавленным нокрншш; 22%І Размер изображения І .69 \ .26 мы
