Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой ультразвуковой финишной обработке

Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой ультразвуковой финишной обработке

В.А. Клименов, О.Н. Нехорошков1, П.В. Уваркин1, Ж.Г. Ковалевская1, Ю.Ф. Иванов2

Юргинский технологический институт при ТПУ, Юрга, 652000, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия

Методами оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии исследована перлито-ферритная сталь 60. Обнаружено, что в процессе воздействия ультразвуковой финишной обработки в приповерхностном слое толщиной 2...3 мкм образуется нанокристаллическая структура. В результате структурно-фазовых изменений и внесенных сжимающих напряжений микротвердость приповерхностного слоя стали возрастает.

Structure, phase composition and properties of pearlitic-ferritic steel at ultrasonic finishing treatment

V.A. Klimenov, O.N. Nekhoroshkov1, P.V. Uvarkin1, Zh.G. Kovalevskaya1, and Yu.F. Ivanov2

Yurga Institute of Technology associated with Tomsk Polytechnic University, Yurga, 652000, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 2 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, 634055, Russia

Methods of optical metallography and transmission electron microscopy are used to investigate pearlitic-ferritic steel 60 (in the Russian designation). It is revealed that at ultrasonic finishing treatment a nanocrystalline structure is formed in the subsurface layer 2...3 |xm thick. Microhardness of the steel subsurface layer increases due to structural-phase transformations and induced compressive stresses.

1. Введение

Поверхностно-пластическая деформация как способ упрочнения деталей применяется во многих отраслях промышленности [1, 2]. Одним из перспективных видов поверхностно-пластической деформации с целью модификации поверхности является технология упрочняюще-чистовой обработки ультразвуковым инструментом, или ультразвуковая финишная обработка. В результате данной обработки повышается микротвердость поверхностных слоев, формируются сжимающие остаточные напряжения и повышается износостойкость при трении скольжения [3].

Настоящая работа посвящена исследованию структуры и свойств стали 60 при ультразвуковой финишной обработке.

2. Материал и методы исследований

Материалом исследования являлась сталь 60, термо-обработанная по ГОСТ 398-96, состава: С — 0.57...0.65 %, Мп — 0.60...0.90 %, V — до 0.15 %, Si — 0.022...0.45 %, Р — не более 0.035 %, S — не более 0.040 %. Для исследований использовались образцы цилиндрической формы.

Ультразвуковая финишная обработка проводилась на токарном станке установкой УЗГ-02М, состоящей из ультразвукового генератора и магнитострикционного преобразователя. Обработка образца осуществлялась непосредственно индентором с твердосплавной напайкой ВК-8.

Исследование влияния ультразвуковой финишной обработки на структуру и свойства стали по глубине

© Клименов В.А., Нехорошков О.Н., Уваркин П.В., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф., 2006

образца производились при следующем режиме обработки: усилие прижима ультразвукового индентора FN = = 150 H и подачи S = 0.07 мм/об. При этом исходная шероховатость соответствовала 6 классу с Ra не более 3 мкм. На обработанных ультразвуком цилиндрических образцах проводились измерения шероховатости (Профи-лометр-296), микротвердости (ПМТ-3). Микроструктура изучалась на поперечных шлифах по глубине воздействия ультразвуковой финишной обработкой и одновременным измерением микротвердости. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе Neophot на образцах, подвергнутых химическому травлению в реактиве состава: 4 % HNO3 в этиловом спирте. Электронно-микроскопические исследования проводили с помощью электронного микроскопа ЭМ-125 при увеличениях 50000...100000 крат. Фольги готовили из пластинок, вырезанных параллельно поверхности обработки в характерных зонах. Утонение осуществлялось механическим и электрохимическим способами с двух или с одной стороны в случае анализа образцов, приготовленных непосредственно из поверхности. Анализ дефектной субструктуры и фазового состава осуществляли стандартными методами [4, 5].

3. Результаты и обсуждение

В результате ультразвуковой финишной обработки поверхности стали 60 шероховатость поверхности уменьшается с 6 (Ra = 3 мкм) до 8 класса (Ra = = 0.42 мкм), при этом происходят изменения структуры и свойств поверхностного и приповерхностного слоев.

Так, исследование структуры после ультразвуковой финишной обработки травлением поперечного шлифа стали слабым раствором азотной кислоты в спирте выявило тонкий приповерхностный слой, характеризующийся более высокой степенью травимости по сравнению с основным объемом материала (рис. 1). Толщина данного слоя изменяется в пределах 2...3 мкм, его мик-

Рис. 1. Металлографическое изображение микроструктуры стали 60 после ультразвуковой финишной обработки

ротвердость составила 6400 МПа. Повышенная трави-мость слоя указывает на существенное изменение его структурного и фазового состояния. Очевидно, что основной причиной этому является воздействие ультразвуковой финишной обработки на сталь. Выявить особенности структуры данного слоя металлографическим методом сложно вследствие его малой толщины и неустойчивой травимости, поэтому он будет рассмотрен более детально с помощью метода электронной дифракционной микроскопии ниже.

Структура стали на глубине 3...45 мкм — неравноосные зерна, вытянутые в направлении обработки. Степень деформации и значение микротвердости изменяются по глубине по мере удаления от поверхности (рис. 1, 2). С глубины ~45 мкм видимых металлографически структурных изменений не наблюдается, однако значения микротвердости составили 4500 МПа, что обусловлено созданием ультразвуковой финишной обработкой остаточных сжимающих напряжений [1].

С помощью метода электронной дифракционной микроскопии был более детально изучен приповерхностный слой стали 60 после ультразвуковой финишной обработки. Было установлено, что в сердцевине образца сталь имеет характерную для сталей данного химического состава феррито-перлитную структуру, состоящую из колоний пластинчатого перлита и зерен феррита (рис. 3). В зернах феррита наблюдается сетчатая субструктура; в ферритной составляющей перлитных колоний — сетчатая либо хаотическая дислокационная субструктура.

В результате ультразвуковой финишной обработки в поверхностном слое толщиной ~2...3 мкм формируется нанокристаллическая структура (рис. 4), состоящая из смеси кристаллитов а-фазы (средние размеры кристаллитов ~35...40 нм) и хаотически расположенных частиц цементита округлой формы средних размеров ~ 15...20 нм (рис. 4, в, темное поле в рефлексе [121^е3С).

Н50, МПа

2000

0 -I-1-1-1-1-

0 200 400 600 800 Ц мкм

Рис. 2. Распределение микротвердости Н50 по глубине стали 60 после ультразвуковой финишной обработки

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали 60 в исходном состоянии: а, б—светлопольное изображение; в — темное поле, полученное в рефлексе [121]FeзC; г — микроэлектронограмма к б. На (б) цифрами обозначены зерна феррита, значком П — зерно глобулярного перлита; на (в) стрелкой указан рефлекс темного поля

Микроэлектронограмма, полученная с таких участков фольги, имеет кольцевое строение (рис. 4, в). Это указывает на большеугловую разориентацию кристаллитов в а-фазы [6, 7]. По морфологическому признаку данная структура подобна структуре, называемой микродуплексной, т.е. структуре, состоящей из кристаллитов двух фаз, имеющих близкие размеры [8]. В нашем случае данный тип структуры следует называть (учитывая размеры кристаллитов, ее формирующих) «нанодуп-лексной». Области свободного феррита, характерные для структуры исходного состояния, не наблюдаются. Формирование данной структуры очевидно свидетельствует о протекании в приповерхностном слое стали 60 целого ряда процессов. Во-первых, происходит процесс деформационного разрушения перлита, и как было показано в [9], может сопровождаться как растворением пластин цементита, так и разрушением их на мелкие части с последующим растаскиванием по образцу. Во-вторых, осуществляется процесс формирования вокруг дислокаций атмосфер Коттрелла, а на субграницах — сегрегаций углерода, высвободившегося при разрушении цементита. В-третьих, идет процесс

переноса углерода движущимися дислокациями, а также диффузией углерода по дислокационным трубкам. В-четвертых, протекает процесс повторного выделения наноразмерных частиц карбидной фазы. Отсутствие зерен свободного феррита указывает на высокую подвижность углерода при ультразвуковой финишной обработке.

На глубине 3...10 мкм наблюдается структура, претерпевшая существенные деформационные изменения, а именно: в пластинчатом перлите отмечается фрагментация пластин феррита и цементита (рис. 5, а, б). Области свободного феррита приобретают субзеренное строение (рис. 5, г-и) с размерами субзерен 0.20...0.50 мкм. В субзернах, в отличие от исходных зерен, обнаруживается карбидная фаза, указывающая на высокую диффузионную подвижность атомов углерода при ультразвуковой финишной обработке и их массоперенос в области достаточно крупных ферритных зерен.

Таким образом, ультразвуковая финишная обработка приводит к формированию нанокристаллической структуры и деформационной субструктуры в подповерхностных слоях стали 60.

Рис. 4. Электронно-микроскопические изображения структуры поверхностного слоя стали 60 после ультразвуковой финишной обработки: а — светлопольное изображение; б — темное поле в рефлексе [121]FeзC; в — микроэлектронограмма. Структура на глубине ~ 2...3 мкм

Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения структуры стали 60 на глубине 3...5 мкм от обработанной поверхности: а, г, ж — светлополь-ные изображения; б — темное поле в рефлексе [013]Fe3C; д — темное поле в рефлексах [011]a-Fe + [201]Fe3C; з — темное поле в рефлексах [011]a-Fe + [031]Fe3C; в, е, и — микроэлектронограммы к а, г, ж соответственно. Структура стали на глубине ~3

4. Заключение

Проведенные исследования показали, что применение серийного ультразвукового оборудования для безабразивного шлифования позволяет повысить характеристики поверхностных слоев феррито-перлитной стали 60: увеличить микротвердость до 6400 МПа и снизить шероховатость до 8 класса. В основе таких преобразований лежит формоизменение микрошероховато с-ти и пластическое деформирование подповерхностных слоев. Превращения структуры сводятся к формированию в поверхностном слое нанокрокристаллической структуры и деформационной субструктуры в подповерхностных слоях.

Работа выполнена в рамках комплексного проекта фундаментальных исследований РАН № 8.2.1 и гранта РФФИ № 06-08-01220.

Литература

1. Болховитдинов Е.Н. Влияние дробеструйного наклепа на свойства стальных изделий. - М.: Машгиз, 1953. - 228 с.

2. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в ма-

шиностроении. - М.: Машгиз, 1951. - 280 с.

3. Абрамов О.В., Добаткин В.И., Казанцев В. Ф. и др. Воздействие мощ-

ного ультразвука на межфазную поверхность металлов. - М.: Наука, 1986. - 277 с.

4. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 583 с.

5. Хирш П., Хови Ф., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тон-

ких кристаллов. - М.: Мир, 1968. - 576 с.

6. Томас Г., Гориндж М. Просвечивающая электронная микроскопия материалов. - М.: Наука, 1983. - 318 с.

7. Иванов Ю.Ф., Пауль А.В., Конева Н.А., Козлов Э.В. Электронно-мик-

роскопический анализ нанокристаллических материалов // ФММ. -1991. - № 7. - С. 206-208.

8. Суховаров В.Ф. Прерывистое выделение фаз в сплавах. - Новосибирск:

Наука, 1983. - 167 с.

9. Громов В.Е., Козлов Э.В., Базайкин В.И. и др. Физика и механика волочения и объемной штамповки. - М.: Недра, 1997 - 291 с.

ги

т

, - ф

шННр-А

&

т