автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств ферритно-перлитной стали при мегапластическом деформировании и низкотемпературном отжиге

На правах рукописи

МОРДОВСКОЙ ПЕТР ГРИГОРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФЕРРИТНО-ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ ПРИ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ОТЖИГЕ

Специальность 05.16.09. - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2014

2 8 АВГ 2014

005552031

Работа выполнена в ФГБУН «Институт физико-технических пробле Севера им. В.П. Ларионова» СО РАН (ИФТПС СО РАН), г. Якутск

Научный руководитель:

Яковлева Софья Петровна, доктор технических наук, профессор, заведующая отделом материаловедения ФГБУН «Институт физико-технических проблем Севера» СО РАН (г. Якутск)

Официальные оппоненты: Николенко

Ведущая организация:

Сергей Викторович, доктор технических наук, старший научный сотрудни лаборатории функциональных материалов и покрытий ФГБУН «Институт материаловедения» Хабаровского научного центра ДВО РАН

Тютин Марат Равилевич, кандидат техничесю ? наук, старший научный сотрудник лаборатории конструкционных сталей и сплавов им. академика Н.Т. Гудцова ФГБУН Институ металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН (г. Москва)

ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» (г. Якутск)

Защита состоится «23» сентября 2014 г. в 13:00 часов на заседани диссертационного совета Д 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амур государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201, корпус 3. Факс: 8(4217)53-61-50 e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВП «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» и н официальном сайте организации по адресу: www.knastu.ru

Автореферат разослан «22» августа 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенны гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу на им ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь х??/^ Пронин Александр

диссертационного совета — Иннокентьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Актуальной задачей материаловедения в машиностроении является улучшение комплекса физико-механических свойств материалов. В последнее десятилетие большое внимание специалистов, занимающихся созданием и исследованием новых материалов, вызывают материалы с субмикрокристаллической (СМК) и наносубмикрокристаллической (НСМК) структурой. Такие материалы обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют практическую значимость. К настоящему времени разработано несколько методов получения СМК и НСМК материалов: компактирование ультрадисперсных порошков, контролируемая кристаллизация аморфных материалов и мегапластическая или интенсивная пластическая деформация (ИПД). Существуют проблемы в развитии первых двух методов, связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, загрязнением образцов при подготовке порошков или их консолидации, невозможностью получения достаточно массивных и объемных СМКМ и НСМ. Одним из основных вариантов решения данной проблемы является применение мегапластической деформации методом равноканального углового прессования (РКУП).

Обычно РКУП проводят при повышенных (сотни градусов Цельсия) температурах («теплое» РКУП); с практической точки зрения интересно изучение процессов диспергирования структуры металлов при понижении температур прессования. Кроме того, для формирования ультрадисперсных структур может оказаться перспективной комбинация «холодного» (при комнатной температуре) РКУП и относительно низкотемпературного кратковременного нагрева. В большинстве же зарубежных и отечественных работ, исследующих влияние термообработки на структуры пониженной размерности, полученные при РКУП, нагрев чаще всего проводится при весьма высоких температурах (~500°С и выше) в течение продолжительного времени (более 1 часа). Также следует отметить, что основное внимание из-за сложности проведения РКУ деформирования уделяется пластичным металлам (Си, А1, N1) н их сплавам. Для машиностроения, а также строительства, актуально изучение перспектив применения РКУП железоуглеродистых сплавов, в частности широко использующихся в промышленности сталей с ферритно-перлитной структурой. В связи с этим необходимо исследование механических и трибологических свойств сталей, структурированных методом РКУП. С другой стороны, в современном материаловедении важнейшим фундаментальным направлением является исследование факторов, обеспечивающих достижение того или иного уровня свойств. Соответственно, актуально изучение процессов разрушения сталей с НСМК структурой при воздействии однократных или трибонагрузок.

Связь работы с научными программами:

Работа выполнена в соответствии с планами научных работ Института физико-технических проблем Севера им. В.П.Ларионова СО РАН по следующим программам:

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №7 «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», проект 7.3 «Деформационно-термические условия объемного наноструктурирования и повышение физико-механических свойств ферритно-

перлитной стали при низкотемпературной релаксации после равноканального углового прессования» (№ гос. per. 01201153007).

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 8, проект 8.22. «Формирование нано-, субмикронной структуры при объемных и поверхностных термосиловых воздействиях после мегапластической деформации как основа для разработки конструкционных сталей с высоким уровнем свойств и адаптивным поведением при эксплуатации» (№ гос. per. 01201257844).

Проект РФФИ №12-08-98503 «Процессы самоорганизации в наноструктурированных сталях как фактор повышения их эксплуатационных свойств в условиях Арктики».

Объект исследования: Структура, комплекс физико-механических свойств и трибологических характеристик низкоуглеродистой стали после РКУП и последующей термической обработки (ТО).

Цель работы: развитие научно-прикладных основ решения задачи улучшения комплекса физико-механических свойств ферритно-перлитных сталей с применением равноканального углового прессования при комнатной температуре и последующего кратковременного низкотемпературного отжига; выявление роли нано-, субмикрокристаллических структурных состояний в формировании прочностных и трибологических свойств ферритно-перлитной стали.

Задачи:

1. Исследование изменений микроструктуры конструкционной стали 09Г2С после РКУП при 20°С и последующего низкотемпературного отжига.

2. Исследование влияния феррита и карбидов пониженной размерности на механические свойства и микромеханизмы разрушения стали 09Г2С.

3. Исследование физических свойств стали 09Г2С после РКУП и ТО.

4. Определение трибологических характеристик, механизмов повреждения и эволюции фрикционных поверхностей стали 09Г2С после РКУП и ТО.

Научная новизна полученных результатов:

Впервые показан эффект формирования наноразмерных и субмикронных структурных элементов в конструкционной стали 09Г2С при комбинировании метода «холодного» РКУП и низкотемпературного отжига. Установлено, что образующиеся в стали нано-, субмикрокристаллические структуры обеспечивают технически значимое улучшение комплекса механических свойств, приближая ее к классу высокопрочных.

Выявлены особенности влияния дисперсных структур, образующихся в ферритно-перлитной стали после холодного РКУ прессования, на процессы разрушения и уровень механических характеристик. Исследование строения макро- и мезорельефов изломов, механизмов разрушения позволило показать роль нано-, субмикрокристаллических структур как факторов высокопрочного состояния сталит

Установлено, что создание гетерогенной структуры системы «субмикронная ферритная матрица - наноразмерная карбидная фаза», позволяет в несколько раз повысить износостойкость стали. Исследована эволюция строения и микрогеометрия фрикционных поверхностей, основные механизмы повреждения и особенности кинетики изнашивания, указывающие на существенные различия в формировании трибологической прочности в зависимости от уровня дисперсности структуры.

Практическая значимость полученных результатов: Практическая значимость предлагаемого подхода к формированию наносубмикронных структур в конструкционных сталях определяется снижением температуры предварительного нагрева заготовки перед РКУП и температурно-временных параметров последующей термообработки. Как показали проведенные исследования, механические характеристики стали 09Г2С после РКУП и ТО достигают значений, характерных для высокопрочных сталей. Поэтому перспективы выбранной обработки массовых ферритно-перлитных сталей обуславливаются, во-первых, возможностью создания из них ответственных деталей с высоким комплексом механических свойств, в том числе по износостойкости; во-вторых, обеспечением существенного ресурсо- и энергосбережения. Возможная номенклатура изделий ограничивается только особенностями технологии обработки заготовок РКУ прессованием и температурой эксплуатации готовой детали или сборочной единицы.

Достоверность полученных результатов в диссертационной работе обеспечивается системным подходом к исследованиям, привлечением современных, преимущественно стандартных и взаимно дополняющих друг друга экспериментально-аналитических методов и испытаний на современном и поверенном оборудовании. Основные результаты и выводы диссертационной работы опубликованы и докладывались на научных семинарах и конференциях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получение в стали 09Г2С наносубмикронных структур при мегапластическом деформировании равноканальным угловым прессованием и последующем низкотемпературном отжиге.

2. Повышение предела прочности и текучести стали 09Г2С после РКУП и ТО в три раза по сравнению с исходным крупнозернистым состоянием;

3. Увеличение коэрцитивной силы, удельного электросопротивления, среднего значения и количества магнитных шумов Баркгаузена стали 09Г2С после РКУП и ТО;

4. Рост износостойкости и изменение процесса изнашивания стали 09Г2С со структурой системы «субмикронная ферритная матрица -наноразмерная карбидная фаза» по сравнению с исходной крупнозернистой ферритно-перлитной структурой.

Апробация работы. Основные положения работы представлены на следующих семинарах, конференциях, симпозиумах: Междисциплинарный международный научно-технический семинар с элементами молодежной школы «Нанотехнологии в материаловедении» (Якутск, 2012), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011 г.), IV Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов БРМЫ-2011» (Москва, 2011), XV Лаврентьевские чтения (Якутск, 2011 г.), Международная научно-техническая конференция «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010 г.), V Евразийский симпозиум по проблемам прочности машин и материалов для регионов холодного климата ЕиЯА5ТИЕКСОЬ1>-2010 (Якутск, 2010 г.), VI Евразийский симпозиум по проблемам прочности машин и материалов для регионов холодного климата ЕША5Т11ЕНС01Л)-2013 (Якутск, 2013г.), XXXII

международная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2014).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 23 трудах, в том числе в 4 журналах, включенных в перечень ВАК, и 10 публикациях в сборниках трудов международных конференций.

Личный вклад автора в работу. Соискатель участвовал в планировании и постановке целей и задач работы, интерпретации результатов и формулировке основных положений, определяющих ее новизну и практическую значимость. Им проведены исследования структуры, физических, механических и трибологических свойств. Сканирующая электронная микроскопия, измерения физических свойств и фрикционная обработка по схеме «палец-плоскость» были проведены в ИМАШ УрО РАН (г. Екатеринбург) в период прохождения соискателем научной стажировки под руководством д.т.н. A.B. Макарова и к.ф,-м.н. С.М. Задворкина. В ряде экспериментов, связанных с проведением механических и трибологических испытаний, участвовали сотрудники отделов ИФТПС СО РАН, которым автор выражает глубокую благодарность. Особая благодарность - члену-корреспонденту РАН М.П. Лебедеву и д.т.н. С.П. Яковлевой за постоянную поддержку и внимание.

Структура и объем диссертации.

Работа изложена на 136 страницах и состоит из введения, 5 глав с выводами, общих выводов, библиографического списка из 153 наименований, содержит 56 рисунков и 16 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту и методология исследования.

Первая глава посвящена литературному обзору по теме диссертации и обоснованию задач исследований. Показано, что РКУП является эффективным способом получения СМК и НСМК структуры в металлах и сплавах. РКУП разработано В.М.Сегалом в 1970-х годах и развито Р.З. Валиевым в 1990-х годах. Современные теоретические работы зарубежных и российских авторов раскрывают механизмы пластического деформирования в процессе РКУП и основные закономерности зависимости деформации от напряжения. Выявлено, что происходит существенное повышение механических характеристик материала. Большинство работ по исследованию материалов после РКУП посвящено изучению изменений механических свойств пластичных цветных металлов и их сплавов. Литературный обзор показал, что малоизученным является влияние РКУП на такие материалы, как железоуглеродистые сплавы. Недостаточно исследованы хладостойкость, ударная вязкость и трибологические свойства металлов и сплавов после РКУП. Практически не исследован вопрос влияния кратковременного низкотемпературного отжига на структуру и свойства конструкционной стали, подвергнутой мегапластической деформации.

Во второй главе описаны объекты и методики экспериментальных исследований.

Материал исследования: конструкционная низкоуглеродистая малолегированная сталь 09Г2С (0,09 % С; 0,64 % Si; 1,26 % Мп; 0,007 % Р; 0,08 % Сг; 0,1 % Ni; 0,0 2 % AI; 0,14 % Си; меньше 0,002 % V; 0,01% Nb; 0,013 % Ti).

РКУП проводили при 20° С, угол пересечения каналов матрицы Ф равен 90°, маршрут прессования Вс, при котором образец поворачивают на 90° после каждого прохода в одном направлении, количество циклов прессования равно двум. Последующий низкотемпературный отжиг проводили при 250, 350, 450 и 550° С в течение 1 часа с охлаждением на воздухе.

Исследования микроструктуры проведены с помощью электронных микроскопов JEOL JSM-6480LV и Mira3 Tescan и металлографических микроскопов Observer Dim и Неофот-32; для фазового анализа использовали программу AxioVision Multiphase.

Фрактографический анализ изломов ударных образцов выполнен на стереомикроскопе «Stemi 2000С» (макростроение) и растровых электронных микроскопах JXA-50A и JEOL JSM-6480LV (микростроение).

Значения микротвердости замерены на приборе ПМТ-ЗМ. Микротвердость и модуль Юнга также были измерены на приборе Fisherscope Н100С Хур.

Испытания на статическое растяжение проводились на испытательной машине «UTS TestSysteme GmbH» (Lammerweg 29.D-89079 Ulm) модели UTS 20 при скорости деформирования 1 мм/мин и величине предельной нагрузки 1 т. Механические характеристики определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84 и 11150-84. Испытания на ударный изгиб образцов с V-образным надрезом проведены на маятниковом копре «МК-30» при комнатной температуре и при минус 40° С.

Коэрцитивную силу измеряли на коэрцитиметре КИФМ-1. Основные магнитные характеристики определяли на магнитоизмерительном комплексе REMAGRAPH. Удельное электросопротивление образцов определяли на стенде с четырехпроводной схемой.

Для трибологических испытаний при трении скольжения со смазкой образцов с размером поперечного сечения 5x10 мм была выбрана схема трения «диск-колодка»; испытания выполнены на серийной машине трения СМЦ-2. Массовый износ определялся весовым методом. Профилометрия поверхности трения образцов проводилась на 5 маркированных участках образца с помощью профилометра SJ-201P фирмы «Mitutoyo».

Трибологические испытания при сухом трении скольжения по схеме «палец-плоскость» выполнены на машине трения модели 73.03, площадь контакта 5,4x5,4 мм; также по данной схеме проведены испытания в безокислительной среде аргона и испытания на абразивный износ по закрепленному абразиву корунду.

В третьей главе рассмотрены фазовые, структурные превращения, происходящие при холодном РКУП и последующем отжиге.

Структура стали 09Г2С в исходном состоянии ферритно-перлитная (рисунок 1а); средний размер зерен феррита составляет 10-20 мкм. После РКУП структура состоит из распределенных в деформированной ферритной матрице обособленных карбидов диаметром -300. .500 нм и карбидных конгломератов; средний размер ферритных областей, свободных от перлита, равен ~5 мкм (рисунок 16).

В ходе последующего нагрева наблюдаются превращения, не характерные для материала в обычном крупнозернистом состоянии. Уже при 250° С можно наблюдать значительное изменение структуры (рисунок 1в). Видно, что размер ферритных зерен уменьшается, продолжается процесс диспергирования карбидов, сопровождающийся их сфероидизацией и рассредоточением.

Рисунок 1 - Микроструктура стали 09Г2С в исходном состоянии (а), после холодного РКУП (б) и нагрева при 250°С (в), 350° С (г), 450° С (д) и 550° С (е)

При нагреве до температур 350°...450° С (рисунки 1г, д, 2) происходит дальнейшее растворение углерода в феррите; минимальный радиус карбидных частиц составил 30 нм, размер ферритных промежутков =1,7..2 мкм. Внутренняя структура феррита содержит вытянутые элементы субмикронного размера в поперечнике, образуется сильноразориентрованная ячеистая субструктура. В колониях пластинчатого перлита при деформировании первоначально меняются межпластиночные расстояния, идет формирование развитой ячеистой структуры, пластины цементита постепенно истончаются и фрагментируются.

Изменение распределений значений микротвердости стали 09Г2С после РКУП и ТО показано на рисунке 3. Более растянутый спектр значений микротвердости стали сразу после РКУП (рисунок За) обусловлен большей неоднородностью по сравнению с термообработанными состояниями (рисунок 3 б-д). Термообработка при 250° и 350° С не только смещает максимум гистограмм микротвердости в сторону ее увеличения, но и сужает их практически до двух центральных пиков (рисунки 36, в). Очевидно, такое резкое изменение микросвойств стали - следствие процесса первичной рекристаллизации, то есть можно полагать, что при 250°С уже достигнута температура ее начала. Как видно по некоторому снижению средней микротвердости, при 450° С инициируется механизм рекристаллизации, и уже при 550° С это приводит к ее существенному падению (рисунки 3 г, д).

Колонии карбидов диаметром менее 100 нм

Отдельные карбиды, расположенные вдоль границ зерен УМЗ феррита, диаметром менее 100 нм

Рисунок 2 - Микроструктура стали 09Г2С после РКУП и ТО при 350° С. РЭМ

Таким образом, анализ микроструктуры и микротвердости стали 09Г2С в состоянии, достигнутом холодным РКУП с последующей ТО в диапазоне температур 250...550° С, указывает на дальнейшее диспергирование элементов структуры при нагреве после РКУП с образованием весьма однородной субмикрокристаллической ферритной матрицы, упрочненной карбидами пониженной размерности (вплоть до наноразмерных).

2(100 2200 2400 2600 МПа

Рисунок 3 - Изменение распределения значений микротвердости стали 09Г2С после комбинированного воздействия холодного РКУП а) без отжига и с отжигом при б) 250° С, в) 350° С, г) 450° С и д) 550° С

В четвертой главе исследованы физико-механические свойства стали 09Г2С, упрочненной РКУП и ТО. Для механических испытаний были выбраны образцы после РКУП с последующим отжигом при 350 и 450° С. Результаты экспериментов по растяжению приведены в таблице 1. РКУП обусловило трехкратное повышение предела текучести а г и предела прочности ав по сравнению с исходным состоянием. Резкое увеличение прочности считается следствием перехода структуры в субмикро-, нанокристаллическое состояние.

Одним из основных показателей механических свойств металлов наряду с параметрами прочности и пластичности является ударная вязкость, характеризующая, прежде всего, склонность материала к хрупкому разрушению и эксплуатационные свойства при низких температурах; значения ударной вязкости KCV при комнатной температуре и при минус 40° С показаны в таблице 2.

Для выявления роли наносубмикрокристаллической структуры как фактора повышения сопротивления ферритно-перлитной стали хрупкому разрушению проведен макро- и микрофрактографический анализ поверхностей изломов (рисунок 4) образцов, испытанных на ударный изгиб. Общим для макроизломов ударных образцов обработанной стали 09Г2С, разрушенных при 20° С и минус 40° С, является образование не обычных ортогональных изломов, а наклонных.

Микростроение изломов - смешанное, с участками вязкого ямочного разрушения и разрушения по механизмам мелкодисперсного скола и квазискола.

Таблица ) - Прочностные свойства стали 09Г2С после различных видов обработки

Температура испытаний

Режимы обработки при 20° С при минус 40° С

(Тт, <5, ат, д,

МПа МПа % МПа МПа %

Исходное состояние 325 470 21

РКУП при 20°С 930 1300 4 990 990 2

РКУП при 20°С, отжиг при 350° С 985 1400 3 1000 1000 3

РКУП при 20°С, отжиг при 450°С 850 1195 4 890 890 3

Таблица 2 - Ударная вязкость стали 09Г2С после РКУП при 20° С и отжига

Режимы КСУ

Обработки МДж -м"2

при 20 ° С при минус 40° С

Исходное состояние 0,22 0,13

РКУП 0,63 0,14

РКУП, отжиг при 350° С 0,45 0,11

РКУП, отжиг при 450° С 0,58 0,13

Рисунок 4 - Вид макроизломов образцов: а)РКУП, испытание при 20° С; б) РКУП и отжиг при 350° С, испытание при минус 40° С

На рисунке 5 представлены характерные изображения скола и квазискола в центральных областях изломов образцов, испытанных при 20° С и минус 40° С. При низкой температуре испытания, как и при комнатной, объединение микротрещин, зародившихся на разных уровнях по механизму квазискола, часто происходит с образованием множественных вертикальных утяжек сложной формы, вершины которых имеют мелкоямочное тонкое строение (рисунки 5д, е). Образование такого развитого рельефа определяет повышенную энергоемкость разрушения.

Следует отметить, что при низкотемпературных испытаниях процесс развития трещин в стали после РКУП и РКУП и ТО при 450° С, очевидно,

более чувствителен к присутствию диспергированной карбидной фазы: поел ' этих режимов обработки поверхности изломов образцов содержат участки щ карбидными частицами (Рисунок 6).

Таким образом, измельчение структурных составляющих повысилс энергоемкость разрушения и, соответственно, значения ударной вязкости за сче" реализации процесса множественного разрушения с образование! многочисленных сепаратных трещин, отвлекающих часть энергии на их развитая и тем самым тормозящих разрушение.

С целью выбора параметров оценки механических свойств и диагностику текущего состояния стальных изделий, упрочненных методом РКУП, существуе" необходимость применения неразрушающего контроля. Выявлено увеличенш коэрцитивной силы в 2,2 раза, удельного электросопротивления в 1,3 разз| среднего значения магнитных шумов Баркгаузена в 4 раза стали 09Г2С поел; РКУП по сравнению со сталью с исходной крупнозернистой структурой Дальнейшая термическая обработка по различным маршрутам также влияет н данные показатели, что позволяет оценивать степень упрочнения материал; (величины а в и а0,2) путем неразрушающего контроля.

Рисунок 5 - Тонкое строение центральных областей изломов: а) РКУП, испытание при 20° С; б) РКУП и ТО при 350° С, испытание при 20° С; в) РКУП и ТО при 450° С, испытание при 20° С; г) РКУП, испытание при минус 40° С; д) РКУП и ТО при 350° С, испытание при минус 40° С; е) РКУП и ТО при 450° С, испытание при минус 40° С

Рисунок 6 - Участки излома стали 09Г2С, содержащие частицы карбидной фазы: а-г - сталь после РКУП, температура испытаний минус 40° С; е - сталь после РКУП и ТО при 450° С, испытание при минус 40° С

В пятой главе исследованы трибологические свойства: износ, износостойкость и эволюция поверхности трения.

Износостойкость ферритно-перлитных сталей определяется комплексом их физико-механических характеристик, зависящих от количества и дисперсности структурно-свободного феррита, размера и формы карбидных частиц, деформационного поведения, сопротивления возникновению микротрещин. Повышению износостойкости способствуют рост твердости феррита, оптимальное распределение дисперсных частиц карбидной фазы и т.д.

Появление элементов наносубмикронной размерности в структуре стали значительно улучшило износостойкость: по массовому износу - в 2,5...2,7 раза; по интенсивности изнашивания - более чем в 2 раза по сравнению с СМК структурой, полученной РКУП без ТО. На рисунке 7 показаны массовый износ образцов, обработанных РКУП и ТО. Лучшую износостойкость продемонстрировала сталь, обработанная по режиму РКУП и ТО при 350° С, для которой на стадии приработки происходит снижение интенсивности изнашивания в 3,4 раза.

износ,г массовый износ

О 10000 20ООО 30000 40000

число циклов

Рисунок 7 - Износ образцов стали 09Г2С при трении по схеме «диск-колодка»

В таблице 3 представлены результаты трибологических испытаний при сухом трении скольжения по схеме «палец-плоскость» с различными значениями нормальной нагрузки. Рост нагрузки до 300 Н приводит к значительному увеличению износа исходного материала вследствие перехода к адгезионному схватыванию, износ составил 360 мг; после РКУП без ТО 140мг; после РКУП с отжигом при 350 и 450° С 6 и 5 мг соответственно, что также было подтверждено при испытаниях в безокислительной среде аргона. При нагрузке 375 Н массовый износ на воздухе образцов снижается, что является следствием изменения режима трения, при котором возрастает способность материала сопротивляться трещинообразованию и формированию частиц износа.

Таблица 3 - Массовый износ при сухом трении скольжения по схеме «палец-плоскость»

Потери массы, Дт, мг

Испытательная нагрузка, Н 150 225 300 375

Исходное состояние 7 8 360 260

РКУП при 20°С. без ТО 7 5 140 3

РКУП при 20° С, отжиг при 350° С 10 6 40 20

РКУП при 20° С, отжиг при 450° С 5 5 3 2

Большая износостойкость обработанных РКУП образцов являете следствием роста твердости и прочности, а также структурных измененир (измельчение зерна, рост количества большеугловых границ зерен и др.). Поел! РКУП и последующего отжига происходит дополнительное упрочнени субмикронной ферритной матрицы, обусловленное появлением и боле! равномерным распределением наночастиц цементита и снижение^ деформационных напряжений в образцах.

Поскольку трибологические характеристики машин и механизмов : значительной степени определяются контактным взаимодействием деталей проведено исследование изменения шероховатости фрикционные поверхностей образцов стали 09Г2С в процессе трения скольжения по схем; «диск-колодка».

В работе также исследована шероховатость поверхности трения п параметрам Ка, Кс] и Яг. Следует отметить колебательный характер изменена! параметров Яа. Кц, Яг образцов по всему пути трения, включая стадш стационарного износа, что объясняется цикличностью процесса трения упрочнения (наклеп) и разупрочнения (разрушение и удаление) поверхности трения. Инструментом для описания шероховатости в горизонтальном вертикальном направлениях является построение опорных кривых (рисунок 8 которые представляют собой интегральную кривую распределения материала п высоте шероховатого слоя.

Наиболее оптимальный вид опорной кривой должен иметь широкут опорную поверхность, малую величину площади и высот вершин, достаточны' размер впадин (для маслоудержания). С увеличением опорной по верх ноет понижается средняя нагрузка на вершины при трении, что снижает вероятност появления очагов контактного разрушения, образования надиров и т. д.

Образцы после РКУП имеют большую опорную поверхность по сравнение с исходным материалом (таблица 4). Исходный крупнозернистый образец имее наименьшее значение опорной поверхности, что является следствие! особенностей рельефа поверхности с большим количеством вершин и впадин.

РКУП и ТО при 350° С дают наибольшее относительное значение опорно поверхности (85%) изнашиваемого образца, малое значение площади верши! 0,1мкм2 и достаточное значение площади впадин 0,12 мкм2. Рельеф фрикционно поверхности - менее выраженный, с относительно ровными дорожками трения более тонкими следами микрорезания. Также после обработки по этому режим; сталь имеет наибольшие прочностные характеристики и наименьшее значени' массового износа при различных нормальных нагрузках.

Таблица 4 - Параметры шероховатости образцов

Режимы обработки образцов Яа. мкм Яг, мкм Относительная длина опорной поверхност и, % Площадь вершин, мкм2 Площадь впадин, мкм

Исходное состояние 0.96+0.31 4,05±1,46 72+6 0,18+0,11 0,20±0,04

РКУП при 20°С, без ТО 0,70±0,10 5,21 ±0,71 82+2 0,10±0,03 0,17±0,04

РКУП при 20°С, ТО при 350°С 0,85±0,28 5,44±1,39 85±4 0,10+0,06 0,12±0,05

РКУП при 20°С, ТО при 450"С 0,49±0,19 3,24±0,91 84±6 0,09±0.05 0.07±0,02

Рисунок

б 1'5 1,0

0,5 10,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

С

Г 3,0 2,0 1,0 1 0,0 -1,0 -2,0 -3,0 40

Е 4,0' 2,0

I

-2,0 -4,0 -6,0

[шш] 2,0

'12,0

« ГЧЛ

4......^

— и

[тт] 2,о

1,0 -5 0,0 -1,0 --2,0

[тт] 2,0

— ■ - 4500 циклов

— — 13500 циклов -22500 циклов

Графики опорных кривых шероховатости после 4500, 13500 и 22500 циклов трибоиспытаний (а-исходное состояние; в-РКУП; д-РКУП и ТО 350° С; ж-РКУП и ТО 450° С) и профиль поверхности износа после 45 мин трибоиспытаний (б-исходное состояние; г-РКУП; е-РКУП и ТО 350° С; з-РКУП и ТО 450° С)

В целом, анализ макро- и микроизображений поверхностей износа образцов показывает, что наблюдаются все основные механизмы повреждения контактных зон: упругое и пластическое оттеснение, микрорезание, выкрашивание, отслоение, вырывы. Преимущественным является механизм повреждения микрорезанием, обуславливаемый внедрением абразивных частиц

контртела в сталь и последующим их перемещением по ее поверхности

образованием борозд, канавок и рисок различной ширины.

Выводы:

1. Интенсивная пластическая деформация стали 09Г2С методом холодног РКУП при 20° С привела к диспергированию ее структуры: минимальный разме карбидов -300 нм, средний диаметр ферритного зерна 5 мкм, что в 2 раза ниж исходного. Специфика микростроения, распределения элементов второй фазы субструктуры стали 09Г2С, внесенная холодным РКУП, обусловила пр последующем нагреве в течение 1 часа в диапазоне умеренно высок температур (250, 350, 450 и 550° С) снижение температуры начал рекристаллизации и сокращение времени, необходимого для ее завершения, т есть реализацию механизма низкотемпературной рекристаллизации, что такж подтверждено изменением уровня и характера распределения микротвердости.

2. Анализ микроструктуры стали 09Г2С при рекристаллизационном отжиге д 450° С после РКУП показал, что продолжается уменьшение среднего размер ферритной фазы: минимальное среднее значение диаметра ферритных облаете составило 1700 нм. Диспергирование карбидной фазы (до размеров менее 100 н наблюдается вплоть до температуры 550° С.

3. Проведенная мегапластическая деформация стали 09Г2С по режиму «РКУ и ТО при 350° С» обусловила переход ее в высокопрочное состояние: преде текучести ст и предел прочности ов при комнатной температуре увеличилис втрое и составили соответственно 985 и 1400 МПа против 325 и 470 МПа дл исходного состояния. При минус 40° С от = ав = 990 МПа. Отмечаете сохранение характеристик пластичности при снижении температуры испытан! как при положительной, так и при отрицательной температурах испытани 5 = 3%. Для всех субмикронных состояний стали 09Г2С получено многократно увеличение ударной вязкости: KCV при 20° С повысилась до 0,45-0,63 МДж-м по сравнению с 0,22 МДж-м-2 в исходном крупнозернистом состоянии; пр минус 40° С ударная вязкость сохранилась неизменной (в среднем, как и дл исходного состояния, KCV = 0,13 МДж-м-2).

4. Упрочнение субмикрокристаллической ферритной матрицы субмикронными наноразмерными частицами цементита влияет на зарождение первичны микрокразрушений и на характер их объединения в односвязную поверхност Высокие значения ударной вязкости структурированной стали 09Г2 обусловлены реализацией процесса разрушения с множественным зарождение начальных несплошностей, сопровождающегося интенсивным ветвлением микр и макротрещин, увеличивающим рельефность излома, и энергоемким микромеханизмами разрушения - вязким ямочным отрывом и дисперсны квазисколом.

5. Однозначность взаимосвязей электромагнитных и прочностных характеристи стали 09Г2С, упрочненной методом РКУП и ТО по различным режима позволяет оценивать величины прочности, качество заготовок и изделий обрабатываемого материала с использованием параметров коэрцитивной силь электросопротивления, характеристик магнитных шумов Баркгаузена параметров вихретокового контроля.

6. Трибологические испытания в условиях трения скольжения показали, чт РКУП стали 09Г2С при 20° С с последующим низкотемпературным отжиго обуславливающее появление структур в виде субмикрокристаллическо ферритной матрицы, армированной ультрадисперсными частицами карбид

обеспечило снижение величины массового износа более чем в 10 раз по сравнению с исходным крупнозернистым состоянием материала при заданных условиях трибонагружения. Последующий низкотемпературный отжиг обеспечил дополнительное снижение массового износа в 2,2 раза.

7. Исследование высотных параметров шероховатости и опорных кривых поверхностей трения показало, что рост износостойкости стали 09Г2С с нано-, субмикронной структурой, сформированной при РКУП и последующей термической обработке, связан с образованием рельефа с меньшими колебаниями параметров Яа и Яг; график опорных кривых имеет большую длину опорной поверхности, происходит оптимизация площадей вершин и впадин для заданных условий трения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Яковлева, С.П. Износостойкость и поверхность трения низколегированной стали с разным размером зерна / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской, М.З. Борисова, Г.Г. Винокуров // Металлургия машиностроения.-2011.- № 4. -С.26-29.

2. Яковлева, С.П. Влияние режимов объемного наноструктурирования мегапластической деформацией на свойства конструкционной стали / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской, М.З. Борисова // Перспективные материалы. - 2011. - №13. - С. 961-967.

3. Горкунов, Э.С. Влияние режимов равноканального углового прессования на механические и магнитные свойства стали 09Г2С / Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, JI.C. Горулева, Е.А. Путилова, И.Н. Веселов, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской// Дефектоскопия. - 2012. - №10,- С.18-27

4. Яковлева, С.П. Повышение износостойкости и рельеф поверхности трения ферритно-перлитной стали, наноструктурированной мегапластической деформацией / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, Г.Г. Винокуров, П.Г. Мордовской, Н.Ф. Стручков // Фундаментальные исследования. 2013. - № 10. - 4.15. - С. 34513455.

5. Gorkunov Е. S., Zadvorkin S. M., Goruleva L. S., Tueva E. A., Veselov I. N., Yakovleva S. P., Makharova S. N., Mordovskoi P. G. The effect of equal channel angular pressing on the mechanical and magnetic properties of 09 Gamma 2C steel RUSSIAN JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE TESTING, 2012, V.48, P. 568 - 575

6. Яковлева, С.П. Комплексное повышение эксплуатационных свойств низколегированной стали путем объемного наноструктурирования / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской // Успехи современного естествознания. - 2011. - № 6. - С. 47-48.

7. Яковлева, С.П. Параметры фрикционной поверхности и износостойкость низколегированной стали с различным размером зерна / С.П. Яковлева, М.З. Борисова, П.Г. Мордовской//Тр. V Евразийского симп. по проблемам прочности машин и материалов для регионов холодного климата «Eurastrencold-2010».-Якутск,2010. - Ч. 1. - С. 285-292.

8. Яковлева, С.П. Механические свойства низколегированной стали после объемного наноструктурирования с применением холодной мегапластической деформации / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, М.З. Борисова, П.Г. Мордовской // Тр. междунар. научно-техн. конф. «Нанотехнологии функциональных материалов». -Санкт-Петербург, 2010. -С. 294-295.

9. Мордовской, П.Г. Повышение износостойкости при наноструктурировани низколегированной стали / П.Г. Мордовской, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова // С ст. науч. Конф. студентов, аспирантов и молодых ученых XV Лаврентьевски чтения посвященные 300 - летию со дня рождения М.В. Ломоносова,- Якуте 2011. - С.93-96

10. Яковлева, С.П. Износостойкость и поверхность трения низколегированно стали с различным размером зерна / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П. Мордовской, М.З. Борисова, Г.Г. Винокуров // Матер. Междунар. научно-техн] конф. «Современное материаловедение и нанотехнологии». - Комсомольск-н Амуре, 2010.-С. 497-501.

11. Яковлева, С.П. Формирование поверхностей износа образцов стали 09Г2С различным уровнем дисперсности структурных составляющих / С.П. Яковлев С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской // Тез. докл. Междунар. конф. по физическо мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материало -Томск, 2011.-С. 91.

12. Мордовской, П.Г. Повышение износостойкости ферритно-перлитной стал после холодного равноканального углового прессования / П.Г. Мордовской, С. Яковлева, С.Н. Махарова, А.В. Макаров //Тез. докл. Междунар. конф. п физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новы материалов. -Томск, 2011. - С. 224.

13. Горулева, Л.С. Оценка механических свойств стали 09Г2С, упрочненны равноканальным угловым прессованием, по магнитным параметрам // Л. Горулева, Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, Е.А. Туева, И.Н. Веселое, С. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской II Тез. докл. XIX всероссийско научно-техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике. Самара, 2011,- С.90-93.

14. Яковлева С.П. Износостойкость и эволюция мезорельефа фрикционно поверхности наноструктурированной стали при трении скольжения / С. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской, М.З. Борисова, Н.Ф. Стручков // С тр. VI Евразийской научно-практ. конф. «Прочность неоднородных структур». Москва, 2012.-С. 61.

15. Мордовской, П.Г. Взаимосвязь физических и прочностных свойс низкоуглеродистой стали после объемного наноструктурирования / П. Мордовской// Физико-химия и технология неорганических материалов: Российская ежегодная конф. молодых научных сотрудников и аспирантов. ИМ А.А. Байкова РАН. (23-26 октября 2012 года, Москва). - Москва. - С.66-68.

16. Mordovskoi P.G., Borisiva M.Z., Yakovleva S.P., Maharova S.N. Application the submicron- abd nanostructured cold-resistant steel for production of hardware f the far north vetal designs// Сб. мат. IV Межд. конф. с элементами научной школ для молодежи «Функциональные материалы и высокочистые вещества. Суздаль, 2012. - С. 25-26

17. Мордовской, П.Г. Влияние объемного наноструктурирования трибологические характеристики низкоуглеродистой стали / П.Г. Мордовско С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, А.В. Макаров // Тр. межд. научно-техническо конф. Нанотехнологии функциональных материалов. - Санкт-Петербруг, 2012. С.259-262.

18. Мордовской, П.Г. Обоснование повышения износостойкост наноматериалов на основе энергетической теории трения / П.Г. Мордовской // С

мат. Всероссийская молодежная научная школа «Химия и технология полимерных и композиционных материалов». - Москва, 2012 г. - С.215

19. Яковлева, С.П. Изменение микростроения наноструктурированной стали при имитации термического цикла сварки / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, М.З. Борисова, П.Г. Мордовской // Мат. Всесоюзной научно-практической конференции «Сварка и безопасность»,- г. Якутск, 2012 - Т. 1. - С.225-231.

20. Мордовской, П.Г. Влияние равноканального углового прессования на трибологические характеристики низкоуглеродистой стали 09Г2С / П.Г. Мордовской, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, Г.Г. Винокуров // Тр. VI Евразийского симпоз. по проблемам прочности машин и материалов для регионов холодного климата «Еига5ЦепсоИ-2013».-Якутск,2013. -Т.2. -С. 277-284.

21. Борисова, М.З. Устойчивость субмикронных и наноструктур в стали 09Г2С при деформационно-термических условиях, создаваемых различными видами металлообработки / М.З. Борисова, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, П.Г. Мордовской // Тр. VI Евразийского симпоз. по проблемам прочности машин и материалов для регионов холодного «Е1шШгепсо1с]-2013».- Якутск,2013. -Т2 -С. 285-289.

22. Мордовской, П.Г. Исследование опорных кривых профиля шероховатости поверхности трения стали наноструктурированной методом равноканального углового прессования и термической обработки / П.Г. Мордовской, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова // Тр. межд. научн.-техн. конф. Современные металлические материалы и технологии (СММТ2013).- Санкт-Петербург

2013.-С. 465-467.

23. Мордовской, П.Г. Микроструктура и распределение углерода после объемного наноструктурирования конструкционной стали 09Г2С / П.Г. Мордовской, С.П. Яковлева, С.Н. Махарова // Сб. ст. по материалам XXXII межд. научн.-практ. конф. «Технические науки - от теории к практике». - Новосибирск,

2014. - С.56-61.

Отпечатано ООО «ПринтСервис» Заказ №10, Тираж 100 экз. 677027, г. Якутск, ул. Горького 100, тел.:36-20-