CC BY
97
УДК 621.791.05:620.179
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА КАК ПАРАМЕТРА КАЧЕСТВА ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
© 2010 А Н. Смирнов1, Н А. Конева2, Н А. Попова2, А С. Глинка1
1 Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово
2 Томский государственный архитектурно-строительный университет
Поступила в редакцию 27.03.2010
В настоящей работе проведено исследование одной из широко применяемых в машиностроении сталей - стали 35ХГС на различных этапах механической обработки. Основная задача исследования заключалась в определении параметров градиентной структуры стали. Структурные исследования проводились 3 основными методами: растровая электронная микроскопия, просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах и рентгеноструктурный анализ.
Ключевые слова: структурно-фазовое состояние, сталь, обрабатываемая поверхность
Для обеспечения надежности и долговечности деталей машин необходимо проводить всестороннее изучение путей улучшения качества поверхности с целью повышения ее эксплуатационных свойств. На характеристики обработанных поверхностей оказывают влияние все операции механической обработки, их следует рассматривать не изолированно, а во взаимосвязи, так как характеристики поверхностей формируются всем комплексом технологических воздействий и изменяются в процессе эксплуатации детали. Для изучения качества обработанных поверхностей необходимо знать структурно-фазовое состояние металла, как в процессе механической обработки, так и на стадии заготовительного производства.
В настоящей работе проведено исследование структурно-фазового состояния одной из широко применяемых в машиностроении сталей - стали 35ХГС. Были исследованы 3 образца. Образец № 1 - в исходном состоянии (в поверхностном слое и на глубине 1,0 и 1,5 мм от поверхности); образец № 2 - после
Смирнов Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения. E-mail: [email protected] Конева Нина Александровна, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики. E-mail: [email protected]
Попова Наталья Анатольевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Глинка Александра Сергеевна, ассистент. Е-mail: [email protected]
получистового точения при определенных режимах обработки; образец № 3 - после чистового точения (следующего за получистовым) при определенных режимах обработки. Характеристика изделий приведена в таблице 1.
Структурные исследования проводились тремя основными методами: растровая электронная микроскопия (РЭМ); просвечивающая дифракционная электронная микроскопия на тонких фольгах (ПЭМ) и рентгеноструктурный анализ (РСА).
Исследования, проведенные методом ПЭМ, показали, что структура исследуемой стали 35ХГС на поверхности изделия является полностью фрагментированной, на всех этапах изготовления изделия сталь 35ХГС в основном состоит из а-фазы. Морфологически а-фаза подразделяется на а) а-феррит и б) а-фазу, находящуюся в перлитной составляющей, т.е. сталь 35ХГС на поверхности изделия после каждого этапа изготовления обладает феррито-перлитной структурой. Средний размер фрагментов составляет величину ~0.4 мкм. Все микродифракционные картины, полученные с фрагментированной а-фазы, -кольцевые. В исходном состоянии на поверхности изделия имеет место микрозеренная феррито-перлитная смесь. На глубине 1,5 мм от поверхности структура состоит из 20% феррита и 80% несовершенного перлита (40% пластинчатый, 20% глобулярный и 20% смешанный). А на глубине 1,0 мм структура состоит из 30% феррита и 70% перлита, перлит становится несовершенным.
После проведения механической обработки во всех образцах присутствуют_феррит-ные зерна в двух состояниях: нефрагментиро-ванном и фрагментированном состоянии (рис. 1). Микродифракционные картины, полученные с нефрагментированных ферритных зерен - идеальные, монокристаллические и карбидных рефлексов не обнаруживают. Микродифракционные картины, полученные с зерен фрагментированного феррита, также являются, как правило, монокристаллическими. Однако на рефлексах присутствуют тяжи из группы рефлексов. Величина тяжей может
достигать значения ф ~ 20°. Часто на границах фрагментов присутствуют карбиды железа -цементит округлой формы и нанокристалли-ческого размера. Это подтверждается и микродифракционными картинами, полученными с таких участков структуры. Перлитные зерна присутствуют трех видов. Первый вид - пластинчатый перлит, представляющий собой конгломерат чередующихся пластин феррита и цементита. Пластины феррита в перлитных зернах могут быть нефрагментированными и фрагментированными.
Таблица 1. Характеристика исследуемых образцов
Образец Получистовой режим Чистовой режим
глубина снятого слоя, 1 (мм) число оборотов, п, об/мин ширина слоя снимаемой стружки, 8, мм/об глубина снятого слоя, 1 (мм) число оборотов, п, об/мин ширина слоя снимаемой стружки, 8, мм/об
№1 - - - - - -
№2 1 1000 0,25 - - -
№3 1 1000 0,25 0,5 1200 0,15
110„ 1 220„
д
Рис. 1. Типичные электронно-микроскопические изображения структуры стали 35ХГС Зерна феррита: а-в - нефрагментированный феррит, обр. №3, стык двух ферритных (Ф) зерен (а -светлопольное изображение, б - микродифракционная картина, в - её индицированная схема); г-е -фрагментированный феррит, обр. №2 (г - светло-польное изображение, д - микродифракционная картина, е - её индицированная схема)
Вторым видом перлитных зерен являются зерна с глобулярным перлитом - ферритная матрица с распределенными в ней цементит-ными выделениями глобулярной формы. Фер-ритная матрица в участках с глобулярным перлитом всегда нефрагментирована. Третьим видом перлитных зерен являются зерна со смешанным перлитом, когда в одном зерне присутствуют одновременно выделения цементита пластинчатой и глобулярной формы. Ферритная матрица в зернах со смешанным перлитом может быть нефрагментированной и фрагментированной. Весь перлит является дефектным. Объемные доли каждой структурной составляющей на разных этапах изготовления изделия различны.
В перлитных зернах термомеханическая обработка уже на первом этапе изготовления изделия (обр. №2) привела к изменению в структуре перлита. Эти изменения заключаются в изменении морфологии перлита и в разрушении цементита в перлите. Если в исходном состоянии (обр. № 1) преобладающим в структуре стали являлся пластинчатый перлит, то в обр. № 2 объемная доля пластинчатого перлита составляет лишь 30% от общего содержания перлита в стали.
По выполненным оценкам методом ПЭМ можно утверждать, что на поверхности изделия в исходном состоянии содержится небольшое количество цементита, а именно: объемная доля частиц цементита, расположенных на границах фрагментов и размер
которых составляет ~10 нм, равна 0,6%, а объемная доля частиц цементита, расположенных в объеме материала случайным образом, размер которых на порядок выше (~0,1 мкм), -0,2%. В различных участках одного и того же образца (на первом этапе изготовления детали) присутствуют все стадии растворения цементита, встречаются также участки, в которых весь объем материала, занимаемый ранее цементитной пластиной, заполняется нано-размерными частицами.
Проведенные электронно-микроскопические дифракционные исследования эволюции пластин цементита перлитной колонии на первом этапе изготовления детали (обр. № 2), т. е. при термомеханической обработке, обнаружили фазовые превращения цементита. Цепочка фазовой трансформации цементита, исходя из результатов вышеизложенных исследований, выглядит следующим образом: Бе3С ^ Бе3С + Ее20С9 ^ Ре20С9 ^ Ре20С9 + Fe4C ^ Бе4С.
Исследования, выполненные методом РЭМ, показали, что зерна перлита и феррита после различных этапов изготовления, как и в исходном образце, располагаются друг относительно друга случайным образом. При этом размеры зерен соизмеримы. На рис. 2 приведены изображения зеренной структуры стали 35ХГС, полученные методом РЭМ. Видно, что по контрасту зерна феррита и перлита, как и в исходном образце, практически не различимы. По размерам зеренная структура довольно однородна.
Рис. 2. Изображения зеренной структуры в стали 35ХГС, полученные методом РЭМ: а - обр. №2; б - обр. №3.
Данные РСА показали, что параметр кристаллической решетки а-фазы для всех образцов составляет величину, равную 0,286640±0,00005 нм. Это означает, что а-фаза в основном состоит из железа, легирующих элементов в а-твердом растворе практически нет. Судя по величине параметра кристаллической решетки в а-твердом растворе углерод отсутствует.
Дальнодействующие поля напряжений (поля растяжения-сжатия) ад измерялись методом РСА по размытию дифракционных линий, внутренние поля за счет дислокаций «леса» стЛ и локальные внутренние поля напряжений стлок - методом ПЭМ: стЛ - из величины скалярной плотности дислокаций, алок - по величине кривизны-кручения кристаллической решетки. Внутренние напряжения во всех морфологических составляющих стали растут по мере изготовления изделия. Во-первых, всегда амплитуда выше, нежели алок, однако увеличение алок более значительно. Во-вторых, аЛ в феррите выше, чем в перлите, а олок - наоборот, ниже.
Выводы:
1. Исследовано структурно-фазовое состояние стали 35ХГС на стадии заготовительного производства (после механо-термической обработки) в поверхностном слое и на глубине 1,0 и 1,5 мм от поверхности; а также на этапе получистовой механической обработки (глубина снятого слоя составляет 1 мм) и чистовой механической обработки (суммарная глубина снятого слоя составляет 1,5 мм по сравнению с исходным образцом). Установлено, что поверхностный слой исследованной заготовки имеет полностью фрагментирован-ную структуру, которая состоит из микрозе-ренной феррито-перлитной смеси. После проведения механической обработки во всех образцах присутствуют ферритные зерна в двух состояниях: нефрагментированном и фраг-ментированном состоянии. Перлитные зерна присутствуют трех видов. Весь перлит является дефектным. Объемные доли каждой структурной составляющей на разных этапах изготовления изделия различны.
2. В перлитных зернах термомеханическая обработка уже на первом этапе изготовления изделия (обр. № 2) привела к изменению в структуре перлита. Эти изменения заключаются в изменении морфологии перлита и разрушении цементита в перлите.
3. Исследования, выполненные методом РЭМ, показали, что зерна перлита и феррита после различных этапов изготовления, как и в исходном образце, располагаются друг относительно друга случайным образом. По размерам зеренная структура довольно однородна.
4. Параметр кристаллической решетки а-фазы для всех образцов составляет величину, равную 0.286640±0.00005 нм. Это означает, что а-фаза в основном состоит из железа, легирующих элементов в а-твердом растворе практически нет.
5. Внутренние напряжения во всех морфологических составляющих стали растут по мере изготовления изделия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности деталей -резерв в повышении конкурентоспособности машин // Инженерия поверхности. Приложение к журналу «Справочник. Инженерный журнал». - М.: Машиностроение. - 2001. - №4.
- С. 3-9.
2. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 256 с.: ил.
3. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т2 / А. Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, А.М. Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 430 с.: ил.
4. Гриднев, В.Н. Распад цементита при пластической деформации стали / В.Н. Гриднев, В.Г. Гаврилюк // Металлофизика. - 1982. - Т.4, №3.
- С. 74-87.
5. Нестерова, Е.В. Кристаллографические особенности внутреннего строения колоний деформированного пластинчатого перлита / Е. В.
Нестерова, В.В. Рыбин, Н.Ю. Золоторевский // ФММ. - 2000. - Т.89, №1. - С. 47-53.
6. Белоус, М.В. Состояние углерода в холодноде-формированной стали / М.В. Белоус, Г.М. Мол-чановская, В.Б. Новожилов, В.Т. Черепин // Металлофизика и новейшие технологии. -1994. - Т.16, №2. - С. 52-60.
7. Счастливцев, В.М. Структурный и кинетический аспекты отжига тонкопластинчатого перлита / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. - №5. - С. 50-59.
8. Козлов, Э.В. Влияние типа субструктуры на перераспределение углерода в стали мартен-ситного класса в ходе пластической деформации / Э.В. Козлов, Н.А. Попова, Л.Н. Игнатен-ко и др. // Изв. вузов. Физика. - 2002. - №3. -С. 72-82.
9. Козлов, Э.В. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э. В. Козлов, Н. А . Попова, О.В. Кабанина и др. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. - 177 с.
10. Козлов, Э.В. Градиентные структуры в перлитной стали / Козлов Э.В., Громов В.Е., Коваленко В.В. и др. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2004. - 224 с.
11. Смирнов, А.Н. Субструктура, внутренние поля напряжений и проблема разрушений паропроводов из стали 12Х1МФ / А.Н. Смирнов, Э.В. Козлов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. -163 с.
RESEARCH OF METAL STRUCTURALLY-PHASE CONDITION AS THE PARAMETER OF PROCESSABLE SURFACES OF MACHINES
DETAILS QUALITY
© 2010 A.N. Smirnov1, N.A. Koneva2, N.A. Popova2, A.S. Glinka1
1 Kuzbass State Technical University, Kemerovo
2 Tomsk State Architecturally-building University
The present work it is carried out research of one of widely applied in mechanical engineering steels -steel 35ХГС at various stages of machining. The primary goal of research consist in definition of parameters of steel gradient structuresl. Structural researches were spent by 3 basic methods: the raster electronic microscopy, translucent diffraction through thin foil electronic microscopy and X-ray structural analysis.
Key words: structurally-phase condition, steel, processable surface
Alexander Smirnov, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Machine Building Technology. E-mail: [email protected]
Nina Koneva, Doctor of Physics and Mathematics, Professor at the Physics Department. E-mail: [email protected] Nataliya Popova, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected] Alexandra Glinka, Assistant. Е-mail: [email protected]
