Влияние структуры и свойств поверхностного слоя на усталостную прочность закаленных сталей, упрочненных комбинированной электромеханической обработкой

На примере закаленных углеродистых сталей марок 45 и У8 рассмотрены особенности влияния комбинации различных технологий (с использованием электромеханической обработки, поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки и их комбинации) поверхностного упрочнения на изменения структурного состояния и микротвердости поверхности, циклической долговечности упрочненных образцов, а также механизмов усталостного разрушения. Исследования проведены с использованием методов оптической и растровой электронной микроскопии, микротвердости, усталостных испытаний. Показано, что для исследуемых сталей в закаленном состоянии высокоскоростное импульсное термодеформационное воздействие в ходе электромеханической обработки сопровождается повышением (более чем на 50 %) микротвердости поверхности и снижением (на 20 – 30 %) предела выносливости. Такое изменение свойств связано с образованием в поверхностном слое существенно неравновесных, неоднородных по химическому составу ультрадисперсных фаз, обладающих повышенной твердостью. При этом в приповерхностных объемах металла протекают процессы отпуска закаленной структуры с образованием зон разупрочнения и формированием растягивающих остаточных напряжений, что сопровождается снижением микротвердости в этих зонах и предела выносливости образцов. Подобные эффекты снижения некоторых эксплуатационных характеристик материалов в ходе поверхностного упрочнения различных материалов, равно как и способы повышения свойств таких изделий за счет дополнительных технологических операций, требуют более глубокого изучения. Комбинированное поверхностное упрочнение (на основе электромеханической обработки, поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки) углеродистых сталей позволяет за счет вариации интенсивности температурного и деформационного воздействий целенаправленно изменять структурно-фазовый состав и напряженно-деформированное состояние поверхностных и приповерхностных слоев металла. В результате этого появляется возможность в зависимости от предварительной термической обработки стали формировать сбалансированный комплекс прочностных и усталостных характеристик образцов. Операции поверхностного пластического деформирования и безабразивной ультразвуковой финишной обработки, проведенные после электромеханического упрочнения, за счет интенсивной пластической деформации обеспечивают выглаживание поверхности, залечивание приповерхностных дефектов и позволяют корректировать напряженно-деформированное состояние обрабатываемого металла. Это обеспечивает повышение микротвердости в зоне отпуска на 20 – 25 % и предела выносливости образцов на 25 – 30 %. 

1. Garcia-Giron A., Romano J.M., Liang Y., Dashtbozorg B. etс. Combined surface hardening and laser patterning approach for functionalising stainless steel surfaces // Applied Surface Science. 2018. Vol. 439. P. 516 – 524.

2. Lu J., Huang T., Liu Zh., Zhang X., Xiao R. Long-term wettability of titanium surfaces by combined femtosecond laser micro/nano structuring and chemical treatments // Applied Surface Science. 2018. Vol. 459. P. 257 – 262.

3. Lesyk D.A., Martinez S., Mordyuk B.N., Dzhemelinskyi V.V. etс. Effects of laser heat treatment combined with ultrasonic impact treatment on the surface topography and hardness of carbon steel AISI 1045 // Optics and Laser Technology. 2019. Vol. 111. P. 424 – 438.

4. Tsuji N., Tanaka S., Takasugi T. Effect of combined plasma-carburizing and deep-rolling on notch fatigue property of Ti-6Al-4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 499. No. 1-2. P. 482 – 488.

5. Gill A.S., Telang A., Chang Y. Localized plastic deformation and hardening in laser shock peened // Materials Characterization. 2018. Vol. 142. P. 15 – 26.

6. Borko K., Hadzima B., Jacková M.N. Corrosion Resistance of Domex 700 Steel After Combined Surface Treatment in Chloride Environment // Procedia Engineering. 2017. Vol. 192. P. 58 – 63.

7. Chenakin S.P., Mordyuk B.N., Khripta N.I. Surface characterization of a ZrTiNb alloy: Effect of ultrasonic impact treatment // Applied Surface Science. 2019. Vol. 470. P. 44 – 55.

8. Zenker R. Electron meets nitrogen: combination of electron beam hardening and nitriding // International Heat Treatment & Surface Engineering. 2009. Vol. 3. No. 4. P. 141 – 146.

9. Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Konovalov S.V., Zagulyaev D.V., Petrikova E.A., Semin A.P. Modification of structure and surface properties of hypoeutectic silumin by intense pulse electron beams // Progress in Physics of Metals. 2018. Vol. 19. No. 2. P. 197 – 222.

10. Romanov D.A., Sosnin K.V., Gromov V.E., Bataev V.A., Ivanov Yu.F., Glezer A.M., Sundeev R.V. Titanium – zirconium coatings formed on the titanium implant surface by the electroexplosive method // Materials Letters. 2019. Vol. 242. P. 79 – 82.

11. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Соскова Н.А., Денисова Ю.А, Тересов А.Д., Петрикова Е.А., Будовских Е.А. Электронно-пучковая обработка поверхности сплавов на основе титана, модифицированных плазмой электрического взрыва проводящего материала // Известия РАН. Серия Физическая. 2012. Т. 76. № 11. С. 1393 – 1399.

12. Бащенко Л.П., Иванов Ю.Ф., Будовских Е.А. Модификация структуры поверхностных слоев титана ВТ1-0 при электровзрывном карбоборировании и электронно-пучковой обработке // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 3. С. 68 – 70.

13. Иванов Ю.Ф., Будовских Е.А., Громов В.Е., Бащенко Л.П., Соскова Н.А., Райков С.В. Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности титана ВТ1-0 при электровзрывном науглероживании и электронно-пучковой обработке // Изв. вуз. Черная металлургия. 2012. № 6. С. 67 – 70.

14. Эдигаров В.Р. Технологии и оборудование комбинированных способов электромеханической обработки. – Омск: ОАБИИ, 2014. – 280 с.

15. Дудкина Н.Г. Оценка усталостной прочности термообработанной среднеуглеродистой конструкционной стали после комбинированного упрочнения (ЭМО + ППД) // Mechanika (Lietuva). 1998. № 4. С. 28 – 32.

16. Эдигаров В.Р., Литау Е.В. Исследование некоторых технологических аспектов нового комбинированного способа поверхностной обработки ЭМОт + ППД закаленных сталей // Национальные приоритеты России. Серия 1: Наука и военная безопасность. 2015. Т. 3. № 3. С. 125 – 130.

17. Матлин М.М., Дудкина Н.Г., Дудкин А.Д. Особенности формирования упрочненного слоя при электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 6. С. 39, 40.

18. Яковлев С.А. Результаты исследований износостойкости деталей после антифрикционной электромеханической обработки // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. № 3. С. 116 – 120.

19. Эдигаров В.Р., Килунин И.Ю. Рентгенографическое исследование стали 38ХС, подвергнутой фрикционно-электрическому модифицированию // Металлообработка. 2011. № 4. С. 24 – 29.

20. Яковлева А.П., Омельченко И.С. Повышение нагрузочной способности стальных деталей методом комбинированной обработки // Авиационная промышленность. 2013. № 2. С. 62 – 64.

21. Эдигаров В.Р., Алимбаева Б.Ш., Перков П.С. Комбинированная электромеханоультразвуковая обработка поверхностных слоев деталей машин // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2017. Т. 54. № 2. С. 42 – 47.

22. Ivannikov A.Yu., Kalita V.I., Komlev D.I. etс. The effect of electromechanical treatment on structure and properties of plasma sprayed Fe – 6W – 5Mo – 4Cr – 2V – C coating // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 335. P. 327 – 333.

23. Wang Y., Zhu Sh., Gu W., Qi X. Electric Contact Strengthening to Improve the Bonding Between WC – Co Coating and 45# Steel Substrate // Journal of Thermal Spray Technology. 2010. Vol. 19. No. 5. P. 1142 – 1146.

24. Xu M., Zhu Sh., Ding H. Electrical contact strengthening of induction-clad Ni – 40 % WC composite coatings on 40Cr substrates // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 279. P. 32 – 38.

25. Яковлев С.А., Замальдинов М.М., Татаров Л.Г. Влияние электромеханической обработки на структуру и твердость титанового сплава ВТ22 // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Т. 13. № 10 (154). С. 464 – 467.

26. Bagmutov V.P., Vodop’yanov V.I., Zakharov I.N., Denisevich D.S. Relation between the fracture laws and the fatigue life of a surface-hardened pseudo-α titanium alloy // Russian Metallurgy (Metally). 2016. Vol. 2016. No. 7. P. 663 – 668.

27. Stachowiak G.W., Batchelor A.W. Surface Hardening and Deposition of Coatings on Metals by a Mobile Source of Localized Electrical Resistive Heating // Journal of Materials Processing Technology. 1996. No. 57. P. 288 – 297.

28. Холопов Ю.В., Зинченко А.Г., Савиных А.А. Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов. – Л.: ЛДНТП, 1988. – 18 с.

29. Паршин А.М., Кириллов Н.В. Физические и структурные аспекты обработки сплавов концентрированными источниками энергии // Металлы. 1995. № 3. С. 122 – 127.

30. Багмутов В.П., Захаров И.Н., Денисевич Д.С. Особенности решения технологических задач механики неоднородных металлических тел со структурой, трансформирующейся в ходе термосилового нагружения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 1. C. 5 – 25.