На правах рукописи

ФЕДОРЕНКО Ольга Николаевна

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СВОЙСТВА ПРУЖИННЫХ

СТАЛЕЙ, ПОДВЕРГНУТЫХ ФРИКЦИОННОМУ

ДЕФОРМИРОВАНИЮ

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2014

Работа выполнена на кафедре металловедения ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

доктор технических наук, профессор,

Научный руководитель:

Бараз Владислав Рувимович Коршунов Лев Георгиевич, доктор

Официальные оппоненты:

технических наук, ФГБУН Институт физики металлов УрО РАН, главный научный сотрудник лаборатории физического металловедения Саврай Роман Анатольевич, кандидат технических наук, ФГБУН Институт машиноведения УрО РАН, заведующий лабораторией конструкционного материаловедения ФГБОУ ВПО «Уральский

Ведущая организация:

государственный лесотехнический университет»

Защита диссертации состоится «12» декабря 2014 г. в 15:00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.285.04 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. Мт-329.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», http://dissovet.science.urfu.ru/news2/

Автореферат разослан «_» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Мальцева Людмила Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание новой техники и передовой технологии непосредственно связано с развитием и качественным улучшением свойств и служебных характеристик металлических материалов.

Среди них особое место занимают пружинные стали и сплавы, используемые в приборо- и машиностроении для изготовления различных упругих элементов ответственного назначения. Специфические условия работы большинства пружинных изделий требуют применения сталей и сплавов с высоким уровнем прочностных и упругих свойств, достаточной пластичности, повышенной релаксационной и усталостной стойкости.

Пружинные сплавы являются высокопрочными материалами, поскольку способность воспринимать и передавать значительные силовые нагрузки, исключая при этом возможность протекания даже малой по величине остаточной деформации, это одно из основных функциональных свойств упругих элементов. Подобное качество особо важно для пружин, используемых для точных приборов, прецизионных измерительных устройств. Кроме того, такие изделия обычно эксплуатируются в условиях преобладающего воздействия крутящих и изгибных нагрузок, вследствие чего максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях упругих элементов. Данное обстоятельство закономерно диктует необходимость применения таких высокопрочных материалов, которые характеризуются повышенным сопротивлением пластической деформации поверхностных участков. Вот почему определенное внимание могут привлекать технологии, позволяющие целенаправленно обеспечивать поверхностное упрочнение таких материалов. Среди них очевидный интерес способны представлять методы поверхностной обработки, основанные на применении пластического деформирования (обкатка роликами и шариками, дробеструйная обработка, алмазное выглаживание и др.).

Одним из способов поверхностного пластического деформирования является фрикционная обработка в условиях трения, исключающих заметный деформационный разогрев. Показано, что в результате такого деформирования в поверхностном слое обрабатываемых изделий возникают ультрадисперсные, в том числе и нанокристаллические структуры. Наличие у возникающих в зоне фрикционного контакта структур особых свойств (высокая твердости и достаточная пластичность, повышенная устойчивость к разупрочнению при отпуске, фрикционная теплостойкость) позволяет рассматривать упрочняющую фрикционную обработку в качестве перспективного способа улучшения эксплуатационно важных характеристик металлических поверхностей.

Исследованию фрикционного поверхностного воздействия на стали и сплавы посвящено большое количество работ. Получены результаты, имеющие важное научное и практическое значение. Но, несмотря на повышенное внимание исследователей к проблеме поверхностной прочности стальных изделий, ряд важных вопросов, касающихся структурных превращений, механизмов деформационного упрочнения и их влияния на физико-механические свойства, остаются недостаточно изученными. Так, обстоятельные исследования в этой области (Л.Г.Коршунов, А.В.Макаров, С.Ю.Тарасов и др.) в большей степени затрагивали вопросы, связанные с влиянием подобной обработки на показатели износостойкости исследуемых материалов. Вместе с тем отсутствуют сведения относительно обработки трением пружинных материалов, работающих, как отмечено выше, в специфических условиях нагружения. При этом применительно к упругим элементам, используемым в точном приборостроении, речь обычно идет о пружинных изделиях, изготовленных из ленточных или проволочных заготовок, имеющих малые габариты и характеризующихся тонким сечением.

Изложенное выше показывает, что для изделий тонкого сечения вполне значительным по воздействию может оказаться использование фрикционного нагружения с целью влияния на структурное состояние и очевидное изменение свойств. В этом отношении удобным объектом изучения могут быть длинномерные материалы с малой величиной поперечного сечения.

Примером таких изделий можно считать ленточные заготовки для упругих элементов, которые получаются путем плющения проволочных (круглых) полуфабрикатов. При этом самостоятельное значение применительно к ленточным материалам могут иметь свойства, которые оказываются наиболее важными именно для пружинных изделий – сопротивление малым пластическим деформациям, повышенная твердость, релаксационная устойчивость, усталостная стойкость, сопротивление повторному нагружению (эффект Баушингера). Особый интерес могут представлять также эффекты, обусловленные возможностью изменения фазового состояния в ходе фрикционного нагружения. В частности, следует ожидать стимулирование полиморфного превращения в сплавах, содержащих метастабильные фазы (например, фазовый переход аустенита в мартенсит деформации).

Цель работы – применительно к пружинным сталям мартенситного и аустенитного классов выявить особенности формирования тонкой структуры после обработки трением, определить функциональные свойства таких материалов, а также разработать метод поверхностной фрикционной обработки длинномерных ленточных изделий.

В работе были поставлены следующие задачи:

– исследовать тонкую структуру сталей мартенситного и аустенитного классов, подвергнутых фрикционному упрочнению;

– изучить влияние обработки трением на специфические свойства пружинных материалов: сопротивление малым пластическим деформациям, проявление эффекта Баушингера, релаксационную стойкость, усталостные свойства;

– разработать методику и сконструировать экспериментальную установку для фрикционной обработки длинномерных ленточных образцов;

– определить оптимальные условия деформационного упрочнения с использованием метода математического планирования эксперимента.

Научная новизна диссертационной работы. На основании выполненного исследования получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту.

1. Выявление особенностей поверхностной фрикционной обработки пружинных сталей мартенситного и аустенитного классов и установление возможности формирования в этих материалах высоко фрагментированной структуры нанокристаллического масштаба.

2. Использование впервые поверхностной обработки трением в качестве перспективного способа повышения важных эксплуатационных характеристик упругих элементов – прочностных, усталостных, релаксационных.

3. Обоснование оптимальных режимов термомеханической обработки с целью формирования высоких функциональных свойств изучаемых пружинных сталей на основе применения нового способа фрикционного упрочнения длинномерных ленточных заготовок по схеме «скользящая заготовка - неподвижный индентор».

Практическая значимость 1. Разработана конструкция установки для экспериментального исследования влияния технологических факторов на свойства пружинных материалов, основанная на деформировании длинномерных ленточных заготовок в упругопластической области путем протягивания через закрепленные инденторы-валки.

2. Проведен поиск оптимального режима фрикционного упрочнения в зависимости от давления в зоне контакта, радиуса инденторов и числа проходов. Аналитическая оценка характера и степени влияния рассмотренных факторов дает возможность определить наиболее рациональный режим фрикционного упрочнения.

3. Предложенный способ поверхностного упрочнения получил положительную апробацию при изготовлении упругих элементов (пружин) в приборостроительных устройствах специального назначения.

4. Результаты диссертационной работы используются в лекционных курсах и при проведении лабораторных занятий для студентов, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технология новых материалов».

Достоверность результатов работы обеспечена использованием проверенных и апробированных методов испытания материалов, применением известных способов обработки экспериментальных результатов. Результаты исследований, приведенные в настоящей работе, хорошо согласуются между собой и не противоречат известным в научной литературе представлениям и результатам.

непосредственным участии автора получена значительная часть экспериментального материала.

Автором проведена термическая обработка образцов, подвергнутых фрикционному нагружению, и выполнен запланированный цикл лабораторных испытаний. Проведен металлографический, электронномикроскопический и рентгеноструктурный анализ ленточных образцов.

Диссертант принимала непосредственное участие в планировании экспериментов и в обсуждении полученных результатов, а также в написании статей и тезисов докладов. Результаты исследования неоднократно докладывались лично диссертантом на совещаниях и конференциях, в том числе и международных.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научных конференциях различного уровня: международных, в том числе:

«Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010 г.), XVIII конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2010 г.); XI, XII Уральской школесеминара молодых ученых-металловедов (Екатеринбург, 2010, 2011 гг.);

«Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011 г.), V Международной школе «Физическое материаловедение», «Научно-технический прогресс в металлургии» (Алматы, 2011 г.); I, II интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2011, 2012 гг.), XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, 2012 г.);

всероссийских – VI молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы из 158 наименований.

Объем диссертации – 132 страницы, текст диссертации иллюстрируют рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, новизну и практическую значимость, определяет цель и задачи работы.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы по основным методам поверхностной обработки, в том числе в условиях трения скольжения. Проанализировано влияние фрикционной поверхностной обработки на структуру в зоне контакта и физико-механические свойства материалов. Рассмотрены аустенитные и мартенситные классы сталей, которые подвергались обработке трением. На основании выполненного анализа предмета исследования поставлена цель работы и сформулированы конкретные задачи диссертационной работы.

Во второй главе описаны объекты исследования, режимы их термомеханической обработки, методы исследований и методики испытаний.

Объектами исследования служили пружинные стали двух структурных типов: стали 13Х18Н10ГЗС2М2 (ЗИ-98) и 12Х17Н8Г2СМФ (ЗИ-126), относящиеся к классу аустенитных сталей соответственно со стабильной и нестабильной -фазой, а также сталь 70С2ХА, являющаяся типичным представителем класса мартенситных сталей. Кроме того, отдельные эксперименты были выполнены на высокоуглеродистой стали У9А.

Для проведения опытов образцы обеих аустенитных сталей были выполнены в виде плющеной ленты сечением 0,403,50 мм, полученной из холоднодеформированной проволоки волочением с суммарным обжатием 40 и 70%. Для этого проволока предварительно подвергалась закалке от 1050-1070 °С с целью получения пересыщенного -твердого раствора.

Завершающей операцией термомеханического упрочнения сталей служило деформационное старение при 470-500 °С.

Получение образцов из углеродистой стали 70С2ХА было осуществлено по другой технологии. Предварительно проволочная заготовка диаметром 2,15 мм была подвергнута патентированию (аустенитизация при 920 °С + изотермическое превращение на феррито-карбидную смесь при ~600 °С с выдержкой 2 минуты). Затем проволока подвергалась плющению в ленту сечением 0,404,50 мм. Последующая термическая обработка ленточных образцов состояла в закалке от 860 °С (с охлаждением в масле) и заключительном отпуске при 400 °С в течение 1 часа.

Ленточные образцы из стали У9А были получены из отожженной прокатанной полосы, из которой затем вырезали заготовки. После чего образцы подвергались ступенчатой закалке (от 780 °С с последующей 1, минутной выдержкой при 300 °С в расплаве селитры и заключительным охлаждением на воздухе). Завершающая обработка включала отпуск при 300 °С, 2 часа.

Фрикционное деформирование ленточных образцов осуществлялось перед заключительной термической обработкой, т.е. перед старением (отпуском). Обработка трением проводилась по схеме «скользящий индентор - неподвижная заготовка». При этом использовались твердосплавные (ВК-8) инденторы двух геометрических типов: цилиндрической формы для аустенитных сталей и с полусферической рабочей частью для мартенситных.

Микротвердость ленточных образцов измеряли на приборе ПМТ- при нагрузке 0,5 Н (50 г) по результатам замера не менее 8-10 отпечатков.

Условный предел упругости тонкой ленты определялся методом чистого изгиба. За условный предел упругости принимали напряжение, которое возникает в ленте при приложении нагрузки (в результате загружения ленты в кольцо), дающей остаточную деформацию, равную 0,03 %.

Измерение числа знакопеременных гибов было использовано для оценки вязкости ленточных образцов. С этой целью было применено приспособление, имитирующее стандартные испытания на перегибы (ГОСТ13813-68), диаметр валиков составлял 5 мм. Число повторных испытаний на перегиб равнялось не менее 3-х.

Определение эффекта Баушингера осуществляли путем измерения условного предела упругости при прямом 0,03(пн) и обратном 0,03(он) изгибном нагружении ленты и представляли как относительную величину так называемой баушингеровской деформации В, %.

Усталостные испытания были приведены на экспериментальной установке для циклических испытаний консольно закрепленных образцов ленты из исследуемых сталей. Действующее напряжение составляло 700 МПа при амплитуде колебаний, равной 13 мм, и частоте нагружения циклов/мин, число повторных измерений составляло 6-8.

Измерение релаксационной стойкости осуществляли на ленточных образцах, нагружение которых выполняли путем заневоливания в кольца определенного диаметра, что обеспечивало начальное напряжение, равное 0,7-0,8 от значения условного предела упругости.

Рентгеноструктурный метод применяли для проведения фазового и количественного анализа. Съемка осуществлялась на дифрактометре ДРОН-2,0 в кобальтовом К-излучении и Shimadzu XRD7000 с использованием монохроматизированного К-излучения хромового анода.

Электронно-микроскопическое исследование тонких фольг, полученных из плющеной ленты, проводили на просвечивающих электронных микроскопах ЭМВ-100Л и FEI Tecnai G2.

В третьей главе исследовано влияние упрочняющей фрикционной обработки на структуру и свойства пружинных сталей мартенситного класса 70С2ХА и У9А.

Рентгенографический фазовый анализ показал, что в обоих материалах в закаленном состоянии ожидаемо фиксируется присутствие остаточного аустенита – не более 5% в стали 70С2ХА и около 15% в У9А. Последующий отпуск в обеих сталях приводит к закономерному снижению доли -фазы.

Результаты измерения периодов решетки мартенсита а и с, выполненные для легированной стали 70С2ХА, позволили установить, что степень тетрагональности составляет примерно 1,026 и 1,007 соответственно для закаленного состояния и закалки с трением. Расчет содержания углерода (на основе оценки степени тетрагональности c/a) показал, что его концентрация в мартенсите после закалки близка к 0,60 %. В то же время фрикционное деформирование приводит к заметному снижению количества углерода в решетке -фазы – примерно до 0,20 %. Эти данные отражают определенную тенденцию – фрикционное нагружение стимулирует деформационный распад тетрагонального мартенсита. Считается, что в подобных условиях деформации углерод уходит из -твердого раствора и осаждается на размноженных дислокациях, обеспечивая их эффективную блокировку.

Объектом электронно-микроскопического исследования служили ленточные образцы стали 70С2ХА.

Тонкая структура закаленной стали представляет собой характерный морфологический тип пакетного мартенсита (рисунок 1а). При этом, кроме интенсивных рефлексов -фазы, фиксируются слабые отражения от остаточного аустенита.

Рисунок 1 – Структура стали 70С2ХА после закалки от 860 °С:

а – светлопольное изображение; б – микродифракция; в – темнопольное Последующий отпуск приводит к получению структуры троостита отпуска – высокодисперсной феррито-карбидной смеси (рисунок 2а, б).

Присутствие карбидной фазы видно на светлопольных изображениях и подтверждается микродифракционной картиной (рисунок 2в).

Характер микроструктуры закаленной стали после фрикционного деформирования и её морфологический тип существенно отличаются от структуры пакетного мартенсита (рисунок 3). Это выражается в резко выраженной высокой дисперсности фрагментов нанокристаллического масштаба (размером до 50-100 нм), имеющих форму, близкую к равноосной, что видно на темнопольном изображении (рисунок 3в).

Рисунок 3 – Структура закаленной (от 860 °С) стали 70С2ХА после фрикционной обработки: а – светлопольное изображение;

б – микродифракция; в – темнопольное изображение в рефлексе При последующем отпуске сохраняется нанокристаллическая структура трения поверхностного слоя (рисунок 4а). Слабые отражения цементита удается зарегистрировать на микродифракционной картине (рисунок 4б).

Рисунок 4 – Структура закаленной (от 860 °С) стали 70С2ХА после фрикционной обработки и последующего отпуска (при 400 °С):

а – светлопольное изображение; б – микродифракция; в – темнопольное В таблице 1 представлены данные, характеризующие прочностные и усталостные свойства обработанных ленточных образцов.

Таблица 1 – Прочностные и усталостные свойства мартенситных сталей Закалка 780 °С + трение + отпуск 300 °С, 2 ч 595 – Поверхностное фрикционное деформирование приводит к заметному повышению прочностных свойств, но особенно сильно влияет на сопротивление знакопеременному нагружению (число циклов до разрушения увеличивается в 2,5-3 раза).

Релаксационные испытания стали 70С2ХА осуществлялись при 250 и 300 °С длительностью до 10 часов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Релаксационная стойкость закаленной (от 860 °С) и отпущенной (при 400 °С) стали 70С2ХА при 250 (1, 2) и 300 °С (3, 4), подвергнутой трению (1, 3) и без трения (2, 4) Более заметно влияние дополнительной обработки проявляется при большей температуре релаксации, т.е. 300 °С. При этом общий уровень теплостойкости сохраняется достаточно высоким.

Положительное влияние фрикционной обработки следует истолковать подавлением сдвигового механизма релаксации вследствие повышения сопротивления микропластической деформации (возрастания условного предела упругости).

В четвертой главе изучалось фрикционное деформирование сталей аустенитного класса.

Рентгенографическое изучение структуры выполнялось на ленточных образцах обеих аустенитных сталей ЗИ-98 и ЗИ-126. Для стабильной стали ЗИ-98 фиксировалась только -фаза при всех выполняемых обработках.

В нестабильной стали ЗИ-126 (таблица 2) оба режима деформации ( и 70%) сопровождаются образованием в процессе обработки мартенсита.

Последующее старение практически слабо отражается на количестве -фазы, хотя можно отметить некоторую тенденцию к снижению ее содержания (вследствие протекания начальной стадии обратного мартенситного превращения).

Таблица 2 – Фазовый анализ стали ЗИ- Закалка 1070 °С + деф. 40 % + старение 470 °С, Закалка 1070 °С + деф. 40% + трение + старение 470 °С, 1 ч Закалка 1070 °С + деф. 70 % + старение 470 °С, Закалка 1070 °С + деф. 70% + трение + старение 470 °С, 1 ч Фрикционное деформирование стали ЗИ-126 ожидаемо приводит к дополнительному развитию мартенситного превращения, в результате чего доля -фазы заметно возрастает.

Исследование полюсной плотности отражений показало, что после деформации формируется текстура прокатки типа {110}.

Использование трения приводит к значительному ослаблению остроты текстуры образцов. Такой эффект следует связать с тем, что в условиях использованной схемы фрикционного нагружения, помимо сдвиговой деформации, может развиваться также и ротационная (поворотная) деформация, что и приводит к закономерному ослаблению текстуры.

Исследование структуры методом тонких фольг было выполнено на примере стали ЗИ-126 (деформация 40%).

В структуре закаленного образца (рисунок 6) фиксируется типичная картина сильно деформированного материала – высокая плотность дислокаций, наличие фрагментированной матричной фазы, тонкие линии деформационных двойников.

В структуре такой стали после обработки трением можно заметить более сильно фрагментированную микроструктуру (рисунок 7), приближающуюся к нанокристаллическому масштабу.

Данные об уровне прочностных характеристик и усталостных свойств приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Прочностные и усталостные свойства аустенитных сталей Закалка 1050 °С + деф. 40% + старение 500 °С, 1 ч.

Закалка 1050 °С + деф. 40% + трение + старение 500 °С, 1 ч.

Закалка 1070 °С + деф. 40% + старение 470 °С, 1 ч Закалка 1070 °С + деф. 40% + трение + старение 470 °С, 1 ч Во всех случаях термомеханическое упрочнение, а также фрикционное деформирование дают очевидную тенденцию к повышению прочностных свойств и положительно влияют на усталостные свойства.

Так как пружинные стали в процессе эксплуатации могут подвергаться знакопеременным нагрузкам, то немаловажное значение имеет оценка сопротивления повторному нагружению с обратным знаком (эффекта Баушингера). Результаты показали (рисунок 8), что для обеих аустенитных сталей в результате дополнительной деформации трением величина баушингеровской деформации имеет тенденцию к возрастанию.

Рисунок 8 – Влияние обработки трением на проявление эффекта Баушингера для аустенитных сталей ЗИ-126 (а) и ЗИ-98 (б): 1 – закалка + деформация 40% + старение; 2 – закалка + деформация 40% + трение + старение На рисунке 9 приведены сведения о релаксационной стойкости стали ЗИ-126. Видно, что обработка трением благоприятно отразилась на величине теплостойкости стали.

Рисунок 9 – Зависимость релаксационной стойкости стали ЗИ-126 ( = 40%) от времени релаксации (1, 2 – tрел = 400 °С; 3, 4 – tрел = 450 °С):

1 и 3 – закалка + деформация 40% + трение + старение 470 °С, 1 ч;

Таким образом, использование поверхностной фрикционной обработки для пружинных сталей мартенситного и аустенитного классов позволило обеспечить формирование высоко фрагментированной структуры нанометрического масштаба и повысить функциональные свойства упругих элементов.

Пятая глава посвящена разработке способа фрикционной обработки длинномерных ленточных заготовок.

Использованная ранее методика обработки трением по схеме «скользящий индентор – неподвижная заготовка» имеет свои особенности:

а) возникает необходимость в последовательном деформировании закрепленного образца сначала с одной поверхности, а затем с другой;

б) длина обрабатываемой поверхности ленточного образца лимитируется рабочим ходом индентора.

На рисунке 10 приведена схема и установка нагружения, позволяющая обеспечивать деформирование за счет трения путем протягивания ленточной заготовки между двумя инденторами (ножами), имеющими в рабочей части сферическую кривизну. Тем самым была реализована модель деформирования по схеме «скользящая заготовка – неподвижный индентор». При этом нижний индентор является жестко закрепленным, а верхний способен испытывать вертикальное перемещение. Нагрузка на верхний индентор передается через подвешенный груз. Подбирая внешнюю нагрузку G, можно обеспечить регулируемое вертикальное нагружение на ленточную заготовку.

Подобный способ нагружения позволяет создать локальное деформирование в поверхностном слое. При этом величина действующей нагрузки задается с учетом значений характеристик, определяющих сопротивлением материала малым пластическим деформациям (условного предела упругости) с тем, чтобы обеспечить преимущественно упругопластическую деформацию в зоне контакта.

Аналитические расчеты позволили построить номограмму (рисунок 11), с помощью которой можно оценить условия осуществления вида деформации в зависимости от воздействующих факторов – силы F, действующей на индентор в зоне контакта, и радиуса индентора R. Принималась во внимание возможность реализации упругого, упругопластического и пластического вариантов деформационного нагружения материала в зоне контакта, но избежав при этом деформации в режиме микрорезания. Для определения граничных областей такого нагружения были использованы условный предел упругости упр и условный предел текучести т. соответствующие напряжениям, вызывающим остаточную деформацию 0,03 и 0,2% (т.е. 0,03 и 0,2).

Использование предложенной схемы фрикционного деформирования закономерно требовало проведения опытов по отысканию оптимальных режимов обработки ленточных образцов в области упругопластических деформаций с учетом влияния различных воздействующих факторов. Для этого был использован метод планирования эксперимента. Опыты проводились на плющеной ленте, изготовленной из аустенитной стали ЗИ-126 (деформация 40%).

В качестве параметра оптимизации (функции отклика) у использовался такой показатель как микротвердость HV0,5. Воздействующими факторами являлись соответственно сила в зоне контакта F (х1) – с учетом веса груза G –;

число проходов через инденторы n (х2) и радиус закругления индентора R (х3). Тем самым был применен полный трехфакторный эксперимент типа 23.

Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 4.

Значения факторов назначались таким образом, чтобы оценить возможности нагружения в различных зонах деформации, но при этом не входить в зону больших пластических деформаций. На поле номограммы в зависимости от значений F и R цифрами указаны номера опытов (рисунок 11). В матрице планирования (таблица 5) также приведены итоговые результаты измеренной микротвердости во всех опытах.

Таблица 4 – Значения варьируемых факторов Таблица 5 – Матрица планирования При реализации факторного планирования, помимо регистрации микротвердости, были определены показатели вязкости ленты путем измерения числа знакопеременных гибов. Для этого использовались ленточные образцы аустенитной стали ЗИ-126 в исходном (плющеном) состоянии, а также после проведения эксперимента на основном уровне (таблица 4). Были получены следующие результаты: 38-40 гибов для «сырой» (плющеной) ленты и 30-32 – для обработанной трением. Такие показатели для высокопрочной ленты считаются повышенными.

После расчетов коэффициентов регрессии и проверки адекватности линейная функция отклика имеет вид:

Оценка характера и степени воздействия рассматриваемых факторов показывает, что наиболее сильно влияющим параметром (с обратным знаком) является радиус инденторов х3 (R), а наиболее слабым – число проходов.

Выявленное ранжирование факторов дает возможность скорректировать рассмотренные параметры и построить более рациональную схему технологического процесса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые метод поверхностного пластического деформирования трением скольжения использован для повышения функциональных свойств упругих элементов, полученных из плющеной ленты. Объектом изучения являлись стали разных структурных классов – мартенситного и аустенитного.

2. Рентгенографический анализ показал, что поверхностная фрикционная обработка закаленной плющеной ленты стали 70С2ХА приводит к снижению степени тетрагональности мартенсита. Тем самым трение способствует динамическому распаду пересыщенного -твердого раствора (мартенсита). В нестабильной аустенитной стали ЗИ-126, подвергнутой холодному деформированию (волочению + плющению) последующая поверхностная фрикционная обработка активизирует процесс образования мартенсита деформации вследствие развития полиморфного холоднодеформированной аустенитной стали приводит к ослаблению текстуры прокатки.

3. Электронно-микроскопическое исследование тонких фольг позволяет заключить, что деформация трением сталей обоих структурных классов – мартенситного и аустенитного – способствует формированию в поверхностном слое плющеной ленты глубиной до 10 мкм сильно фрагментированной микроструктуры, по размерам приближающейся к нанометрическому масштабу. Такое структурное состояние сохраняется при заключительной термической обработке – стандартных режимах отпуска (старения) данных сталей –, исключающей прохождение процесса рекристаллизации.

4. Фрикционная обработка способствует деформационному упрочнению и возрастанию сопротивления усталостному нагружению, при этом показатели микротвердости НV0,5 повышаются на 15-25% для мартенситных сталей и 40-50% – для аустенитных, условный предел упругости 0,03 возрастает на 10%, но более заметно – выносливость (почти в 2-3 раза). Одновременно это способствует снижению сопротивления стали повторному нагружению с обратным знаком (эффект Баушингера). При этом характеристики вязкости (число знакопеременных гибов) сохраняются на достаточно высоком уровне (30-32).

5. Дополнительная обработка трением благоприятно влияет на уровень релаксационной стойкости. Более сильное пересыщение по дефектам, активное фрагментирование микроструктуры в сочетании с закреплением дислокаций как при динамическом отпуске (старении), так и в процессе заключительного этапа термомеханического упрочнения рассматриваются в качеств основных причин, вызывающих торможение сдвигового и структурного механизмов релаксации напряжений.

6. Предложен способ поверхностной фрикционной обработки длинномерных ленточных образцов, основанный на деформировании в упругопластической области путем протягивания заготовки через закрепленные инденторы-валки. Методом планирования выполнен трехфакторный эксперимент по поиску оптимального режима фрикционного упрочнения. Наиболее существенное влияние на деформационный наклеп оказывают величина радиуса инденторов, а также давление в зоне контакта.

Вместе с тем число проходов оказывается наименее воздействующим фактором, что позволяет строить более рациональную схему фрикционного деформирования с учетом количественного ограничения этого технологического параметра.

7. Разработанная технология ПФО тонкой ленты из аустенитных и мартенситных сталей прошла успешную апробацию для изготовления упругих элементов в изделиях специального назначения.

Автор считает приятным долгом выразить признательность доц., к.т.н.

Б.Р. Картаку за внимание и творческое участие в данной работе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Минеева (Федоренко), О.Н. Особенности фрикционного упрочнения аустенитной стали с нестабильной -фазой / В.Р. Бараз, Б.Р.

Картак, О.Н. Минеева (Федоренко) // МиТОМ. – 2010. – № 10. – С. 20-22 (0, п.л./0,04 п.л.).

2. Минеева (Федоренко), О.Н. Особенности формирования нанокристаллических структур и свойства упругих элементов в условиях интенсивного фрикционного воздействия / О.Н. Минеева (Федоренко), В.Р.

Бараз // Вестник Тамбовского университета. –– 2010. – Т.15. – Вып.3. –– С.

975-977 (0,12 п.л./0,06 п.л.).

3. Федоренко, О.Н. Влияние деформации трением на структуру и свойства метастабильной аустенитной хромоникелевой стали / В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко // Деформация и разрушение материалов. – 2011. – №12. – С.

15-18 (0,19 п.л./0,09 п.л.) деформационного упрочнения металлической ленты в условиях трения скольжения / Б.Р. Картак, В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко // Деформация и разрушение материалов. – 2014. – №1. – С.32-36 (0,25 п.л./0,08 п.л.).

5. Федоренко, О.Н. Влияние деформации трением на структуру и свойства пружинной стали мартенситного класса / В.Р. Бараз, О.Н.

Федоренко, М.С. Хадыев, С.М. Задворкин // МиТОМ. – 2014. – № 4. – С. 40п.л./0,06 п.л.).

Публикации в других изданиях:

6. Fedorenko, O. N. Effect of Friction Deformation on the Structure and Properties of a Metastable Austenitic Chromium-Nickel Steel / V. R. Baraz, O. N.

Fedorenko // Russian Metallurgy (Metally). – 2012. – № 10. – Р. 901-904 (0, п.л./0,09 п.л.).

7. Минеева (Федоренко), О.Н. Поверхностная фрикционная обработка пружинной стали аустенитного класса: особенности структуры и свойств / В.Р. Бараз, Б.Р. Картак, О.Н. Минеева (Федоренко) // Научные труды VI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 20-22 октября, 2010. Оренбург: ГОУ ВПО «Оренбургский Государственный Университет», 2010. – С. 294-299 (0, п.л./0,10 п.л.).

8. Минеева (Федоренко), О.Н. Поверхностная фрикционная обработка:

особенности формирования структуры и изменения свойств/ О.Н. Минеева (Федоренко), В.Р. Бараз // Научные труды XVIII Международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники: в 2 частях. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. Ч.2. С. 155п.л./ 0,16 п.л.).

9. Федоренко, О.Н. Структурные и функциональные особенности метастабильной аустенитной стали, подвергнутой фрикционному упрочнению / В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко, И.А. Ахматханов // Сборник трудов XI Международной научно-технической Уральской школы-семинара молодых ученых-металловедов, Екатеринбург, 8-11 ноября, 2010.

Екатеринбург: УрФУ, 2010. – С. 137-139 (0,12 п.л./0,1 п.л.).

10. Минеева (Федоренко), О.Н. Влияние поверхностной фрикционной обработки на сопротивление аустенитных сталей повторному нагружению / В.Р. Бараз, О.Н. Минеева (Федоренко), Р.Р. Гимранов // Сборник научных трудов «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург: УрФУ, 2010. – С. 322-327 (0,31 п.л./0,15 п.л.).

11. Федоренко, О.Н. Влияние фрикционного деформирования на наноструктурное состояние и свойства метастабильной аустенитной стали / В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко // Сборник статей «Создание и перспективы использования нанокристаллических материалов и нанотехнологий в технике», Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2011. – С. 34-41 (0,31 п.л./ 0, п.л.).

12. Федоренко, О.Н. Влияние фрикционного деформирования на формирование нанокристаллических структур и свойств упругих элементов из аустенитной стали / В.Р. Бараз, Б.Р. Картак, О.Н. Федоренко // Сборник материалов V Международной школы «Физическое материаловедение», VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 26 сентября – 1 октября, 2011. Тольятти: ТГУ, 2011. – С. 163-164 (0,06 п.л./ 0,03 п.л.).

13. Федоренко, О.Н. Влияние фрикционной обработки на структуру и свойства мартенситной стали пружинного класса / В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко // Сборник трудов XII Международной научно-технической Уральской школы-семинара молодых ученых-металловедов, Екатеринбург, 14-18 ноября, 2011. Екатеринбург: УрФУ, 2011. – С. 331-333 (0,12 п.л./ 0,09 п.л.).

14. Федоренко, О.Н. Фрикционное деформирование пружинной стали мартенситного класса: особенности структуры и свойства / В.Р. Бараз, О.Н.

Федоренко // Сборник научных трудов VI Международной научнопрактической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии», Алматы: КГИУ, 2011. – С. 49-53 (0,25 п.л./ 0,16 п.л.).

15. Федоренко, О.Н. Оптимизация режимов фрикционного упрочнения аустенитной стали методом планирования эксперимента / В.Р. Бараз, Б.Р.

Картак, О.Н. Федоренко // Сборник материалов I Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии»: в 2 частях. Екатеринбург: УрФУ им.

Первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2012. Ч. 1. – С. 206-209 (0, п.л./0,06 п.л.).

16. Федоренко, О.Н. Определение вида деформации и сил трения при фрикционном упрочнении ленты / В.Р. Бараз, Б.Р. Картак, О.Н. Федоренко // Сборник материалов I Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии»: в 2 частях.

Екатеринбург: УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2012. Ч.

1 – С. 332-335 (0,18 п.л./ 0,07 п.л.).

17. Федоренко, О.Н. Использование метода планирования эксперимента для выбора оптимального режима поверхностной фрикционной обработки / В.Р. Бараз, Б.Р. Картак, О.Н. Федоренко // Сборник материалов XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 6 -10 февраля 2012 г. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И.Носова, 2012. – С. 206-207 (0,06 п.л./ 0,02 п.л.).

18. Федоренко, О.Н. Структурные особенности мартенситной стали, подвергнутой фрикционному деформированию / В.Р. Бараз, О.Н. Федоренко, В.О. Караусова // Сборник материалов II Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», Екатеринбург: УрФУ им. Первого Президента России Б.Н.

Ельцина, 2012. – С. 89-91 (0,12 п.л./0,09 п.л.).

19. Федоренко, О.Н. Влияние условий фрикционного деформирования на упрочнение аустенитной стали / Б.Р. Картак, В.Р. Бараз, И.А. Самойлов, О.Н. Федоренко // Сборник материалов II Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», Екатеринбург: УрФУ им. Первого Президента России Б.Н.

Ельцина, 2012. – С. 92-94 (0,12 п.л./ 0,02 п.л.).

Подписано в печать 26.09.2014 г. Формат 60х84 1/16 Печать офсетная Усл. печ. л. 2,0 Уч.-изд. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ №.