ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФОЗОВОГО СОСТАВА И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

 

Байбарацкая М.Ю., *Машков Ю.К., Пальянов А.А., **Эдигаров С.Р. (ОмГТУ, *СибАДИ, **ОТИИ, г.Омск, РФ)

 

The results of studying the process of modifications structure and tribotechnical properties by triboelectrical processing are stated in the given paper.

 

Одной из актуальных задач современного машиностроения является повышение работоспособности и долговечности деталей машин и особенно деталей узлов трения (трибосистем). Развитие методов упрочняющей обработки стальных деталей привело к созданию комплексных методов, предусматривающих одновременное использование различных видов энергетического воздействия на поверхность детали в процессе ее обработки. К таким перспективным методам относится и разрабатываемый авторами метод трибоэлектрической обработки (ТЭО), включающий поверхностное пластическое деформирование трением при одновременном протекании постоянного электрического тока в зоне контакта обрабатываемой детали с инструментом [1, 2].

В качестве объекта исследования была выбрана сталь 45 в нормализованном состоянии в виде плоских цилиндрических дисков Æ 50 мм. Цилиндрические поверхности после точения имели шероховатость Rz=20 мкм. Обработку проводили на установке, состоящей из понижающего трансформатора, токарного станка с электроконтактным устройством к патрону, а также из зажимаемой в суппорте станка пружинной державки с твердосплавным инструментом тороидальной формы. В процессе обработки варьировались величина деформирующего усилия в диапазоне от 400 Н до 600 Н, сила тока от 200 А до 600 А, изменялась скорость обработки от 3,5 м/мин до 8,9 м/мин.

Триботехнические свойства обработанных образцов определяли на машине трения СМЦ-2 по схеме трения ролик-ролик. Продолжительность испытания составляла пять часов при контактном давлении 30 МПа и относительном проскальзывании 15%. Износостойкость пары трения оценивали по массовой скорости изнашивания образцов пары трения. Взвешивание полимерных контробразцов выполняли на микроаналитических весах ВЛР – 20Г с погрешностью измерения не более 2*10^-4 г.

Влияние ТЭО на механические свойства оценивали по изменению микротвердости поверхности образцов. Для получения данных о характере изменения механических свойств по глубине зондируемого слоя изменяли нагрузку на индентор прибора ПМТ-3. Для исследования структуры поверхностного слоя использовали оптический микроскоп МИМ-8.

Анализ микроструктуры образцов показал, что при ТЭО вследствие высокоскоростного нагрева и охлаждения формируется поверхностный слой с мартенситной структурой. Толщина слоя с такой структурой зависит от величины силы тока и скорости обработки и достигает 200 мкм при I = 400 А, V = 3,5 м/мин.

Исследованием микротвержости обработанных образцов установлено, что в результате ТЭО происходит упрочнение поверхностного слоя на глубине до 200 мкм. Наибольшее влияние оказывают величина силы тока и скорость обработки, максимальное упрочнение наблюдается у образцов, обработанных с максимальной силой тока I=400 A при скорости обработки V=3,5 м/мин. На глубине 2,5 мкм микротвердость увеличилась в 4 раза.

С целью изучения физических причин изменения механических свойств проводили рентгенографирование исходных и модифицированных стальных образцов. В связи с малым содержанием легирующих элементов рентгенограммы сталей содержат только один сильный рефлекс a-Fe, который является основным при исследовании. Параметр и объем элементарной ячейки a-Fe определяли по смещению центра тяжести рефлекса (пика) a-Fe.

Полученные результаты показали, что наибольшее смещение центра тяжести (0,102) и изменение параметра ячейки (0,18 %) наблюдается на образцах, обработанных с силой тока I=400А, силой деформации P=400Н при скорости обработки V=3м/мин.

Значительный вклад в изменение характеристик механической прочности вносят субструктурные характеристики материалов: величина областей когерентного рассеяния (ОКР) - размер блоков мозаики кристаллической решетки. Результаты анализа формы рентгеновских линий - рефлексов a-Fe исходных и модифицированных стальных образцов представляют значительный интерес для понимания механизма упрочнения тонких поверхностных слоев. Влияние трибоэлектрической обработки на изменение названных параметров исследовали методом апроксимации формы рентгеновских линий дифракционных пиков a-Fe. Размер блоков мозаики D кристаллической решетки определяли по результатам анализа уширения дифракционного пика плоскости (110). При всех режимах трибоэлектрической обработки наблюдается уменьшение размеров блоков мозаики в 2,5-5,2 раза. К измельчению кристаллитов ведет увеличение силы тока и снижение силы деформации в процессе обработки, влияние скорости обработки имеет неоднозначный характер. Максимальное уменьшение размеров блоков мозаики наблюдается у образцов, подвергнутых трибоэлектрической обработке с режимами I=400А, P=400Н, V=3м/мин.

Отмеченные особенности в соотношениях изменения параметров элементарной ячейки субструктуры в результате трибоэлектрической обработки находят отражение в механизме упрочнения-разупрочнения поверхностного слоя.

Известно, что прочностные свойства металлов зависят от характера и взаимодействия дефектов различного рода, в первую очередь дислокаций. Результаты расчетов плотности дислокаций приведены в таблице.

 

Таблица - Плотность дислокаций и суммарные тангенциальные напряжения в приповерхностных слоях образцов

№	Режимы обработки	Верхний предел rDх1012, см-2	Нижний предел reх1011, см-2	Истинное значение rистх1011,см-2	Относи- тельное измене-ние Drист, %	Dd/d* *10-4	s1+s2, ГПа
1.	I=200А, P=400Н, V=3 м/мин	3,40	0,21	2,65	456	10,67	-0,1067
2.	I=400А, P=400Н, V=3 м/мин	34,69	0,23	8,96	1777	18,07	-0,18067
3.	I=200А, P=600Н, V=3 м/мин	1,76	0,22	1,98	315	9,31	-0,09308
4.	I=400А, P=600Н, V=3 м/мин	1,96	0,28	2,33	390	10,67	-0,1067
5.	I=200А, P=400Н, V=9 м/мин	2,45	0,25	2,48	420	9,78	-0,09782
6.	I=400А, P=400Н, V=9 м/мин	5,87	0,31	4,25	791	8,06	-0,08064
7.	I=200А, P=600Н, V=9 м/мин	1,80	0,20	1,92	302	7,06	-0,07057
8.	I=400А, P=600Н, V=9 м/мин	25,25	0,25	7,98	1574	14,34	-0,1434
	Без обработки	0,15	0,14	0,48			-0,02075

Величина и характер изменения плотности дислокаций в поверхностном слое образца в результате трибоэлектрической обработки согласуется с характером изменения размера блоков мозаики D. Минимальное изменение размеров блоков мозаики получено для образца, обработанного с режимами I=200А, P=600Н, V=9м/мин., для этого же образца получено и минимальное относительное изменение плотности дислокации, равное 240%. Максимальное изменение размеров блоков мозаики и плотности дислокаций имеет образец, обработанный с режимами I=400А, P=400Н, V=3м/мин, для остальных образцов наблюдаются промежуточные значения изменения рассматриваемых параметров.

В механизме изменения характеристик механических и триботехнических свойств металлов и сплавов наряду с рассмотренными характеристиками кристаллической и дислокационной структуры важное значение имеет характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое поликристаллических материалов. Установлено, что трибоэлектрическое воздействие вызывает пластическую деформацию в поверхностном слое.

Механизм формирования внутренних напряжений весьма сложен, и экспериментально вопрос о распределении механических напряжений в поверхностном слое материала, подвергнутого трибоэлектрической обработке, изучен слабо. В этой связи актуальным является проведение анализа напряжений, возникающих при трибоэлектрической обработке сталей.

Исследование напряжений в поверхностном слое производили в приближении плосконапряженного состояния (нормальная составляющая напряжений принималась равной нулю). В этом случае суммарные тангенциальные напряжения можно определить по формуле:

где Е - модуль упругости 1 рода; m- коэффициент Пуассона; Dd/d-относительное изменение межплоскостного расстояния для рассматриваемой линии на рентгенограмме по отношению к положению соответствующей линии не напряженного образца.

В таблице приведены результаты расчетов суммарных тангенциальных напряжений в исходных и модифицированных образцах, из которых видно, что во всех образцах в поверхностном слое есть остаточные напряжения сжатия. В результате трибоэлектрической обработки эти напряжения возрастают до 7,7 раза. Увеличение остаточных напряжений сжатия способствует повышению износостойкости и сопротивлению усталости трущихся поверхностей и согласуется с результатами других исследований. Хорошо видно, что увеличение (уменьшение) плотности дислокаций сопровождается повышением (снижением) суммарных напряжений, что согласуется с основными положениями материаловедения.

В результате трибоэлектрической обработки наблюдается значительное увеличение степени дефектности фазовых составляющих углеродистой стали. Установлено, что для стали 45 при всех режимах ТЭО наблюдается уменьшение областей когерентного рассеяния, как следствие, возрастание искажений кристаллической решетки, формирование развитой дислокационной структуры. Максимальные изменения структуры наблюдаются у образца, обработанного с режимами I=400А, Р=400Н, V=3м/мин. При этом размер блоков мозаики уменьшается в 14 раз, плотность дислокаций повышается почти в 20 раз, концентрация деформационных дефектов упаковки возрастает в 7,7 раза, внутренние напряжения сжатия – в 9 раз.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что трибоэлектрическая обработка инициирует протекание в приповерхностных слоях рекристаллизационно-динамических процессов, в результате которых формируется высокодефектная структура, и что повышение трибомеханических свойств углеродистой стали методом ТЭО связано с изменением микроструктуры и микротвердости приповерхностного слоя вследствие поверхностно-пластического деформирования и структурно-фазовых превращений углеродистой стали.

 

Литература

1.     Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Пальянов А.А. Повышение износостойкости стальных деталей методом трибоэлектрической обработки. // Омский научный вестник. 2002.- Вып.18. –с.101-103.

2.     Байбарацкая М.Ю., Машков Ю.К., Пальянов А.А. Повышение износостойкости стальных деталей методом трибоэлектрического упрочнения.// Состояние и перспективы развития дорожного комплекса: сб. научных трудов. Выпуск 3. – Брянск: БГИТА, 2001. – С.8-10.