Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 2, стр. 38-45

Многочисленные фундаментальные исследования свидетельствуют об особой роли и специфическом влиянии поверхностно-упрочненных слоев на широкий комплекс прочностных и пластических свойств металлов [1–4]. Исследования направлены на получение такой структуры и свойств поверхности, которые обеспечили бы заданную статическую и циклическую прочность, износостойкость, коррозионную стойкость и т.д. деталей машин. В высшей степени это характерно для структур повышенной твердости и специфических свойств (“белые слои”), сформированных при воздействии на поверхностный слой материала высококонцентрированных потоков энергии [5–7]. Отмечено существенное влияние таких специфических структур на неупругие свойства сталей, характеризующие их демпфирующую способность, повышение которой приводит к снижению динамической напряженности деталей [8–10]. Авторами отмечается высокая чувствительность характеристик рассеяния энергии к структурно-напряженному состоянию поверхностного слоя металла.

Однако в исследованиях неупругого поведения материалов обнаруживаются противоречия, связанные с различной технологией формирования специфических высокопрочных структур в поверхностно упрочненных слоях. Вопросы интенсивности развития неупругих деформаций в сопоставлении с изменением прочностных характеристик исследуемых поверхностно-упрочненных материалов изучены недостаточно, в то время как упрочнению подвергаются тонкие поверхностные слои. Практически отсутствуют сведения, объясняющие закономерность необратимого рассеяния энергии (протекания неупругих процессов) в поверхностно-упрочненных стальных образцах.

В настоящей статье рассмотрено влияние регулярной структуры поверхностно-упрочненного слоя, полученного комбинированным способом, электромеханической обработкой и последующим поверхностным пластическим деформированием (ЭМО + + ППД), на закономерность изменения неупругих и микронеоднородных деформаций в стали 45 при статическом растяжении.

Материалы и методика эксперимента. Исследованию подвергались цилиндрические образцы диаметром 10 мм, длиной 100 мм из нормализованной стали 45 в исходном (неупрочненном) и упрочненном ЭМО + ППД состояниях. Электромеханическая обработка (ЭМО) заключалась в одновременном воздействии на вращающийся образец импульсного электрического тока плотности j = 400 А/мм² и механического усилия Р = 300 Н с использованием перемещающегося вдоль образца твердосплавного ролика. Локальный нагрев, сопровождающийся действием значительных давлений; короткий термический цикл (нагрев, выдержка и охлаждение), измеряемый долями секунды; высокая скорость охлаждения, определяемая интенсивным отводом теплоты вглубь материала образца, обуславливают получение специфической структуры мелкоигольчатого мартенсита (белого слоя) с твердостью Н_μ = 8.5 ГПа и глубиной до 200 мкм. За счет продольной подачи на поверхности цилиндрического образца формировалась регулярная макроструктура в виде спиралеобразных непрерывных полос (треков) упрочненного металла, разделенных зонами металла в исходном состоянии. Варьируя величину шага треков: S = 1.0; 1.25; 2.0; 3.0 мм получали различную степень их перекрытия на поверхности упрочненного образца. Данную структурную неоднородность оценивали коэффициентом перекрытия α; α = (S – a)/a, где а – ширина трека, S – шаг обработки.

Финишное поверхностное пластическое деформирование (ППД) проводилось с рабочей нагрузкой на инструмент Р = 600 Н; подачей S = 0.25 мм/об; скоростью вращения шпинделя 100 мм/об; числом проходов n = 1.

Для оценки влияния комбинированного упрочнения на неупругие свойства нормализованной стали 45 были проведены статические испытания на растяжение цилиндрических образцов (ГОСТ 1497–84). Образцы, находящиеся в исходном состоянии и обработанные ЭМО + ППД, подвергались осевому растяжению. Нагружение образцов осуществлялось с постоянной скоростью перемещения захвата, равной $v$ = 0.5 мм/мин, на машине УМЭ-10ТМ с прецизионной записью начальных участков диаграмм деформирования с одновременной записью петель механического гистерезиса. Использование специальных тензометров (с тензодатчиками омического сопротивления), позволило измерить неупругие деформации величиной 10^–5 относительных единиц. Величина неупругой деформации за цикл Δε оценивалась шириной петли механического гистерезиса. Метод статической петли гистерезиса заключается в оценке петли механического гистерезиса (наличие которой свидетельствует о необратимом поглощении части работы внешних сил), построенной в координатах σ – ε при монотонном изменении нагрузки. Петли гистерезиса снимались при разных уровнях напряжений и при одном и том же виде деформации.

Результаты и их обсуждение. Металлографический анализ и оценка микротвердости поверхности образцов после комбинированного упрочнения ЭМО + ППД показали, что регулярная неоднородная структура, сформированная при электромеханической обработке, и характер распределения микротвердости “наследуются” финишной операцией поверхностного пластического деформирования. В работах [11, 12] отмечалось существенное влияние состояния поверхностного слоя после ЭМО + ППД на закономерность макропластического деформирования. Установлено, что наличие высокопрочной структуры белого слоя в поверхности ведет к существенному увеличению механических характеристик. Условный предел текучести образцов после проведения финишной операции поверхностного пластического деформирования увеличивался в 1.5 по сравнению с образцами, подвергнутыми электромеханической обработке без ППД и в 1.8 по сравнению с образцами в исходном состоянии. Причем с увеличением мягкой прослойки между треками (уменьшением “сплошности” белого слоя) условный предел текучести увеличивался, достигая максимального значения при шаге обработки ЭМО S = 3.0 мм; σ_0.2 = 630 МПа (рис. 1).

Рис. 1.

Начальные участки диаграмм деформирования и структура образцов из стали 45, упрочненных комбинированной обработкой ЭМО + ППД с различным перекрытием треков на поверхности: 1 – S = 3.0 мм, α = 2.75; 2 – S = 2.0 мм, α = 1.5; 3 – S = 1.25 мм, α = –0.56; 4 – S = 1.0 мм, α = 0.25; 5 – S = 0.8 мм, α = 0 [11].

Проведен анализ неупругих свойств материала в связи с изменением структурного состояния поверхностного слоя стали 45 после ЭМО + ППД в сравнении с исходным состоянием и упрочненной традиционной электромеханической обработкой. Графики изменения ширины петли гистерезиса Δε, характеризующие неупругие свойства материала, от степени общей деформации образцов с коэффициентом перекрытия треков белого слоя α = 1.5 и α = 0.25 приведены на рис. 2, 3 соответственно. Из анализа следует, что нарастание общих пластических деформаций во всех случаях приводит к увеличению ширины петли гистерезиса. Интенсивность неупругих деформаций после комбинированной обработки ЭМО + ППД увеличивается для всех испытуемых образцов по сравнению с исходным состоянием. По мере сближения треков белого слоя (т.е. с увеличением доли высокопрочной структуры в поверхностном слое), при общей деформации ε = 0.5%, ширина петли механического гистерезиса упрочненных ЭМО + ППД образцов с коэффициентом перекрытия треков белого слоя α = 0.25 на 23%, с перекрытием α =1.5 – на 55% больше, чем в исходном состоянии.

Рис. 2.

Изменение ширины петли гистерезиса Δε в функции общей деформации ε, % образцов с коэффициентом перекрытия треков белого слоя α = 1.5 (шаг S = 2.0 мм): 1 – исходное состояние; 2 – упрочнение ЭМО; 3 – упрочнение ЭМО + ППД.

Рис. 3.

Изменение ширины петли гистерезиса Δε в функции общей деформации ε, % образцов с коэффициентом перекрытия треков белого слоя α = 0.25 (шаг S = 1.0 мм): 1 – исходное состояние; 2 – упрочнение ЭМО; 3 – упрочнение ЭМО + ППД.

Повышение механического гистерезиса связано с макроструктурной неоднородностью поверхностного слоя в осевом направлении (определяемой степенью перекрытия треков). Ширина петли образцов с коэффициентом перекрытия треков α = 0.25 составляет Δε = 0.016%, с α = 1.5, Δε = 0.025%. При дальнейшем повышении общей деформации (ε = 1.5%) картина развития неупругих деформаций принципиально меняется: с увеличением доли высокопрочной структуры в поверхностном слое интенсивность неупругих деформаций возрастает. Ширина петли механического гистерезиса упрочненных ЭМО + ППД образцов с коэффициентом перекрытия α = 0.25 составляет Δε = 0.052%, с α = 1.5, Δε = 0.042%.

Сравнительный анализ упрочненных ЭМО + ППД образцов с образцами, упрочненными традиционной ЭМО [10], показал, что неупругие свойства также зависят от регулярности треков белого слоя на поверхности. После проведения финишной операции ППД при общей пластической деформации ε = 0.5%, уровень энергетических потерь у поверхностно упрочненных ЭМО + ППД образцов с перекрытием треков α = 0.25 снизился в два раза (рис. 3), а с α = 1.5 практически не изменился (рис. 2) по сравнению с ЭМО.

Повышение механического гистерезиса после проведения традиционной ЭМО имеет структурную обусловленность: микроискажение кристаллической решетки белого слоя, наличие нестабильной фазы в поверхности (высокоуглеродистого мартенсита), макроструктурная неоднородность поверхностного слоя в осевом направлении. Однако после проведения финишной операции поверхностного пластического деформирования эти факторы оставались неизменными, а интенсивность протекания неупругих процессов в металле изменялась.

Выяснения закономерностей необратимого рассеяния энергии в стали, подвергнутой комбинированной обработке (ЭМО + ППД), необходимо рассматривать в связи с неоднородностью свойств упрочненных и неупрочненных микрообъемов стальных образцов. Одновременное изучение с развитием микронеоднородной деформации изменения неупругих свойств металла, показало, что развитие неупругих свойств является отражением развития микропластических деформаций в материале [6, 13]. Наличие в поверхностном слое образца чередующихся твердых полос (треков) белого слоя и мягких прослоек основного металла приводит к резкому изменению кинетики сдвигообразования по сравнению с образцами в исходном состоянии и упрочненными традиционной ЭМО. Как показывают эксперименты, уровень локальных всплесков микродеформаций при ЭМО + ППД увеличивается в 4–5 раз по всем структурным составляющим поверхности по сравнению с традиционной электромеханической обработкой и в 10–14 раз по сравнению с образцами в исходном состоянии. При шаге S = 1.0 мм интенсивность микродеформаций в “мягких” прослойках достигает значений η = 15.0–12.0 (η = ε_i/ε_ср, где ε_i – относительная деформация i-го участка; ε_ср – относительная средняя деформация), в то время как локальная неоднородность в белом слое η = –1.5–(–4.8), т.е. в процессе растяжения образца на упрочненных участках наблюдается явление сжатия, а интенсивность пластического течения приходится на “мягкие” прослойки (рис. 4б). С увеличением доли “мягкой” прослойки, наблюдается уменьшение уровня локальных всплесков микродеформаций в неупрочненном металле η = 5.0–5.5, а локальная неоднородность в белом слое принимает значение η = 1.4–1.5 (рис. 4а).

Рис. 4.

Распределение относительной микронеоднородной деформации стали 45, упрочненной ЭМО + + ППД с различной степенью перекрытия треков белого слоя: (а) – α = 1.5; (б) – α = 0.25 (общая деформация ε = 2.0%).

Проведенное исследование указывает на наличие нового механизма деформирования стальных образцов, упрочненных ЭМО + ППД и свидетельствует об интенсификации неупругих процессов, происходящих в металле под нагрузкой.

Объяснение повышению прочностных свойств и изменению неупругих свойств после обработки ЭМО + ППД по сравнению с традиционным электромеханическим упрочнением и исходным состоянием следует искать в сложном и неравномерном распределении остаточных напряжений по макроструктурным составляющим упрочненной поверхности. Картина напряженного состояния по элементам структуры складывается из остаточных напряжений в результате отдельных операций комбинированного упрочнения ЭМО и ППД, а также растягивающих напряжений при статическом деформировании. При приложении внешней нагрузки неизбежно возникает сложное напряженное состояние, вызванное совместной деформацией различных по своим свойствам элементов структуры, какими являются белый слой и исходный материал.

На рис. 5 представлена схема (идеализированная модель) формирования поля напряжений в области малых пластических деформаций, объясняющая специфику развития неупругой деформации образцов с различным взаимным расположением упрочненных треков на поверхности после ЭМО + ППД. Под влиянием термических процессов при ЭМО формируется сложное структурно-фазовое и напряженно-деформированное состояние материала в поверхности упрочненной стали, с превалирующими растягивающими напряжениями [14]. При упрочнении ЭМО + ППД с шагом S = 2.0–3.0 мм, δ/b > 1, где δ – ширина мягкой прослойки; b – ширина контакта инструмента с образцом, расстояние между треками больше чем ширина контакта инструмента с образцом мягкая прослойка упрочняется, наводятся благоприятные сжимающие напряжения от финишного поверхностного пластического деформирования (рис. 5а), что приводит к значительному повышению прочностных характеристик стали 45, и практически не снижает неупругие свойства по сравнению с образцами, упрочненными традиционной ЭМО.

Рис. 5.

Распределение напряжений стали 45, упрочненной ЭМО + ППД с различной степенью перекрытия треков белого слоя: (а) – α = 1.5 (S = 2.0 мм); (б) – α = 0.25 (S = 1.0 мм).

В случае, когда расстояние между треками меньше чем ширина контакта δ/b < 1 мягкая прослойка не подвергается обработке и к растягивающим напряжениям после ЭМО добавляются растягивающие напряжения после ППД (рис. 5б). По мере растяжения образца под действием суммарных напряжений происходит повышенная пластическая деформация, приводящая к разрушению “конструкции поверхностного слоя”. Белый слой сжимается (рис. 4б), что ведет к потере прочностных свойств, а интенсивность протекания в металле неупругих процессов снижается по сравнению с образцами, упрочненными ЭМО.

Предложенная схема формирования поля напряжений и деформаций (рис. 4, 5) в области малых пластических деформаций, раскрывает специфику пластической деформации и формирования неупругих свойств образцов от трансформации макроструктуры тонкого поверхностно-упрочненного ЭМО + ППД слоя.