Влияние ультразвуковых колебаний на тонкую кристаллическую структуру поверхностного слоя

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №5

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ТОНКУЮ КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

© 2009 Н.Д. Папшева, М.К. Александров, О.М. Акушская Самарский государственный технический университет Поступила в редакцию 16.11.2009

Приведены результаты исследования влияния параметров ультразвукового упрочнения на микроискажения, плотность дислокаций и структурные превращения в титановых сплавах и быстрорежущих сталях.

Ключевые слова: ультразвук, упрочнение, микроискажения, плотность дислокаций, структурно-фазовые превращения

Процесс поверхностного пластического деформирования оказывает существенное влияние на основные показатели качества поверхностного слоя, поэтому установление связи между структурными факторами, основными показателями качества поверхности и параметрами процесса упрочнения дает возможность назначения оптимальных режимов обработки. Исследование структурных изменений проводилось по интегральным ширинам В, которые определялись по формуле:

в = s

Im

где S - площадь между дифракционной кривой и линией фона, измеренная планиметрированием; Im - интенсивность в максимуме дифракционной кривой.

Разделение вкладов в уширение интерференционных линий за счет конечных размеров блоков мозаики и микроискажений кристаллической решетки обычно проводится по двум линиям соответствующим первому и второму порядку отражения от какой-либо плоскости [1]. Однако для титановых сплавов получить два порядка отражения невозможно. Поэтому использовались линии (0111) и (0113) а-фазы, на уширение которых вводилась поправка вследствие анизотропии упругих свойств. В предположении, что уширение рентгеновских интерференционных линий описывается функциями, после несложных преобразований получим следующие выражения для определения размеров блоков D и микроискажений Ad/d:

Папшева Нина Дмитриевна, кандидат технических наук, доцент. Е-mail: isap@ samgtu.ru

Александров Михаил Кузьмич, кандидат технических наук, доцент

Акушская Ольга Мордуховна, старший преподаватель. E-mail: Olgaaku@gmail.com

d =

10-

6Д0воШ - 3,75влз

-см,

Ad ~d

(3,58впз - 4,89впт >10 -

Плотность дислокаций определялась по формуле ND=3D2.

Изучение особенностей влияния ультразвукового упрочнения и обкатки шариком на тонкую кристаллическую структуру титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ОТ4 проводилось на образцах после точения, шлифования, а также в отожженном состоянии (Т1=950оС, 1 час, Т2=560оС, 6 часов - сплав ВТ9, Т=680оС, 2 часа, Т1=870оС, 2 часа, Т2=650оС, 2 часа - сплав ВТ3-1, во всех случаях охлаждение на воздухе). Закаленные быстрорежущие стали исследовали после шлифования. Исследования показали, что ультразвуковое упрочнение и обкатка шариком вызывают дополнительное уширение рентгеновских интерференционных линий после всех видов обработки (рис. 1). При этом увеличение деформационного упрочнения, определяемое относительным уши-рением рентгеновских линий на отожженных образцах (кривая 1), происходит более интенсивно, чем при упрочнении после точения, однако степень деформационного упрочнения во втором случае выше. На это, в частности, указывает тот факт, что уровень размытия рентгеновских интерференционных линий в образцах, упрочненных после отжига ниже, чем в упрочненных после точения. Это связано с тем, что при упрочнении образцов после точения реализуется субструктурное состояние с более мелкими блоками и большими микроискажениями кристаллической решетки.

4

4

В(0113), мин 35

30

25

20

15

2

—'

\

\ 1

X

50

100

150

200

250

РСТ:Н

Рис. 1. Влияние статического усилия на уширение линий в 0113 при УЗУ.

Титан ВТ3-1, ^ 15 мкм, У=30 м/мин., dш =5 мм,

8=0,07 мм/об., f=30 кГц. 1 - отжиг, 2 - точение.

Известно, что прохождение ультразвуковых волн через кристалл вызывает активацию дислокаций [2]. При пластическом деформировании в ультразвуковом поле часть активированных дислокаций становится подвижной, что вызывает локализованную пластическую деформацию. В предварительно точеных образцах доля подвижных дислокаций меньше вследствие большого количества препятствий. Это вызывает своеобразное субструктурное упрочнение за счет более мелких блоков с наибольшими микроискажениями внутри них. При упрочнении отожженных образцов движение активизированных ультразвуком дислокаций не тормозится препятствиями, в связи с чем длина их свободного пробега больше и, следовательно, степень упрочнения ниже. Анализ распределения уши-рений линий по глубине показал, что в отожженных образцах наиболее интенсивное деформационное упрочнение после ультразвуковой обработки распространяется до глубины 150-200 мкм, а в точеных до 80-100 мкм.

Проведенные исследования позволили установить, что поверхностное пластическое деформирование титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ9 и ОТ4 сопровождается дроблением блоков мозаики, значительным развитием микроискажений и увеличением плотности дислокаций. Причем обкатка шариком, как показали исследования образцов упрочненных в отожженном состоянии, отличается более сильными дроблением блоков мозаики по сравнению с ультразвуковым упрочнением (2,0 10-6 против 3,1 10-6), а также более интенсивными микроискажениями (4,6 10-4 против 6,1 10-4), достигающими глубины 250-300 мкм (сплав ВТ9). Обкатка шариком характеризуется также более высокой плотностью дислокаций К=7,5-10-11.

Увеличение размеров блоков, а также уменьшение микроискажений и плотности дислокаций при ультразвуковом упрочнении связано с поглощением акустической энергии в местах элементарных пластических сдвигов, что приводит к локальному нагреву, снятию напряжений, разблокировке дислокаций, увеличению их подвижности. Все эти факторы, характеризующие в общем разупрочняющее действие ультразвука, способствуют также более равномерной пластической деформации в процессе упрочнения. Эффект разупрочнения подтверждается измерением микротвердости поверхностного слоя ВТ9. Результаты этих исследований показали, что степень деформационного упрочнения при ультразвуковой обработке примерно на 10% меньше, чем при обкатке шариком, хотя остаточные напряжения имеют близкие значения ат=450 мПа.

Количественное определение содержания в-фазы в титановых сплавах ВТ9 и ВТЗ-1 производили по интегральным интенсивно-стям линий (0112) а-фазы и (200) в-фазы по формуле [1]

100

1 + 2,33 1а 1 в

При исследовании сплавов с малым содержанием в-фазы (ОТ4) использовали методику анализа отношения интегральной интенсивности (0111)а -фазы к суммарной интенсивности линий (0002) а-фазы и (110) в-фазы, которые накладываются друг на друга

i

(0111)а

1(0002)а+(110)в

При нахождении интегральных интенсивно-стей линий предварительно производилось

определение максимума линий (0111) а-фазы и (110) в-фазы. Наблюдаемое различие в интегральных интенсивностях анализируемых линий после ультразвукового упрочнения вызвано изменением фазового состава в поверхностных слоях. Таким образом, по приведенному отношению можно качественно судить о фазовых превращениях в титановых сплавах, содержащих небольшое количество в-фазы.

Исследование влияния ультразвукового упрочнения и обкатки шариком на фазовый состав поверхностного слоя титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ9, ОТ4 показало, что наибольшие

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №5(2), 2009

фазовые превращения при упрочнении происходят в отожженных образцах. Так, при ультразвуковом упрочнении и обкатке шариком образцов из сплава ВТЗ-1 в отожженном состоянии содержание Р-фазы на поверхности уменьшилось с 20% до 12% и глубина фазовых превращений при этом составляла 100150 мкм. При упрочнении точеных образцов количество Р-фазы уменьшилось с 10% до 45% (рис. 2).

Ср, %

О 100 200 Да, мкм

Рис. 2. Распределение Р-фазы по глубине. Сплав ВТЗ-1, Рст. 200 н, ^=15 мкм, У=30 м/мин., ёш=5 мм, 8=0,07 мм/об., f=20 кГц. 1 - после точения, 2 -после точения и ультразвукового упрочнения, 3 -после отжига и ультразвукового упрочнения

Сплав ВТ9 в отожженном состоянии содержал 17% Р-фазы, в результате обкатки шариком и ультразвукового упрочнения количество Р-фазы на поверхности уменьшилось до 8-9% и фазовые превращения наблюдались до глубины 100 мкм. Анализ интегральных ин-тенсивностей линий а и Р-фаз отожженного сплава ОТ4 показывает, что обкатка шариком и ультразвуковое упрочнение сопровождается Р^а превращениями. Исследования показали, что основной причиной Р^а превращений при ультразвуковом упрочнении и обкатке шариком является силовой фактор, это относится и к другим видам механической обработки.

Распад метастабильной Р-фазы под воздействием пластической деформации приводит к изменению характера эпюр остаточных напряжений, что объясняется различной плотностью фаз, так ёа=4,506-4,54 г/см2, ёр 1,354,47 г/см2. Поскольку плотность Р-фазы меньше плотности а-фазы, Р^а превращения, вследствие уменьшения объема в поверхностном слое, должны способствовать смещению эпюры остаточных напряжений в сторону положительного знака. У сплава ОТ4 величина тангенциальных и осевых сжимающих остаточных напряжений на 100-150 мПа выше, чем у сплавов ВТЗ-1, ВТ9, а количество свободной Р-фазы в исходном состоянии не

превышает 4-5%. На рис. 3 показана зависимость Р^а превращений в сплаве ОТ4 от величины статического усилия при ультразвуковом упрочнении. Уменьшение фазовых превращений при РСТ=250-300 Н, по-видимому, связано с явлением перенаклепа.

(ОН 1)дЛ(ооо2)а-К110)Р

1 ' \

у 2 \

0,3

О 10 20 30 Рсъ КГ

Рис. 3. Влияние статического усилия на Р^а превращение при ультразвуковом упрочнении образцов.

1 - после точения, 2 - после отжига. Сплав ОТ4; ^=15 мкм, V=30 м/мин., djn=5 мм, S=0,07 мм/об., f=20 кГц

Обкатка шариком быстрорежущей стали Р6М5 также приоводит к дроблению блоков мозаики и увеличению плотности дислокаций с максимум на глубине 80 мкм и значительному развитию микроискажений на глубине до 200 мкм. При этом микроискажения растут с повышением усилия обкатки. Обкатка шариком сопровождается выделением мелкодис-перстных карбидов, что подтверждается результатами металлографического и электрон-номикроскопического анализов. С увеличением усилия повышается их дисперстность и равномерность распределения в поверхностном слое, что должно повысить стойкость режущего инструмента.

При шлифовании закаленной стали Р6М5 вследствие высоких температур происходят структурные превращения, в результате которых в поверхностном слое повышается содержание аустенита до 26%. Обкатка шариком сопровождается частичным распадом аустенита (до 15%) и переходом в более износостойкую структуру мартенсит. Высокая твердость мартенсита обусловлена измельчением а-фазы в результате сдвинутого у^а превращения. Кроме того, карбиды, выделившиеся при упрочнении, очевидно, служат механическим препятствием для возникновения крупных кристаллов мартенсита. Поэтому кристаллы «мартенсита деформации» мельче

кристаллов мартенсита закалки недеформиро-ванной стали, что также существенно увеличивает износостойкость. При ультразвуковом упрочнении мелкоблочная структура «мартенсита деформации» наблюдается в поверхностном слое глубиной до 200 мкм, что коррели-руется с данными замера микротвердости. В результате фазового превращения количество остаточного аустенита снижается до 16% (рис. 4).

А.%

V 4 \\7

\\ l :

/6 u

200 400 600 800 и, мм

Рис. 4. Влияние УЗУ на фазовые превращения Сталь Р6М5, 4=15 мкм, V=30 м/мин., аш=5 мм, S=0,07 мм/об., f=20 кГц. 1 - РСТ=100 Н, 2 - РСТ=250 Н, 3 -РСТ=350 Н, 4 - неупрочн.

Электронномикроскопические исследования титановых сплавов показали, что максимальный распад Р-фазы наблюдается на по-

верхности образца и достигает глубины 100 мкм. У образцов в исходном состоянии четко различаются две фазы: светлая а-фаза и темная, в виде полос, ß-фаза. В результате ультразвукового упрочнения на поверхности наблюдаются интенсивные фазовые превращения, о чем свидетельствует значительное дробление и расслоение ß-фазы. Аналогичная картина наблюдается и на глубине 50 мкм. На расстоянии 100 мкм от поверхности интенсивность фазовых превращений, как и в случае рентгенографического анализа, незначительная.

Выводы: электронографические исследования подтвердили данные рентгенографического анализа и свидетельствуют о наличии ß^a превращений в поверхностном слое. Рентгенографический анализ изменения тонкой кристаллической структуры в зависимости от времени выдержки при температуре Т=350оС показал, что кратковременный (2 часа) и длительный нагрев (50 часов) практически не вызывают структурных изменений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Горелик, С.С. Рентгенографический и электроно-графический анализ / С. С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. - М., Металлургия, 1988. -249 с.

2. Эпштейн, Г.Н. Высокоскоростная деформация и структура металлов / Г.Н. Эпштейн, О.А. Кай-бышев. - М., Металлургия, 1985. - 182 с.

INFLUENCE OF ULTRASONIC OSCILLATIONS ON A THIN CRYSTAL STRUCTURE OF A SURFACE LAYER

© 2009 N.D. Papsheva, M.K. Alexandrov, O.M. Akushskaya

Samara State Technical University

Results of research the influence of a ultrasonic reinforcement parameters on microdistortions, density of dislocations and structural transformations in titanic alloys and rapid tool steels are resulted.

Key words: ultrasound, reinforcement, microdistortions, density of dislocations, structurally-phase transformations

Nina Papsheva, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Е-mail: isap@ samgtu.ru Mikhail Alexandrov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Olga Akushskaya, Senior Lecturer. E-mail: Olgaaku@gmail.com