ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 11, с. 1216-1221
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.54:539.43
СРАВНЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ И МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ 65Г, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ © 2015 г. Р. А. Воробьев, В. Н. Дубинский
ФГБОУВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603600ГСП-41, Нижний Новгород, Минина ул., 24 e-mail: linuxjuicy@gmail.com Поступила в редакцию 07.11.2014 г.; в окончательном варианте — 14.05.2015 г.
Показано, что магнитно-импульсное воздействие в зависимости от параметров режима может оказывать многообразное влияние на поведение дефектов решетки и микроструктуру стали 65Г, следовательно на изменение механических свойств. Приведено сравнение механических характеристик стали 65Г, полученных методом инструментального индентирования, после термической и магнитно-импульсной обработки.
Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка, термическая обработка, отпуск стали, инденти-рование, твердость, модуль упругости, пружинные стали.
DOI: 10.7868/S0015323015110121
Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала, поэтому основные требования к пружинным сталям — это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, сопротивления микропластическим деформациям. Одной из распространенных рессорно-пружинных сталей является сталь 65 Г, которая характеризуется не только высокими прочностными показателями, но и повышенной износостойкостью.
Получение тех или иных эксплуатационных свойств определяется структурой стали, что в свою очередь зависит от характера и вида упрочнения. Разработка новых технологий упрочнения основана на изучении фундаментальных закономерностей поведения сталей и сплавов при таких воздействиях, как лазерное, термоциклическое, магнитно-импульсное, электромагнитное, плазменное, ультразвуковое. Большой интерес представляет воздействие слабых импульсных магнитных полей на структуру и свойства сталей и сплавов. Вводимая при магнитно-импульсной обработке (МИО) энергия на три порядка ниже значений, необходимых для термической активации процессов, влияющих на физико-механические свойства. Однако за счет локальной концентрации микровихрей внешнего поля в местах концентрации внутренних напряжений в материале изделия, она оказывается достаточной для развития внутренних, самоорганизующихся коллективных явлений диффузионной
и дислокационной природы [1, 2]. МИО переводит материал в новое структурное состояние через промежуточное неустойчивое состояние с повышенной энергией, при этом процессы самоорганизации диссипативных структур в результате импульсно-магнитной обработки продолжаются и развиваются в течение определенного времени (12—24 ч и более) после ее прекращения [3].
В [4] показано, что МИО стимулирует в закаленной стали 65Г процесс распада пересыщенного твердого раствора (мартенсита) даже при комнатной температуре, при этом уменьшение содержания углерода в мартенсите и его тетрагональности при МИО аналогично эффекту низкого отпуска при 170—180°С. Было также установлено, что МИО может одновременно повышать твердость и трещиностойкость стали [5].
За счет магнитно-импульсной обработки можно уменьшить избыточную энергию материала, связанную с концентрацией внутренних и поверхностных напряжений в детали, снизить вероятность ее поломки, повысить сопротивление разрушению [6].
Практическому внедрению МИО часто препятствует плохая воспроизводимость результатов, которую трудно объяснить без четкого понимания сути происходящих в металле процессов. Но переход к цифровым технологиям управления приборами, компьютерная обработка данных, разработ-
ка физически обоснованных моделей и способов извлечения из первичных данных реальных характеристик материалов, а также увеличение чувствительности и разрешающей способности приборов дает возможность фиксировать изменения свойств, связанных с "тонкой" структурой сталей после МИО, что может быть практически использовано при отработке и выборе оптимальных режимов магнитно-импульсного воздействия.
Одним из чувствительных методов исследования металлических материалов является инструментальное индентирование, позволяющее записывать диаграмму нагружения в координатах "сила—глубина внедрения индентора", что расширило возможности определения физико-механических характеристик материалов [7, 8]. Прослеживая полный цикл нагружения и снятия испытательной нагрузки, можно определить величины твердости, эквивалентные значениям, измеренным классическими методами Роквелла, Виккерса. Также этот метод позволяет определить дополнительные характеристики материала, такие как модуль упругости при индентировании и упругопластическая твердость, вошедшие в стандарт ISO 14577-1:2002(Е).
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Цилиндрические образцы из стали 65Г высотой 10 мм были изготовлены из калиброванного металла диаметром 8 мм. Исходная структура образцов после нормализации представлена на рис. 1а.
В лабораторной печи SNOL 30/1100 образцы нагревались до 830°С и затем подвергались закалке в масле.
Время нагрева рассчитывалось по формуле Старка
тн = — 2.3lg- 60, мин, (1)
н aF t -t
где G — масса нагреваемого металла, кг; С — теплоемкость металла, Вт ч/кг град; F — площадь тепло-воспринимающей поверхности, м2; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К; ?п — температура печи, °С; ?мн; — начальная и конечная температура металла, °С.
С целью получения свойств, соответствующих разным категориям прочности, первую партию закаленных образцов подвергали отпуску при температурах 100, 200, 360, 500°С, 90 мин.
На закаленных образцах второй партии проводилась магнитно-импульсная обработка по режимам: v — частота магнитного импульса 1, 5 и 10 Гц, время обработки 8 мин, напряженность магнитного поля H = 40 МА/м. Измерения проводились не ранее, чем через 24 ч после МИО.
Микроструктура изучалась на поперечных шлифах при увеличении х1000 на металлографическом
Таблица 1. Твердость стали 65Г
Твердость
Режим термической обработки по Роквеллу,
HRC
Нормализация 830°С 28
Закалка 830 С, масло 62
Закалка 830°С, отпуск 100°С, 1.5 ч 60
Закалка 830°С, отпуск 200°С, 1.5 ч 58
Закалка 830°С, отпуск 360°С, 1.5 ч 47
Закалка 830°С, отпуск 500°С, 1.5 ч 37
микроскопе MT 7530F. На микрошлифах измерялась макротвердость на твердомере "Rockwell 574" при соблюдении условий ГОСТ 9013—59.
Инструментальное индентирование проводилось на установке Fischerscope HM 2000 -компью-тизированной измерительной системе, предназначенной, в соответствии с требованиями стандарта ISO 14577, для определения микротвердости HV и модуля упругости EIT, ГПа.
Инструментальное индентирование в данной работе проводилось в микродиапазоне при следующих параметрах: верхний предел испытательной нагрузки 2 Н, предел глубины индентирова-ния до 4 мкм, радиус скругления R четырехгранного индентора Виккерса 0.22 мкм. На каждый режим термического и магнитно-импульсного воздействия исследовалось по пять образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Фотографии микроструктуры стали 65 Г после различных режимов термической обработки представлены на рис. 1.
Пересыщенность твердого раствора (мартенсита) углеродом, высокая плотность дислокаций, большие внутренние напряжения приводят к повышению твердости и прочности закаленной стали, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению.
С увеличением температуры отпуска от 100 до 500° С твердость стали 65Г монотонно снижается от 62 до 37 HRC (табл. 1, рис. 2), что объясняется развитием процессов распада мартенсита, а также возврата первого рода (отдыха), и получаемыми при этом микроструктурами: после низкого отпуска (100-200°С) — отпущенный мартенсит; после среднего (360°С) — троостит отпуска; после отпуска 500°С — троостосорбит отпуска.
Результаты измерения макротвердости по Ро-квеллу (HRC) хорошо согласуются с измерениями твердости по Виккерсу (HV200), полученными при инструментальном индентировании (рис. 2).
(а) (б)
Рис. 1. Структура стали 65Г, х1000:
а — после нормализации (пластинчатый перлит + феррит); б — после закалки (мартенсит закалки); в — после закалки и отпуска 100°С, 90 мин (мартенсит отпуска); г — после закалки и отпуска 200°С, 90 мин (мартенсит отпуска); д — после закалки и отпуска 360°С, 90 мин (троостит отпуска); е — после закалки и отпуска 500°С, 90 мин (троостосорбит отпуска).
Твердость по Виккерсу определяется при значительно меньших нагрузках (2 Н), чем твердость по Роквеллу, и является более чувствительной характеристикой сопротивления пластической деформации тсвд. Поэтому на графике зависимости "НК200— Тотп" выявляется максимум при температуре отпуска 100°С.
Сопротивление пластической деформации и его характеристики, в том числе твердость, можно представить как сумму нескольких вкладов [5]
Тспд Ттр. реш + Тд + Тгз + Ттв.р + Тчастиц,
. реш - "трение" решетки; Тд, тга, ^.р, Тчастиц -
где тч
сопротивление от взаимодействия дислокаций,
границ зерен, упрочнения твердого раствора, упрочнения частицами второй фазы, соответственно.
При низком отпуске незначительно снижается вклад Тд за счет процессов отдыха, сопровождающихся некоторым уменьшением плотности дислокаций в мартенсите, но существенно уменьшается вклад Ттв.р при обеднении мартенсита углеродом. В то же время образование при распаде мартенсита сегрегаций углерода, кластеров типа зон Гинье-Престона, дисперсных е-карбидов увеличивает вклад Тчастиц, величина которого зависит от среднего расстояния между частицами.
980 880 780 680 580 480 380
0
100 200
300
т, °с
68 63 58 53
о 48 §
43 38 33 28
400 500 600
- Твердость по Виккерсу А Твердость по Роквеллу
Рис. 2. Изменение твердости стали 65Г в зависимости от температуры отпуска.
235
230
225
£ 220 П
^ 215
н
^ 210 205 200 195
- 227 224
>207 209
- | Т 202 | | | |
0
100 200
300 Т, °С
400
500 600
Рис. 3. Изменение модуля упругости стали 65Г в зависимости от температуры отпуска.
Общий эффект определяется соотношением этих вкладов и их изменени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.