^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.14:539.4.016
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА НА ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗУПРОЧНЕНИЕ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ЭВОЛЮЦИЮ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ, СФОРМИРОВАННОЙ В ЗАКАЛЕННОЙ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ
© 2014 г. А. В. Макаров*, ***, Л. Г. Коршунов**, Р. А. Саврай*, Н. А. Давыдова*,
И. Ю. Малыгина*, Н. Л. Черненко**
*Институт машиноведения УрО РАН, 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34 **Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ***Уральский федеральный университет, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: makarov@imach.uran.ru Поступила в редакцию 23.07.2013 г.
Методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновского структурного анализа, микродюрометрии и волнового рентгеноспектрального микроанализа исследованы изменения в процессе выдержек в вакууме продолжительностью от 10 до 1200 мин при температурах 350—550°C структуры, микротвердости и химического состава поверхностных слоев стали У8 (0.83 мас. % С), находящейся в исходном закаленном состоянии, а также после фрикционного нагружения в среде аргона в условиях трения скольжения в одноименной паре "сферический индентор—плоский образец". Показано, что наноструктурированный фрикционной обработкой слой обладает повышенным сопротивлением термическому разупрочнению по сравнению с недеформированной закаленной сталью не только при относительно коротком (до 1—2 ч), но и условиях длительного (до 20 ч) нагрева при температурах 350, 450 и 550°С. Это обусловлено сохранением в деформированном слое преимущественно нанокристаллической структуры при длительном нагреве до температуры 350°C, замедлением процессов образования карбидных частиц и возврата в а-фазе, торможением развития рекристаллизации, включая отсутствие при продолжительных высокотемпературных выдержках аномального роста отдельных рекристаллизован-ных зерен. После выдержек в вакууме в течение 10—1200 мин при температуре 350°C на поверхности деформированной фрикционным воздействием закаленной эвтектоидной стали обнаружено повышение концентрации углерода на 0.2—0.4 мас. % в слое толщиной до 1 мкм.
Ключевые слова: высокоуглеродистая сталь, фрикционная обработка, нанокристаллические структуры, микротвердость, теплостойкость, вакуум, химический состав.
DOI: 10.7868/S0015323014030061
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о термической устойчивости нанокри-сталлических и микрокристаллических структур, сформированных в металлах и сплавах интенсивной пластической деформацией, представляет значительный научный и практический интерес. Указанные неравновесные дефектные структуры обладают высокой запасенной энергией и являются метастабильными, вследствие чего для них нередко отмечается ускоренное развитие процессов возврата и роста зерен [1]. У субмикро- и на-нокристаллических материалов может наблюдаться даже аномальный рост зерен, связанный с миграцией неравновесных границ [2—4].
В целом ряде исследований рассмотрены особенности изменения при нагреве структуры и
свойств обработанных методами интенсивной (большой) пластической деформации железа [5—7], низкоуглеродистых [8—11] и среднеуглеродистых [12] конструкционных сталей, нержавеющих аустенитных сталей [13—15], а также высокоуглеродистых (до 1.2 мас. % С) сталей с исходной (до деформации) перлитной структурой [16—18]. Перевод данных относительно пластичных материалов в ультрамелкозернистое, субмикрокристаллическое или нанокристаллическое структурные состояния проводился методами сдвига под давлением [5—7, 9, 10, 14, 16—18], равноканального углового прессования [8, 11, 12], интенсивной прокаткой [13] и ультразвуковой ударной обработкой поверхности шариками (метод SMAT — surface mechanical attrition treatment) [15]. У высокоуглеродистой (0.6—0.8 мас. % С) перлитной стали,
деформированной в наковальнях Бриджмена, отмечается повышенное сопротивление нанокри-сталлической структуры разупрочнению при нагреве по сравнению с закаленным недеформиро-ванным состоянием [18].
В случае применения объемных методов интенсивной пластической деформации, область применения которых ограничена относительно пластичными металлическими материалами, сведения о теплостойкости и эволюции при нагреве субмикро- и нанокристаллического мартенсита, как правило, относятся к низкоуглеродистым сталям [например, 9, 10, 19, 20]. Существенно расширяет возможности исследования свойств нанокристаллического мартенсита различного состава поверхностная фрикционная обработка в условиях трения скольжения, которая позволяет наноструктурировать поверхностные слои даже таких высокопрочных и труднодеформируемых материалов, как закаленные высокоуглеродистые стали, а также термоупрочненные цементованные и быстрорежущие стали [21, 22].
В работах [21—27] установлено повышенное сопротивление разупрочнению при нагреве (выдержка 1—2 ч) субмикро- и нанокристаллических структурных состояний, сформированных фрикционной обработкой в подвергнутых лазерной или объемной закалке армко-железе и углеродистых сталях (0.20—1.35 мас. % С) с мартенситны-ми структурами. Повышенную теплостойкость рассматриваемых нанокристаллических структур связывали не только с сохранением высокой дефектности а-фазы при нагреве (торможением процессов возврата вследствие эффективного закрепления дислокаций сегрегациями из атомов углерода), но и с повышенной дисперсностью а-фазы, а также с торможением образования частиц е-карбида и цементита при нагреве деформированных трением сталей. Установлено [25, 26], что с ростом содержания углерода в сплавах эффект повышения теплостойкости при фрикционной обработке непрерывно уменьшается. Это, очевидно, обусловлено снижением стабильности и термической устойчивости дислокационных атмосфер при увеличении степени насыщенности их углеродом, в результате чего примесные атмосферы интенсивнее распадаются (диссоциируют) при нагреве, способствуя карби-дообразованию и ускоренному разупрочнению.
Важно отметить, что в большинстве работ теплостойкость наноструктурированных деформацией сталей исследовали при относительно непродолжительном нагреве (не более 1—2 ч). Исключение составляют, например, работы [9, 10], в которых применяли и более длительные отжиги. Однако уже при продолжительности нагрева 1—2 ч при температурах 450°С и выше в сильнодеформиро-ванной стали наблюдались рекристаллизацион-
ные процессы [9, 10, 18, 22, 25], развитию которых способствует общий высокий уровень дефектности субмикро- и нанокристаллических структур. В связи с этим важным с научной и практической точек зрения представляется изучение закономерностей термического разупрочнения, а также эволюции нанокристаллической структуры в процессе длительных (многочасовых) выдержек при различных температурах отпуска.
В настоящей работе проведен сравнительный анализ термического разупрочнения и структурных изменений в процессе выдержек в вакууме продолжительностью от 10 до 1200 мин (20 ч) при температурах 350, 450 и 550°С в стали У8 (0.83 мас. % С), находящейся в исходном закаленном (с обработкой холодом) состоянии, а также после поверхностного наноструктурирования в условиях фрикционной обработки скользящим индентором. Еще одной задачей работы было изучение влияния нагрева в вакууме на содержание углерода в поверхностном слое деформированной трением закаленной стали.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Материалом исследования служила сталь У8А промышленной выплавки, содержащая в мас. %: 0.83 С; 0.18 Сг; 0.12 N1; 0.18 Мп; 0.22 81; 0.10 Си; 0.018 Р; 0.006 8; остальное Fe. Образцы и инден-торы из стали У8 закаливали от 850°С в 10%-ном водном растворе №С1 для получения в а-твердом растворе максимального количества углерода. После закалки проводили охлаждение до —196°С, в результате чего содержание остаточного аусте-нита в структуре не превышало 5 об. %. Нано-структурирование поверхностного слоя образцов проводили в условиях трения скольжения в среде аргона одноименной пары трения "сферический индентор из стали У8—плоский образец из стали У8" (рис. 1), что предотвращало изменение химического состава поверхности трения. В случаях использования инденторов из других твердых материалов, например, из А1203 [26] или вольфрамо-кобальтового твердого сплава [28], имел место перенос отдельных частиц материала индентора на обрабатываемую поверхность стали. Рабочую поверхность размером 7 х 18 мм формировали на образцах стали при наложении дорожек, которые получали при возвратно-поступательном скольжении (1000 двойных ходов) сферического ин-дентора радиусом 3.5 мм с нагрузкой 780 Н и средней скоростью скольжения 0.015 м/с. Нагрев образцов при температурах 350, 450 и 550°С продолжительностью 10—1200 мин проводили в вакууме, который создавался системой из форвакуум-ного и высоковакуумного диффузионного паро-масляного насосов.
Исследование поверхностей осуществляли с использованием сканирующего электронного
Рис. 1. Схема фрикционной обработки образцов сферическим индентором в среде аргона.
микроскопа Vega II XMU, профилометра Wyko NT-1100, рентгеновского дифрактометра (в FeZa-излучении) и микротвердомера Leica VMHT (при нагрузке 0.49 Н). Электронно-микроскопическое исследование структуры осуществляли с использованием микроскопа JEM-200CX методом тонких фольг на просвет с применением одностороннего механического и электролитического утонения заготовок. Количественный анализ по углероду проводили на волновом микроанализаторе Inca Wave 700 и микроскопе Vega II XMU, оснащенном турбомолекулярным безмасляным высоковакуумным насосом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура стали У8 в исходном закаленном состоянии после закалки и обработки холодом при температуре жидкого азота представляет собой пластинчатый мартенсит (рис. 2а) с микротвердостью 9.4 ГПа. В результате фрикционного нагру-жения закаленной эвтектоидной стали формировалась поверхность трения (рис. 3а), типичная для полидеформационного механизма изнашивания, — со следами пластического оттеснения и отдельными микротрещинами усталостного характера (малоцикловая фрикционная усталость) [29]. Участки поверхности трения без микр
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.