ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 8, с. 858-861
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.54:539.43
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА ТВЕРДОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ЗАЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ © 2014 г. Р. А. Воробьев, В. Н. Дубинский
ФГБОУВП, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева ГСП-41, 603600 Нижний Новгород, ул. Минина, 24 e-mail: linuxjuicy@gmail.com Поступила в редакцию 09.10.2013 г.; в окончательном варианте — 27.01.2014 г.
На модельных образцах закаленной инструментальной стали У10А (стали W1-1.0C по AISI/SAE) показана возможность подбора режимов магнитно-импульсного воздействия, которые обеспечивают одновременное повышение твердости (по Виккерсу) и сопротивления разрушению (нагрузки появления трещины от отпечатка), что должно обеспечивать повышение вязкости стали и стойкости изготовленного из нее инструмента.
Ключевые слова: обработка импульсным магнитным полем, термическая обработка, заэвтектоидные стали, твердость, трещина, инструмент, диффузия, мартенсит, микронапряжения.
Б01: 10.7868/80015323014080166
Действие импульсного магнитного поля (ИМП) выявлено на самых разнообразных конденсированных системах (в том числе металлических материалах), общее свойство которых то, что все они насыщены множеством различного рода дефектов и находятся в неравновесном, хотя и метастабильном состоянии [1, 2].
В ферромагнитном металлическом материале при воздействии ИМП доменная структура последовательно перемагничивается с разрушением и образованием новых междоменных стенок и вновь их разрушением. При разрушении междоменных стенок снимаются связанные с ними дислокационные барьеры, освобождаются дислокации.
Ферромагнитные тела при намагничивании изменяют свои размеры в зависимости от магнитного насыщения, причем знак магнитострикции в процессе магнитно-импульсной обработки (МИО) изменяется.
Импульсное магнитное поле способно инициировать диффузионную неустойчивость, приводящую к повышению диффузионной подвижности примесей внедрения в металлических сплавах по сравнению с обычной перескоковой диффузией по междоузлиям [2].
Автор работы [3] считает, что под действием импульсных магнитных полей возбуждение решетки может быть вызвано изменением направления спиновых моментов электронов, в том числе в ядрах
дислокаций, что сопровождается появлением упругих напряжений магнитострикционной природы, активизацией дислокационных процессов.
Энергия, накопленная в виде новых дислокаций, в свою очередь, способствует повышению диффузионной подвижности атомов.
С позиций синергетики магнитно-импульсное воздействие обеспечивает материал энергией, необходимой и достаточной для развития внутренних, самоорганизующихся, коллективных явлений в металле.
Полученная после перемагничивания структура обладает повышенной метастабильностью всех фаз и стремится прийти в нормальное энергетическое состояние. После прекращения МИО "хаос" от магнитного воздействия не прекращается, но меняются характер движения и движущая сила, взрывной характер изменения дислокационной структуры переходит в замедленный, эволюционный. Дислокации начинают перемещаться (от областей, где их плотность максимальна), что способствует в дальнейшем более равномерному распределению дислокаций и микронапряжений по всему объему изделия.
В термоупрочненной быстрорежущей стали при МИО стимулируются процессы старения, преобразования остаточного аустенита в мартенсит, выделения дисперсных карбидов, коагуляции карбидов, диффузии тугоплавких компонен-
Таблица 1. Твердость по Виккерсу стали У10А после МИО
Время после обработки МИО
Обработка МИО сразу после МИО через 4 ч после МИО через 8 ч после МИО через 12 ч после МИО
0.5 Гц, 4 мин, 42 МА/м 840 868 926 927
1 Гц, 4 мин, 42 МА/м 854 897 926 926
5 Гц, 4 мин, 42 МА/м 883 926 913 926
10 Гц, 4 мин, 42 МА/м 883 882 913 926
тов к поверхности, которые, согласно работы [4], в основном завершаются за 36 ч.
В работе [5] была показана возможность с помощью МИО инициировать при нормальной температуре распад пересыщенного твердого раствора (мартенсита) в закаленной стали 65Г.
Таким образом, МИО может вызывать перестройку структуры системы, переводить ее в новое структурное состояние через промежуточное неустойчивое состояние с повышенной энергией [1-5].
В практическом плане за счет МИО можно путем целенаправленного изменения микро- и субмикроструктуры улучшать физико-механические свойства металлов и сплавов, в частности, повысить стойкость режущего инструмента [6, 7].
Причинами выхода инструментов из строя являются изнашивание поверхности и выкрашивание (скол) рабочей кромки. В этой связи представляет интерес изучение влияния режимов магнитной импульсной обработки на такие структурно-чувствительные характеристики упрочненной стали, как трещиностойкость и твердость.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы закаленной от завышенной температуры (850°С) стали У10А использовали как модельный материал в неравновесном охрупченном состоянии, при котором эффект от МИО должен быть выражен более явно [7, 8].
Твердость определяли по ГОСТ 2999 "Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу" при стандартной нагрузке (294.2 Н) на приборе "ИТ 5010".
Методика определения трещиностойкости основана на вдавливании в образец алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды на том же твердомере "ИТ 5010" при возрастающей нагрузке с шагом 9.8 Н. В результате испытания определялась минимальная нагрузка, при которой на образце после укола появлялась трещина размером 15-20 мкм.
Цилиндрические образцы диаметром 6 мм из стали У10А закаливали в воде от 850°С. Одна партия образцов после закалки подвергалась низкотемпературному отпуску при 150 и 200°С (1 ч), вторая — магнитно-импульсному воздействию на установке "ОИМП-101" по режимам: емкость конденсаторов 10 мкф, время обработки 4 мин, напряженность магнитного поля 42 МА/м; варьировалась частота прохождения магнитного импульса: 0.5, 1, 5, 10 Гц.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Закаленные в воде от 850°С образцы стали У10А имели твердость 883 HV (среднеарифметическое значение), после отпуска при 150°С — 880 HV, при 200°С — 806 HV. Относительная ошибка измерений составляет ±2%.
При низком отпуске в стали идут процессы распада пересыщенного твердого раствора (мартенсита) с выделением дисперсных s-карбидов. При этом обеднение мартенсита углеродом должно снижать твердость, а выделение карбидов — повышать. В данном случае суммарный эффект выразился в незначительном снижении твердости.
Измерение твердости обработанных на установке "ОИМП-101" закаленных образцов стали У10 производилось как сразу после МИО, так и спустя 4, 8, 12 и более часов после магнитного воздействия, результаты представлены в табл. 1 и на рис. 1.
Как видно из таблицы и рисунка, непосредственно после МИО твердость или не изменялась, или незначительно снижалась. Однако в течение выдержки 4—12 ч она повысилась при всех использованных частотах обработки на 40—50 единиц Виккерса, при дальнейшем продолжении выдержки твердость не изменялась.
Ранее нами было показано [5], что МИО стимулирует распад мартенсита уже при комнатной температуре аналогично действию повышенной температуры при отпуске. Но в случае МИО об-
860
ВОРОБЬЕВ, ДУБИНСКИИ
940
920
л 900 т с о
рд 880
е
в
Н 860
840
Время после МИО, ч
00
10
Частота мигнитного импульса, Гц
Трехмерная модель влияния частоты магнитного импульса и времени выдержки после МИО на твердость стали У10А.
щий эффект оказался упрочняющим, что может быть связано с ростом плотности дислокаций, образованием субграниц при магнитно-импульсном воздействии, в частности, в результате маг-нитострикции.
В табл. 2 представлены результаты определения трещиностойкости (по нагрузке появления трещины от отпечатка индентора) закаленной стали У10, влияния на нее МИО и низкого отпуска.
У закаленных от 850°С образцов стали У10А нагрузка появления трещины (НПТ) составляла 460 Н. Отпуск при 150 и 200°С способствовал существенному повышению НПТ при максимально достижимой нагрузке (1185 Н) на приборе "ИТ 5010" в отпущенной стали У10А трещин не было. В основном это обусловлено снижением закалочных
макро- и микронапряжений при нагреве до температур низкого отпуска.
МИО также существенно (примерно в два раза) повысила сопротивление образованию трещин в охрупченной закаленной стали У10А. Это может быть связано с увеличением плотности подвижных дислокаций, выравниванием напряжений в образце, релаксацией "пиков" напряжений, снижением общего уровня микронапряжений в результате как дислокационных перестроек, так и диффузионных процессов при распаде мартенсита.
Полученные в исследовании данные показывают, что МИО при правильно подобранных режимах может обеспечить одновременное повышение характеристик и сопротивления пластической деформации (твердость), и сопротивления
Таблица 2. Нагрузка появления трещины в стали У10А при различных режимах термической обработки и МИО
Режим обработки Нагрузка, Н
Закалка 850°С вода 460
Закалка 850°С вода + отпуск 150°С более 1185
Закалка 850°С вода + отпуск 200°С более 1185
Закалка 850°С вода + МИО 0.5 Гц, 4 мин, 42 МА/м 931
Закалка 850°С вода + МИО 1 Гц, 4 мин, 42 МА/м 1033
Закалка 850°С вода + МИО 5 Гц, 4 мин, 42 МА/м 613
Закалка 850°С вода + МИО 10 Гц, 4 мин, 42 МА/м 1033
разрушению (нагрузка появления трещины), что в итоге обеспечивает повышение вязкости упрочненной стали, стойкости изготовленного из нее инструмента.
ВЫВОДЫ
1. Магнитно-импульсная обработка повышает твердость закаленной стали У10, что связано со стимулированием процесса распада мартенсита, выделением высокодисперсной карбидной фазы, увеличением плотности дислокаций, дислокационными перестройками, формированием субзе-ренных границ.
2. Магнитно-импульсная обработка повышает трещиностойкость (нагрузку появления трещины от отпечатка индентора) в закаленной стали У10, что может быть обусловлено повышением релаксационной способности в результате увеличения плотности подвижных дислокаций, выравниванием внутренни
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.