Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 6, стр. 88-94

ВВЕДЕНИЕ

Распространение новых технологий, основанных на температурно-силовом воздействии на конструкционные материалы, обусловливает необходимость научных исследований, связанных со спецификой структурных и фазовых превращений при высокоскоростных методах поверхностного упрочнения. Такие методы, как правило, приводят к упрочнению не всего изделия, а только его поверхности. Тем не менее, именно свойства поверхности являются основополагающими для износостойкости, коррозионной стойкости, контактной выносливости, усталостной прочности и других эксплуатационных качеств материала.

Получаемые при высокоскоростных обработках поверхности, как правило, обладают уникальными свойствами, характеризуются высокой твердостью, их структура резко отличается от структуры основного металла, они плохо или совсем не травятся. Такие структуры образуются за счет нагрева поверхностного слоя выше температуры фазового превращения перлит–аустенит, а быстрое охлаждения со скоростью, превышающей V_крит (быстрый отвод тепла в сердцевину заготовки), обеспечивает протекание процессов закалки [1]. Структуры имеют специфические названия: белый слой, гарденит, белая полоса, зона вторичной закалки и так далее [2–6]. Для удобства из всего многообразия терминов выберем один и будем называть такую структуру белым слоем. По сравнению с мартенситом, полученным в результате стандартной закалки, повышенная твердость белого слоя объясняется возникновением бесструктурного мартенсита, когерентностью межфазных границ, концентрационной неоднородностью структуры, высокой дисперсностью и наличием нерастворенных карбидов [7–10].

Обобщая данные литературных источников о природе белого слоя, можно сказать, что для его получения требуется интенсивный нагрев с одновременной пластической деформацией и быстрый отвод тепла вглубь заготовки. Такие условия выполняются при обработке деформирующим резанием [11], в результате которой может происходить закалочное упрочнение [12]. На поверхности заготовки (вала) образуется рельеф в виде наклонных ребер (рис. 1), плотно (без зазора) прилегающих друг к другу [13]. Эти ребра, образующиеся при резании, представляют собой не отделившуюся от заготовки стружку.

Рис. 1.

Типичная оребренная поверхность стали (наклонные ребра без зазора, сталь 35).

Ранее проведенные исследования [14] показали, что в результате деформирующего резания на оребренной поверхности в сталях можно наблюдать как деформированную структуру, так и структуры полной и неполной закалки. Было установлено, что полученное структурное состояние обеспечивает увеличение твердости обработанной поверхности материала втрое. Необходимо отметить, что структура в данном случае может определяться многими факторами, в том числе составом стали, выбранными параметрами режимов деформирующего резания. В этом отношении структурное состояние поверхности различных материалов и его роль в упрочнении практически не изучены. В связи с этим в настоящей работе проведено исследование фазового состава и структуры ребер, формирующихся в стали У8 при деформирующем резании, с целью выявления роли структурного фактора в упрочнении поверхности данного материала (данной марки стали).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве заготовки использовали стальной вал У8 диаметром 56 мм в состоянии поставки (отжиг на зернистый перлит). Обработку деформирующим резанием проводили на кафедре “Инструментальная техника и технологии” МГТУ им. Н.Э. Баумана в режиме: скорость резания V_рез = 3.26 м/с, подача S = 0.05 мм/об., припуск t = 1 мм.

Структуру и фазовый состав образцов изучали следующими методами. Металлографический анализ поверхности шлифов проводили с помощью микроскопа Olympus GX51 с увеличением до 1000 крат. Для выявления структуры поверхность шлифов подвергали травлению 4% раствором HNO₃ в C₂H₅OH. Микротвердость образцов измеряли автоматическим микротвердомером EMCO–TEST DuraScan-70 при нагрузке 100 г.

Изображения поверхности образцов получены с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) FEI Scios при ускоряющем напряжении 20–30 кВ в режиме регистрации вторичных электронов с использованием детектора Эверхарта–Торнли. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), просвечивающая растровая микроскопия (ПРЭМ), энергодисперсионный анализ и дифракционный анализ выполнены с помощью микроскопа Tecnai Osiris при ускоряющем напряжении 200 кВ. Полученные данные анализировали с использованием программ Digital Micrograph, JEMS. Образцы для ПЭМ-исследований вырезали ионным пучком в колонне растрового микроскопа FEI Scios.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показана структура упрочненной поверхности стали У8, сформированная в процессе деформирующего резания. Хорошо видно, что обработка в вышеуказанном режиме привела к крайне неоднородной структуре ребра, что не наблюдалось ранее. Например, в [15] показано, что в стали 35 уменьшение подачи от 0.1 до 0.05 мм/об. приводит к гомогенной структуре ребра. Из прирезцовой зоны (это часть подрезанного слоя, испытывающая интенсивное трение в контакте с инструментом) наблюдается так называемый бесструктурный слой, плохо поддающийся травлению и состоящий в основном из светлых гладких областей. Противоположная часть ребра (свободная зона) хорошо травится, а светлые области в ней почти отсутствуют. Однако, несмотря на принципиальную разницу между структурой прирезцовой и свободной зон, их микротвердость отличается несущественно (630 HV_0.1 прирезцовая зона и 550 HV_0.1 свободная зона). Исходная микротвердость до обработки деформирующим резанием составляла ~200 HV_0.1.

Рис. 2.

Неоднородная структура упрочненной поверхности: а – общий вид (1 – ребра поверхностного слоя после деформирующего резания, 2 – объем, не затронутый обработкой); б, в – увеличенное РЭМ-изображение структуры отдельных ребер.

На РЭМ-изображениях (рис. 2б, 3а) видна рельефная, хорошо протравленная поверхность свободной зоны и гладкая, почти без ямок, прирезцовая зона. Для сравнительного анализа особенностей тонкой структуры, выявляемых методами ПЭМ, необходимо было вырезать ламели точно из каждой зоны. Для этого в режиме вторичных электронов были выбраны характерные участки из прирезцовой, так называемой бесструктурной, и протравленной свободной зоны. Места, из которых ионным пучком перпендикулярно поверхности образца были вырезаны ламели с полезной площадкой размером 7 × 7 мкм, отмечены черными горизонтальными линиями на рис. 3а.

Рис. 3.

РЭМ-изображение приграничной области прирезцовой и свободной зон, черные линии показывают места, откуда были вырезаны ламели (а); ПЭМ-изображение структуры в поперечном сечении прирезцовой (б) и свободной (в) зоны; увеличенное РЭМ-изображение бесструктурного участка и игольчатых кристаллов в прирезцовой зоне (планарный вид поверхности образца) (г).

Для ПЭМ-исследований ламели утоняли ионами галлия до толщины 50–70 нм. Отдельные небольшие участки ламелей утоняли до толщины 10–20 нм для изучения тонкой структуры с высоким разрешением. На рис. 3б, в представлены панорамные изображения структуры образцов, вырезанных из этих двух зон, полученные в ПЭМ. Исследования методами ПЭМ показали, что свободная зона ребра состоит из равноосных зерен размером 500 нм, а прирезцовая зона имеет сложную структуру. Интересно отметить, что микротвердость областей прирезцовой зоны составляет 900 HV_0.1, что в полтора раза выше среднего значения по ребру (~600 HV_0.1). ПЭМ-исследования выявили, что на участке с гладкими областями присутствуют зерна феррита неравновесной, произвольной формы размером в сотни нанометров (рис. 4). Кроме того, обнаружены мартенситоподобные участки с дисперсной паркетной структурой с размером кристаллов несколько десятков нанометров (рис. 4в), а также пластинчатые выделения цементита разных размеров (рис. 5): крупные одиночные пластины шириной около 100 нм (рис. 5а) и мелкие пластины шириной 5–15 нм, растущие в виде “бахромы” на границах ферритных зерен (рис. 5б). Мелкие выделения цементита были визуализированы с помощью электронной микроскопии высокого разрешения (рис. 5). Анализ Фурье дифрактограмм, полученных от участков изображений высокого разрешения, и сопоставление с теоретическими электронограммами подтвердили, что нанопластины являются цементитом и их размер составляет несколько нанометров.

Рис. 4.

Структура прирезцовой области: а – темнопольное изображение зерен феррита; б – соответствующая микроэлектронограмма; в – паркетная мартенситоподобная структура участка высокой твердости.

Рис. 5.

Пластины цементита разных размеров: а – ПЭМ-изображение крупной пластины; б – ПРЭМ-изображение мелких пластин, растущих на границе зерна; в – РЭМ-изображение высокого разрешения пластин наноцементита.

Структура образца, вырезанного из свободной зоны того же ребра, имеет принципиально другой вид. Наблюдаются только зерна феррита равноосной формы размером в сотни нанометров, без признаков мартенситной структуры и цементита (рис. 6а). Темнопольный анализ при большем увеличении отдельных зерен свидетельствует о наличии субструктуры. По границам зерен расположены мелкие выделения (предположительно, карбиды) размером в десятки нанометров (рис. 6б). Таким образом, обнаружено особое структурное состояние стали У8 после деформирующего резания, которое характеризуется наличием мартенситоподобной структуры, возникающей, как известно, в процессе закалки стали. При этом сохраняется исходный нерастворившийся цементит.

Рис. 6.

Субструктура ферритных зерен и пограничные выделения.

Для выяснения возможности реализации закалки сталей и соответствующих структурных превращений при деформирующем резании были проведены экспериментальные и расчетные исследования температур в зоне обработки. С помощью термопары была определена средняя температура в зоне резания, которая составила 1100°С. По термодинамическим расчетам средняя температура могла достигнуть даже значения 1500°С. Данные условия достаточны для протекания фазовых превращений при нагреве в процессе деформирующего резания. Оценка скорости нагрева составила 2.7 × 10⁶ град/с, а скорости охлаждения – 10⁴ град/с. Анализ полученных результатов показал, что в процессе деформирующего резания сталь испытывает импульсный нагрев и охлаждение за время порядка 1 с. Таким образом, проведенные исследования позволили определить особенности структурно-фазовых превращений при сверхкритических условиях их реализации, и установлено, что поверхностная закаленная зона после обработки деформирующим резанием имеет вид наклонных ребер без зазора, может достигать высоты порядка 1 мм.

В [14] была изучена структура стали 35 после обработки деформирующим резанием, которая при толщине ребра ~0.07 мм проявляет большую чувствительность к травлению, более дисперсная по сравнению с исходной структурой. Однако структура мартенсита закалки не выявляется. В свободной зоне ребра, т.е. области с меньшей температурой нагрева, наблюдаются даже поля с пониженной твердостью 550 HV_0.1, при твердости 670 HV_0.1 в середине ребра. В стали У8, в отличие от стали 35, поверхностная закаленная зона ребра неоднородна по толщине и обнаруживает целый спектр наноразмерных фаз. Вследствие этого при толщине ребра ~0.04 мм травимость прирезцовой и свободной зоны разная, а микротвердость в прирезцовой части ребра, где обнаружены светлые бесструктурные участки, составляет 900 HV_0.1, по сравнению с серединой ребра 670 HV_0.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами электронной микроскопии установлены следующие особенности структуры упрочненной поверхности стали У8, сформированной в процессе деформирующего резания. Показано, что структура оребренной поверхности крайне неоднородна. При толщине ребра ~0.04 мм прирезцовая зона плохо поддается травлению, в ней обнаружены светлые гладкие области, которые имеют сложную структуру, состоящую из разных фаз: феррита неравновесной формы с размерами кристаллов в сотни нанометров, участков с паркетной мартенситоподобной структурой размером в десятки нанометров, нерастворившегося цементита толщиной около 100 нм и вновь образовавшегося наноцементита с шириной пластинок 5–15 нм. Такой спектр структур способствует тому, что микротвердость светлых участков составляет 900 HV_0.1, что в 1.5 раза выше по сравнению со средней микротвердостью прирезцовой зоны.

Свободная зона, наоборот, хорошо травится, светлые области в ней почти отсутствуют, а значение микротвердости 550 HV_0.1 соизмеримо со средней микротвердостью прирезцовой зоны (600 HV_0.1). Структура этой зоны ребра принципиально отличается и состоит из равноосных ферритных зерен размером ~500 нм, имеющих субструктуру с пограничными мелкими выделениями (предположительно, карбидов) размером ~10–20 нм.