Особенности процессов, происходящих при ультразвуковой поверхностной пластической деформации и термической обработке технического железа

УДК 621.9.048.6, 621.787

Особенности процессов, происходящих при ультразвуковой поверхностной пластической деформации и термической обработке технического железа

И.А. Батаев, А.А. Батаев, В.А. Батаев, Ю.Н. Ромашова,

Д.В. Павлюкова, Е.Б. Макарова, Т.В. Журавина

Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 630092, Россия

Исследованы процессы структурных преобразований технического железа, обусловленные деформацией высокопрочным индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, и последующим отжигом без фазовой перекристаллизации. Показано, что отжиг при 500-700 °С, способствующий перестройке дислокационной структуры пластически деформированного технического железа и проявлению процессов рекристаллизации и полигонизации феррита, позволяет достаточно точно зафиксировать толщину пластически деформированного слоя. Зафиксированная металлографически для технического железа толщина слоя, наиболее интенсивно деформированного колеблющимся индентором, предварительно прижатым к заготовке с усилием 10 кг, равна ~20-30 мкм. Это составляет ~5-8 % от общей толщины пластически деформированного слоя.

Ключевые слова: техническое железо, ультразвуковая обработка, отжиг, рекристаллизация, полигонизация

Peculiarities of the processes involved in ultrasonic plastic deformation and heat treatment of iron

I.A. Bataev, A.A. Bataev, V.A. Bataev, Yu.N. Romashova,

D.V. Pavlyukova, E.B. Makarova and T.V. Zhuravina

Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, 630092, Russia

Structural transformations of iron deformed by an ultrasonic-frequency high-strength indenter with subsequent annealing free of phase recrystallization are studied. It is shown that annealing at 500-700 °C, which is conductive to rearrangement of dislocation structure of plastically deformed iron and to recrystallization and polygonization of ferrite, allows a rather accurate determination of the thickness of a plastically deformed layer. Metallographic estimation of the depth of the zone most severely deformed by the ultrasonic indenter preliminary pressed against the iron specimen with a force of 10 kg is ~20-30 jam, and this makes up ~5-8 % of the total thickness of the plastically deformed layer.

Keywords: iron, ultrasonic treatment, annealing, recrystallization, polygonization

1. Введение

Одним из эффективных методов поверхностной пластической деформации является предложенная И.И. Мухановым и сотрудниками обработка высокопрочным индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, способствующая повышению качества поверхностного слоя, созданию сжимающих напряжений, росту усталостной долговечности [1-3]. В последние

годы такую обработку рассматривают в качестве перспективного метода формирования нанокристалличес-кой структуры в поверхностных слоях металлических материалов. Такой подход активно развивается в работах В.Е. Панина с сотрудниками [4-8] и В.П. Алехина [9-11]. Однако вопрос о толщине наноструктуриро-ванного слоя, формируемого колеблющимся индентором, остается открытым. Очевидно, что деформирован-

© Батаев И.А., Батаев А.А., Батаев В.А., Ромашова Ю.Н., Павлюкова Д.В., Макарова Е.Б., Журавина Т.В., 2010

ный слой имеет явно выраженную градиентную структуру. Послойное ее исследование с использованием просвечивающей электронной микроскопии является весьма трудоемким процессом. Цель настоящей работы заключалась в изучении особенностей строения градиентного слоя, сформированного на поверхности технического железа путем отжига обработанных образцов и их последующего металлографического анализа. Такой подход позволяет качественно оценить характер пластической деформации материала по глубине слоя и предложить режимы его термической обработки, обеспечивающие получение оптимальной структуры.

2. Материалы и методы исследования

В качестве материала для исследования использовали техническое железо, содержащее 0.02 % С, 0.21 % Mn, 0.20 % Si, 0.015 % S, 0.009 % P. Предварительная термическая обработка образцов заключалась в отжиге при 950 °С. Средний размер ферритного зерна составлял 37 мкм. Выбор материала с малым содержанием углерода объясняется необходимостью снижения количества перлита и уменьшения его влияния на характер деформации ферритных зерен. Поверхностную пластическую деформацию образцов осуществляли твердосплавным индентором сферической формы, предварительно прижатым к заготовке с усилием 10 кг и колеблющимся с частотой 22 кГ ц. Обработку выполняли в режиме сканирования с применением манипулятора, осуществлявшего перемещение заготовки по двум координатам (рис. 1). После продольной обработки дорожки осуществлялось перемещение образца по второй координате на 0.1 мм и дальнейшее движение столика манипулятора выполнялось в обратном направлении. Скорость продольного перемещения составляла 300 мм/мин.

Термическая обработка образцов заключалась в их отжиге без фазовой перекристаллизации. Нагрев осуществляли в воздушной атмосфере в печи типа SNOL 7.2/1300. Диапазон температур отжига составлял 520-700 °C, длительность термообработки — 1 ч.

Для проведения структурных исследований использовали металлографический микроскоп Axio Observer A1m фирмы Carl Zeiss. Исследования выполняли на поперечных шлифах, приготовленных по стандартной

Рис. 1. Схема поверхностной обработки плоских заготовок из технического железа индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой. Р = 10 кг

методике. В качестве химического травителя использовали пятипроцентный спиртовой раствор азотной кислоты. Микротвердость измеряли на приборе Wolpert Group 402-MVD.

3. Результаты структурных исследований

Структура пластически деформированного, термически не обработанного слоя представлена на рис. 2, а. Метод визуального контроля не позволяет точно определить толщину деформированного колеблющимся ин-дентором слоя. В сформированной путем поверхностного упрочнения градиентной структуре очень трудно отличить слабо деформированные зерна феррита от пластически не деформированных. Метод контроля толщины деформированного слоя, основанный на измерении микротвердости материала, также не обеспечивает высокую точность. Микротвердость феррита интенсивно снижается до глубины ~ 80 мкм (рис. 3). На большей глубине слоя анализируемая зависимость выходит на стационарный уровень, что не позволяет надежно зафиксировать границу между деформированными и недеформированными зернами. В то же время в непосредственной близости к поверхности образца явно выделяется слой, находящийся в сильно деформированном состоянии, о чем свидетельствует измененная форма зерен феррита и повышенная химическая трави-мость шлифа, обусловленная присутствием большого количества дефектов кристаллической структуры деформационного происхождения.

Отжиг деформированных образцов при 520 и 560 °С способствует полигонизации феррита, признаками которой являются сетчатые построения, выявляемые внутри зерен методом химического травления (рис. 2, б). По наличию этих построений можно определить границу структурных изменений, обусловленных воздействием высокопрочного индентора. Находится эта граница на глубине ~400-450 мкм. Других более явных признаков пластической деформации в поверхностных слоях анализируемых объектов не обнаружено.

В верхних слоях образцов, нагретых до 590 °С, наблюдается структура рекристаллизованного феррита, сформированного на месте сильно деформированных зерен (зона 2 на рис. 2, в). Толщина этого слоя составляет ~20-30 мкм. Образование новой структуры в зоне наиболее интенсивной пластической деформации материала происходит путем зарождения новых центров кристаллизации феррита, формирования мелкозернистой структуры по механизму первичной рекристаллизации и последующего роста образовавшихся зерен по механизму собирательной рекристаллизации. Анализ строения поверхностного слоя свидетельствует о том, что для формирования более мелкозернистой структуры феррита температура отжига технического железа должна находиться в интервале ~ 560-580 °С. Расположен-

Рис. 2. Структура поверхностных слоев образцов из технического железа после обработки высокопрочным индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, и отжига при разных температурах: без нагрева

ный ниже деформированный слой 1 после нагрева до 590 °С имеет структуру полигонизованного феррита. Его толщина (~400 мкм) намного больше по сравнению со слоем 2.

Повышение температуры отжига образцов до 610 °С приводит к появлению в структуре деформированного индентором феррита еще одного характерного слоя 3, являющегося промежуточным по отношению к рассмотренным слоям 1 и 2 (рис. 2, г). Степень его деформации намного меньше по сравнению с поверхностным

слоем 2 и в то же время больше по сравнению со слоем 1. Температурно-временные параметры отжига промежуточного слоя способствуют интенсивному укрупнению в нем ферритных зерен. Анализ кинетики изменения размеров зерен свидетельствует о том, что причина их ускоренного роста обусловлена деформацией с критической или близкой к критической степенью. Новые зародыши рекристаллизации в промежуточном слое не возникают, рекристаллизация происходит путем миграции исходных границ зерен. Движущей силой про-

1401----------------------------------------1—

0 40 80 120 160

Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 3. Микротвердость поверхностного слоя технического железа, обработанного высокопрочным индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой. Диаметр сферы индентора — 8 мм, частота колебаний — 22 кГц, усилие прижатия индентора к заготовке — 10 кг, скорость продольного перемещения индентора — 300 мм/мин, поперечная подача — 0.1 мм

цесса рекристаллизации, развиваемого при отжиге технического железа после деформации с критической степенью, является разность в объемной энергии неодинаково деформированных соседних зерен феррита. Слабо деформированные зерна, характеризующиеся малой плотностью дислокаций, интенсивно укрупняются за счет соседних, деформированных в большей степени и имеющих более высокую плотность дислокаций [12, 13]. В результате этого размер рекристаллизованных зерен феррита в промежуточном слое 3 намного больше, чем в слое 2. Часть промежуточного слоя после часового отжига при 610 °С остается в нерекристаллизованном состоянии и сохраняет структуру полигонизованного феррита.

Дальнейшее повышение температуры нагрева до 650 °С приводит к формированию градиентной структуры, в которой можно выделить уже четыре слоя (рис. 2, д). Поверхностный слой 2 занят структурой, сформированной в результате первичной рекристаллизации и дальнейшего развития собирательной рекристаллизации. Кроме слоев 1-3, в структуре материала наблюдается зона 4, полностью занятая выросшими зернами феррита. Размер наиболее крупных из них достигает — 80-100 мкм. При нагреве деформированного материала до 700 °С процесс укрупнения зерен в зоне 4 становится более очевидным (рис. 2, е). Выросшие в этих температурно-временных условиях зерна достигают —250-300 мкм.

Анализ структуры поверхностного слоя, сформированного в условиях отжига при 700 °С, в полной мере соответствует классическим представлениям о развитии процессов рекристаллизации в металлических сплавах, деформированных с разной степенью. На схеме поверхностного слоя, представленной на рис. 4, выделены три характерные зоны (1, 2 и 4), отличающиеся между собой по степени пластической деформации и по физической природе процессов, протекающих при нагреве материала. Средняя зона — зона особо крупных зерен 4 —

1 4 2

£0

О.

8

О.

<и

5

есг Степень деформации

Рис. 4. Схема строения поверхностного слоя технического железа, обработанного индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, и отожженного в течение 1 ч при 700 °С, а также зависимости размера зерна после отжига от степени деформации материала: I — зона докритических степеней деформации, соответствующая слою 1 со структурой полигонизованного феррита; II—зона деформации с критической степенью и близкими к критической степенями, соответствующая слою 4 с особо крупными зернами феррита; III — зона закритических степеней деформации, соответствующая интенсивно деформированному слою 2, в котором при отжиге развивались последовательно процессы первичной и собирательной рекристаллизации

соответствует критической степени деформации и близким к ней степеням (е = есг). Для технического железа диапазон е составляет =5-10 %. Верхний слой 2 был деформирован со степенью больше критической (е > >10 %), о чем свидетельствует развитие в процессе отжига первичной и собирательной рекристаллизации. В зоне 1 упрочненного слоя процессы рекристаллизации феррита не проявились во всем диапазоне температур отжига. Это позволяет сделать вывод о том, что материал этой зоны был деформирован со степенью меньше критической (е < 5 %). Рекристаллизационные процессы в зоне 1 не проявляются. Признаком, свидетельствующим о пластической деформации этой зоны, является полигонизация ферритных зерен, имеющая место при отжиге материала.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Методы контроля толщины пластически деформированных слоев технического железа, основанные на измерении микротвердости и данных металлографического анализа образцов, обработанных высокопрочным индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, не обеспечивают высокую точность измерений.

Отжиг без фазовой перекристаллизации в диапазоне температур 500-700 °С, способствующий перестройке дислокационной структуры пластически деформированного технического железа и проявлению про-

цессов рекристаллизации и полигонизации феррита, в явном виде зависящих от степени деформации материала, позволяет более точно зафиксировать глубину пластически деформированного слоя.

Сопоставление результатов металлографических исследований поверхностно упрочненных и в дальнейшем отожженных образцов с диаграммой рекристаллизации, выраженной зависимостью «диаметр зерна феррита после отжига - степень деформации», позволяет определить глубину зоны, наиболее сильно деформированной колеблющимся индентором. Именно в этой зоне возможно формирование нанокристаллической структуры.

Зафиксированная металлографически на отожженных образцах технического железа толщина зоны, наиболее интенсивно деформированной колеблющимся ин-дентором, предварительно прижатым к заготовке с усилием 10 кг, равна —20-30 мкм. Это составляет —5-8 % от общей толщины пластически деформированного слоя.

Литература

1. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Поверхностный слой стальных деталей машин после ультразвуковой чистовой и упрочняющей обработки // МиТОМ. - 1969. - № 9. - С. 29-32.

2. Муханов И.И. Импульсная упрочняющечистовая обработка деталей

машин ультразвуковым инструментом. - М.: Машиностроение, 1978. - 44 с.

3. Муханов И.И. Ультразвуковая упрочняющечистовая обработка стали

и чугуна // Вестник машиностроения. - 1968. - № 6. - С. 64-66.

4. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируе-

мом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. - С. 7-15.

5. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.

6. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезо-мех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.

7. Панин С.В., Колгачев А.Е., Почивалов Ю.И., Панин В.Е., Горячева И.Г. Повышение износостойкости титанового сплава ВТ6 путем наноструктурирования поверхностного слоя и последующей химико-термической обработки // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. -Спец. выпуск. - С. 101-104.

8. Лотков А.И., Батурин А.А., ГришковВ.Н., КовалевскаяЖ.Г., Куз-

нецов П.В. Влияние ультразвуковой пластической обработки на структурно-фазовое состояние поверхности никелида титана // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31. - № 21. - С. 24-29.

9. Алехин В.П., Алехин О.В. Нанотехнологии поверхностной упрочняющей и финишной обработки деталей из конструкционных и инструментальных сталей // Машиностроение и инженерное образование. - 2007. - № 4. - С. 2-13.

10. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. - М.: Наука, 1983. - 280 с.

11. Алехин В.П. Технологические и структурные закономерности новой нанотехнологии поверхностной упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных сталей // Изв. Акад. пром. экол. - 2006. - № 3. - С. 64-65.

12. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: МИСИС, 2005. - 432 с.

13. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.

Поступила в редакцию 15.10.2009 г., после переработки 08.02.2010 г.

Сведения об авторах

Батаев Иван Анатольевич, асп. НГТУ, ivanbataev@ngs.ru

Батаев Анатолий Андреевич, д.т.н., проф., проректор НГТУ, bataev@adm.nstu.ru Батаев Владимир Андреевич, д.т.н., проф., проф. НГТУ, vabataev@yandex.ru Ромашова Юлия Николаевна, студ. НГТУ, julevern@inbox.ru Павлюкова Дарья Викторовна, асп. НГТУ, pavlyukova_87@mail.ru Макарова Евгения Борисовна, асп. НГТУ, Geni-makk@rambler.ru Журавина Татьяна Владимировна, асп. НГТУ, zhuravina@ngs.ru