автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов

На правах рукописи

КИМ ЧАНГ СИК

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.01 -материаловедение в машиностроении Специальность 05.03.01 - технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре «Техническая физика» в Московском государственном индустриальном университете и в Сан Мун Университете (Южная Корея).

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор, академик РАЕН Алёхин Валентин Павлович

Научный консультант:

профессор ПьёнЁнгШик

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Глезер Александр Маркович доктор технических наук, профессор Баранов Юрий Викторович

Ведущая организация:

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Защита состоится "_28_" июня 2005г. в 12 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.129.01 в Московском государственном индустриальном университете по адресу 115280, Москва ул. Автозаводская, 16,в зале Ученого совета МГИУ(ауд. 16О5)

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Иванов Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т.д.)

В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.

Проблема получения высокопрочных материалов с использованием различных видов термического и термомеханического воздействия на протяжении многих лет традиционно является актуальной для материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет реализации двух основных направлений: 1. использование быстрозакаленного метастабильного состояния материала (микрокристаллические и аморфные сплавы); 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.

В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операции в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет

интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент. Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузок.Применение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.

Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микро- и макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов

обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.

Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет без использования дополнительного специализированного оборудования (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня, предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется применение традиционных абразивных материалов - паст, войлока, абразивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по сравнению с традиционными способами финишной обработки металлов (хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополнительном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность. При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. Увеличение предела выносливости детали после поверхностного пластического деформирования главным образом зависит от физического состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов - физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале - с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.

Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на

поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.

Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов • (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А. И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова ГА, Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.

2. Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) — амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки !?„ окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента Б на величину микрогеометрии и микротвёрдости Ц обрабатываемого материала.

3. Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения

провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.

4. Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.

5. Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.

6. Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.

7. Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Я2) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.

Научная новизна.

• Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.

• В' настбящей' работе впервые ' изучено влияние основных технологических параметров УЗО -'амплйтуйы колебаний 2А, статической нагрузки Per., окружной' скорости V, величины Подачи S, диаметра- сферы рабочего Инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдобти Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, H,=f(2A, Per, S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Ну при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Р^, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.

• Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм.

• Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.

• Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500°С.

Практическая ценность и реализация работы.

• Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт' создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 85ОМПа.

• Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Н„)и геометрических (Яг) свойств обрабатываемой поверхности от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов.

• Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2-2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т.е. если до УЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4 статьях научной периодической печати и доложены на следующих международных конференциях:

- Международная конференция "Новые перспективные материалы и технологии их получения -2004"(г. Волгоград);

- Международный конгресс "Техника и трибология транспортных систем"

- 2003(г, Ростов на Дону,2003);

- XV Международная конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Тольятти,2003г).

Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований); она содержит 120 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, цель и задачи работы; перечислены основные результаты, представляющие научную новизну и практическую ценность.

В первой главе представлен литературный обзор работ посвященных поверхностному пластическому деформированию (ППД) как способу упрочняющей обработки. Рассмотрены геометрические аспекты формирования очага деформации в приповерхностном слое, основные параметры его напряжённого и деформированного состояния и их влияние на долговечность деталей. Рассмотрены также основные закономерности исчерпания ресурса пластичности деформируемого материала и возникновения внутренних остаточных напряжений.

Во второй части литературного обзора рассмотрены физические основы ультразвуковой техники и технологии и работы по использованию ультразвука в различных технологических областях обработки материалов

(ультразвуковая сварка, применение ультразвука при механической обработке и поверхностном упрочнении труднообрабатываемых деталей и т.д)

Во второй главе описаны методы, оборудование и основные методы исследования физико-механических и структурных свойств обрабатываемых материалов.

Основные материалы которые подвергались ультразвуковой обработке (УЗО) в данной работе: инструментальная штамповая сталь 4Х5МФ1С, сталь Х12МФ, титановый сплав ВТ5, a-Fe ("армко"-железо), сталь 10, сталь 45, У8, У12.

Ультразвуковая обработка УЗО материалов основана на использовании энергии механических колебаний инструмента-индентора. Колебания совершаются с ультразвуковой частотой (20 кГц) и амплитудой колебаний (O^-.-SOJ-lO"6 м. Энергия в зону обработки вводится посредством статического усилия прижима инструмента к поверхности обрабатываемой детали. Технологическое оборудование для ультразвуковой обработки имеет постоянную структуру независимо от физико-механических свойств обрабатываемых металлов: источник питания, аппаратура управления процессом обработки, механическая колебательная система и привод давления. Схема установки для УЗО представлена на рис. 1. Для процесса УЗО требуется ультразвуковой генератор, пьезострикционний преобразователь, станок и приспособление, фиксирующее преобразователь на суппорте станка. С помощью пьезострикционного преобразователя электрическая энергия ультразвуковой частоты преобразуется в механическую энергию той же частоты.

и

Как показывают исследования, на состояние поверхности обработанной детали (шероховатость, твёрдость и др.) большое влияние оказывает статическая нагрузка, т. е. сила Лт, прижимающая инструмент к детали, амплитуда его смещения А, частота колебаний /, а также размеры и форма инструмента (рис. 2). Сила Р,* обеспечивает акустический контакт инструмента и обрабатываемой детали; амплитуда и частота определяют максимальную скорость деформирования поверхностного слоя обрабатываемой детали и интенсивность ультразвуковой волны. Число ударов инструмента на 1мм2

обрабатываемого материала при УЗО N = {> где/ - частота [кГц], V -

V * о

окружная скорость [мм/мин], S-подача [мм/об].

Исследование структуры материалов после УЗО проводилось металлографическим способом, а также электронно-микроскопическим на сканирующем электронном микроскопе JSM6700F с рабочим напряжением ЗОкв и на трансмиссионном электронном микроскопе высокого разрешения с увеличением более 106 ЕМ2010 с рабочим напряжением 200кв. Образцы для исследований приготовлялись следующим образом. После УЗО алмазным кругом с внутренней режущей кромкой вырезались темплеты диаметром Змм и толщиной 1мм, далее образцы полировались механически до толщины порядка 500мкм и с помощью специальной рабочей сферы для шлифовки до толщины 20мкм. После этих операций образцы подвергались ионной полировке.

Исследование физико-механических свойств материалов после УЗО проводилось испытанием на микротвёрдость на приборе ПМТ-5 ЛОМО, а также испытанием на растяжение образцов на установке типа "Instron". Усталостные испытания образцов после УЗО проводилось на специальной установке типа "Instron". Режим циклического нагружения на растяжение образцов был следующий: частота нагружения 20кГц, максимальное растягивающее напряжение а„„ = 0,7а,, где ст, - предел прочности, минимальное растягивающее напряжение сгпш = 0,1 <тя„. Испытание на износ образцов обработанных УЗО, проводилось по схеме диск-палец со сферическим торцом, следующим образцом. Образец стали 4Х5МФ1С после УЗО нагружали сферой диаметром 10мм из керамики Si3N4 с усилием прижатия Р=500грамм и базой трения L=10mm. Частота повторных движений по схеме диск-палец со сферой составляла 10гц и проводилась в течении I часа. После этого с обработанных на трение поверхностей снимались профилограммы, которые сравнивались с профилограммами до проведения трибологических испытаний. Измерение коэффициента трения на поверхностях до УЗО и после УЗО проводилось на специальной испытательной машине фирмы R&B.

Величины остаточных напряжений после УЗО определялись

методом рентгеновской дифракции по изменению параметра решетки, который определялся экспериментально и далее по этому измерению проводился расчёт остаточных напряжений принимая линейное упругое искажение кристаллической решетки.

В третьей главе рассмотрено аналитическое решение задачи о соударении твердых тел, сопровождаемом пластическим смятием. И.В. Кудрявцев, рассматривая закономерности деформации при ударном нагружении, показал, что с увеличением числа ударов при одинаковой энергии каждого удара диаметр отпечатка шарика и глубина пластической зоны растут до некоторых величин, зависящих от механических свойств материала. На рис. 3 приведены некоторые результаты этих опытов.

Из рис. 3 видно, что увеличение диаметра отпечатка прекращается после 10-16 ударов и с увеличением твёрдости испытуемого материала стабилизация диаметра наступает раньше. Были исследованы вопросы о глубине распространения пластических деформаций при статическом и ударном нагружениях и установлено, что глубина наклёпанной зоны, полученной при многократном динамическом вдавливании в пластину сферического пуансона, практически равна глубине наклёпанного слоя, полученного при статическом однократном вдавливании пуансона при условии равенства диаметров пластических отпечатков в том и другом случаях.

Закономерность, установленная опытным путём, позволяет решить ряд динамических задач. В частности, если нам известны размеры отпечатка после динамического воздействия, то мы можем аналитически рассчитать то условное статическое усилие, которое приводит к аналогичному размеру отпечатка. А так как при этом одновременно наблюдается и равенство зон пластического деформирования, то с достаточным приближением по найденной статической нагрузке можно рассчитать работу сил пластического деформирования, внесённую при динамическом нагружении. В дальнейшем указанные закономерности были использованы для расчёта условной статической нагрузки при ультразвуковом упрочнении.

Зависимость для определения силы статического внедрения шара может быть записана в таком виде:

НН т-'Ни^

(1)

где Я - радиус рабочей сферы инструмента, г - радиус отпечатка на материале после УЗО, - предел текучести материала, у = и • Глубина пластической зоны в материале:

/= I—— « = (2)

Работа пластического внедрения рабочей сферы:

»^^•г'.кГсм. (3)

Л

Ранее Голубевым Ю.М. и Асановым В.Б. был проведен расчет динамического усилия (силы удара) на конце ультразвукового инструмента времени удара г^ для идеально пластического и идеально упругого удара, опираясь на закон сохранения импульса и закон сохранения количества движения.

Для идеально пластичного удара:

г =_Т'Рст /44

+ (5)

где Г - период и А - амплитуда УЗ колебаний, К - радиус рабочей сферы, ат - предел текучести материала. Для идеально упругого удара:

г ._453(б)

" 4.53[(<5, + Зг)• • Г]^ + Г^Л'Л®'}^

УЛ

(7)

где а - угловая скорость конца рабочего инструмента при ударе, 1-й1

61, = _ 1,2, ц и и Е,, - соответственно коэффициенты Пуассона и

Еия

модули упругости инструмента и обрабатываемого материала.

Из уравнений (4-7) следует, что время удара г^и, соответственно, сила удара зависят от многих факторов, среди, которых решающее значение имеет амплитуда УЗ колебаний - А, величина статического усилия и значение предела текучести - <тт.

Далее в главе 3 рассмотрено влияние технологических параметров УЗО на величину микрогеометрии и микротвердости

поверхности обрабатываемых материалов. Влияние амплитуды на величину микрогеометрии поверхности (112) представлено на рис. 4, а Рст на 11г на рис. 5.

ю •

2,9 2

Í 15 2" i

0,5

-N=6,67

-N=2,6

-N=2,0

- Duj=6 мм

- ЕХи=10 мм -Duf=12,5 мм -Duj=15 мм

20 25 30 35 40 45 47 50 55 60 2А,мм

Рис. 4. Влияние амплитуды на величину микрогеометрии

поверхности.

Р„=50Н; V=40 м/мин; S=0,07 м/об, Du,=10 мм. Сталь 45. N=A/Ai - коэф. усиления.

10 50 100 150 200 Рет.Н

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности упрочненных образцов из стали 45 диаметром 20 мм от статического усилия при различных диаметрах шара. 2А=20 мк; V=40 м/мин; S=0,07mm/o6.

Для инструмента с коэффициентом усиления N = 6,67 (кривая 1) в начальный момент при росте 2А, ^ падает. При дальнейшем росте 2А Яг возрастает.

Причина: с увеличением 2А растёт энергия удара, которая при некотором критическом значении вызывает перенапряжение (контактная усталость) в материале. В результате в тонком поверхностном слое возникают микротрещины и происходит «шелушение» материала.

Влияние статического усилия на микрогеометрию поверхности представлено на рис. 5.

Статическое усилие влияет на шероховатость поверхности, образующуюся при упрочнении, степень и глубину наклёпа, величину напряжений, возникающих в поверхностном слое металла и на физико-механические свойства металла. Это влияние обусловлено самим характером образования поверхностного слоя при пластическом деформировании последнего шаром, вибрирующем с ультразвуковой частотой. Выбор величины статического усилия определяет и производительность обработки, подачу и скорость вращения детали, число проходов. Таким образом, влияя практически на все технико-экономические показатели, статическое усилие является фактором режима, позволяющем наиболее гибко управлять процессом ультразвукового упрочнения деталей машин и инструмента.

Малая величина статического усилия не обеспечивает достаточной деформации поверхностного слоя, сминаются только вершины гребешков, так как в этом случае величина сближения инструмента и детали и сила удара будут незначительны. С увеличением статического усилия до

некоторого предела шероховатость понижается; чрезмерное увеличение статического усилия приводит не только к понижению класса чистоты, но и к разрушению поверхностного слоя - перенаклёпу.

Сложность определения оптимальной величины статического усилия обусловлена тем, что она зависит от большого числа взаимосвязанных факторов. Величина статического усилия зависит от механических свойств обрабатываемого материала, исходной и требуемой шероховатости поверхности, размеров упрочняемой детали и диаметра шара, от параметров режима упрочнения-подачи и скорости вращения детали, амплитуды колебания и т.п.

Статическое усилие должно быть тем выше, чем менее пластичен материал детали, чем выше исходная шероховатость, чем больше диаметр упрочняемой детали и шара (это ведёт к увеличению пятна контакта и снижению напряжений в деформируемой зоне), чем больше подача и скорость вращения детали и чем меньше амплитуда колебания инструмента.

На рис. 5 приведены графики зависимости шероховатости поверхности упрочнённых образцов из стали 45 диаметров 20 мм от статического усилия при различных диаметрах шара. Упрочнение проводилось шарами с диаметрами 6; 10; 12,5 и 15 мм. Исходная шероховатость поверхности соответствовала 5-му классу чистоты.

Из графика видно, что при упрочнении шарами до 10 мм при статическом усилии до 40-50 Н происходит повышение класса чистоты поверхности, а шаром 15 мм до 100 Н. Дальнейшее увеличение статического усилия до 200Н приводит к резкому понижению класса чистоты и даже к разрушению поверхностного слоя.

Причина более резкого возрастания Rz на правых ветвях кривых 4—+3—>2—»1 с уменьшением диаметра шара Dm (рис. 5): с уменьшением диаметра шара уменьшается площадь контакта (при и

соответственно резко возрастают контактные напряжения (ок), что приводит к более быстрому перенаклёпу.

Причина немонотонного поведения функции R^fj^Pcr): - при малых Рст происходит недостаточная передача энергии, необходимой для пластического деформирования гребешков исходной микрогеометрии; - с увеличением Рст величина передаваемой энергии увеличивается и повышается степень деформации, происходит сглаживание микронеровностей. При дальнейшем увеличении Рст в поверхностном слое возникают - напряжение разрушения, предел прочности), что

приводит к перенаклёпу, «шелушению» и снижению чистоты поверхности.

При упрочнении мягких сталей типа a-Fe и СтЮ понижение чистоты поверхности в значительной степени происходит из-за образования явно выраженного «вала» выдавленного материала.

Влияние материала упрочняемой детали и её диаметра на величину микрогеометрии поверхности представлено на рис. 6.

-армко-желеэо -сталь 10

- сталь45 -стальУв

- сталь У12

Рис. 6. Зависимость Rz от Per. для различных сталей

2А=20мк, V=40m/mhh, S=0,07 мм/об, Dui=10mm

Из рис. 6 видно, что чем ниже в материале содержание углерода и, соответственно, ниже твёрдость, тем сильнее влияние перенаклёпа (правые ветви кривых на рис. 6). С повышением С % и твёрдости Кг=шт смещается в сторону больших величин Рст от 40 до 100Н. Величина подачи Б оказывает наибольшее влияние на и определяется без учёта упругих деформаций двумя факторами: 5 = 2-^й-Я* - формула эмпирическая, где О - диаметр шара; - высота образующихся неровностей. При УЗО Б может быть выбрана из чисто геометрического построения образующихся поверхностей, то есть можно предположить, что микропрофиль поверхности образован дугами одинакового радиуса, центры которых удалены друг от друга на величину подачи 5. Число ударов на единицу площади определяется частотой £ величиной подачи Б мм/об, окружной

скоростью V м/мин и числом проходов 5. N При УЗО N=100-5000

ударов/мм2.

Величина подачи должна быть согласована с энергией удара инструмента, чтобы диаметр отпечатка был несколько больше подачи, с целью полного перекрытия единичных ударов по площади контакта, так как в противном случае на поверхности останутся необработанные участки.

Влияние амплитуды колебаний, величины статической нагрузки, окружной скорости и подачи при УЗО на величину микротвердости обрабатываемого материала представлено на рис. 7-9. мН/мм3!

Рис. 7. Зависимость микротвердости стали 45 от амплитуды УЗО.

К

Per = 50м, V 40 м/мин, S = 0,07

мм/об, Dm = 10 мм

1) N = 6,67; 2) N = 4,00; 3) N - 2,00

мН/мм2

Рис 8 Зависимость микротвердости стали 45 от величины окружной скорости обработки V и подачи Б Рст = 50м, 2А = 20 мкм, 1>ш 10 мм 1)5 = 0,03 мм/об, 2) Б = 0,12 мм/об, 3) Э = 0,21 мм/об, 4) Б = 0,23 мм/об,

<Ю 70 w V «/ли»

На рис. 7-10 представлены зависимости микротвердости стали 45 от амплитуды 2А, статической нагрузки, величины окружной скорости и подачи. Наличие экстремума (максимума) на всех представленных зависимостях также как и в случаи Кг (см. рис. 4-5) обусловлено тем обстоятельством, что при росте 2А, Рст, V и Б также появляется переупрочнение (перенаклеп и контактная усталость(рис. 11)).

_мН/мм .

„мН/мм .

4000 3M0 К*» ZW0

V

ч -II _

Рис 9 зависимость микротвердости стали 45 от статической нагрузки Рст при УЗО, при различных диаметрах рабочего инструмента (шара) Dm

2А = 20 мк, V = 40м/мин, S = 0,07мм/об 1) Dm = 6 мм, 2) Dm = 8 мм, 3) Din = 12,5 мм,

Рст ,Н

Рис 10 Зависимость микротвердости от Рст для различных материалов при Dm = 10 мм

Рис 11 Появление трещин в приповерхностных слоях инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С вследствие переупрочнения (перенаклепа и контактной усталости)

Причем она появляется тем раньше, т.е. при меньших значениях соответствующих параметров (см., например, рис. 10), чем меньше содержание углерода в обрабатываемом материале и соответственно больше его способность к деформационному упрочнению.

В главе 3 также представлены данные по изучению структуры и физико-механических свойств инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С после УЗО.

б

Рис 12 Нанокристаллическая структура с разрешением атомных рядов (см стрелки) на стали 4Х5МФ1С после ультразвукового упрочнения, выявленная методом электронной микроскопии высокого разрешения (хЮ6)

Методом просвечивающей микроскопии высокого разрешения показана возможность получения нанокристаллической структуры с размером зерен 5-10 нм (рис 12) на любых массивных деталях из закаленный стали 4Х5МФ1С на глубине 15-20 мкм от поверхности (рис 13) и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности обработанного материала.

При этом наблюдается возрастание твердости с исходного уровня ЫЯС 48-50 до 62-64, а в ряде случаев до 69-70 ЫЯС. Подобная нанокристаллическая структура с размером зерен 5-7 нм и резким повышением твердости получена на массивной детали при обработке прокатного стана диаметром 800 мм, длиной 1500мм и весом 5200 кг (рис. 15)

Учитывая, что до настоящего времени проблема получения нанокристаллических структур с соответствующим повышением уровня физико-механических свойств на массивных деталях еще не решена, полученные результаты являются весьма нетривиальными. Они дают возможность получения очень тонкой нанокристалической структуры на деталях любых размеров и любой геометрии на глубинах 15-20 мкм при использовании компьютеризированной ультразвуковой технологии (рис.

14)

Разработанный метод

ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки

металлических материалов позволяет получить 10-12 класс чистоты поверхности с одновременным ее упрочнением по сравнению с исходным состоянием за счет получения нанокристаллических

структур на любых массивных деталях (валы прокатных станов, штампы, плунжера и др. рис. 15) с размером зерна 5-10 нм на глубинах 15-20 мкм и микрокристаллических структур на глубинах до 250-300 мкм от поверхности, что существенно повышает твердость, прочность, износостойкость и ресурс работы различных деталей и узлов.

Рис 13 Изменение структуры стали 4Х5МФ1С после У30 от поверхности (верх рисунка) в глубину материала

Рис 14 Ассортимент различных деталей, обработанных УЗО

Рис 15 Обработка вала прокатного стана (0 = 800 мм, ширина рабочей части 1500 мм, вес 5200 кг) на компьютеризированном УЗО-оборудовании

Изменение структуры от поверхности в глубину материала после ультразвуковой обработки представлено на рис. 13, а изменение микротвердости на рис. 16, 17. Например, для стали 4Х5МФ1С, имеющей после закалки твердость 46-48 HRC ультразвуковая обработка (УЗО) повышает уровень твердости HRC до 62-64 (рис. 17).

Для ряда других инструментальных материалов, имеющих исходное HRC 54-55, УЗО поднимает твердость до 69-71 HRC. При этом величина шероховатости Ra снижается до 0,05-0,08 мкм, понижая коэффициент трения более чем в 2 раза, (рис. 18) увеличивая износостойкость деталей. При этом в поверхностных слоях на глубинах до 150-200 мкм возникают остаточные напряжения сжатия (рис. 21), резко повышающие предел хрупкой и усталостной прочности (рис. 19). Процессы рекристаллизации при такой обработке практически заторможены, поскольку обработка ведётся с охлаждением СОЖ.

Ну кг/мм2

микротвердости стали 4Х5МФ1С от температуры нагрева до УЗО (1) и после УЗО с амплитудой 20 мкм (2)

о 100 209 ЭОО 4С0 300 800

Рис 21. Распределение остаточных напряжений от свободной поверхности в глубину обработанного УЗО материала на стали 4Х5МФ 1С.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закаленных конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твёрдости и прочности за счет создания нанокристаллических структур с размером зерна 5-10нм. Предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения высокопрочных материалов на больших реальных массивных изделиях, поскольку как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности приближающимся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают в основном в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсивной многократной пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, РКУ-прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующем уровнем физико-механических свойств.

2. В настоящей работе с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность получения при УЗО нанокристаллической структуры с размером зерна 5-10нм на глубине 15-20 мкм от поверхности обрабатываемого материала (закалённая сталь 4х5МФ1С) и получение микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от

поверхности. Об этом свидетельствуют данные по измерению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала. При этом наблюдается возрастание твёрдости с исходного уровня 44-46 до 54-56, а в ряде случаев до 68-70НКС.

3. Технология ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки отработана на широком круге реальных промышленных деталей и изделий с различной геометрической формой поверхности - цилиндрической, сферической, тороидальной, винтовой, и другой более сложной, например, на авиационных турбинных лопатках, штампах и др.) за счёт применения компьютеризированной технологии. При этом общие размеры и вес обрабатываемых деталей в ряде случаев достигали весьма значительных величин. Так, например, УЗО был успешно обработан вал прокатного стана диаметром 800мм, с диаметром рабочей части 1500мм и весом 5200кг.

4. Технология УЗО выполняет функции не только поверхностной упрочняющей обработки, но и финишной обработки поверхности, когда величину микрогеометрии можно довести до сотых долей микрона, при этом весьма ценным является то обстоятельство, что данный способ позволяет получать регламентированную шероховатость поверхности, когда размер, форму и общую плотность "масляных карманов" и соответственно маслоёмкость поверхности можно целенаправленно регулировать, изменяя в соответствующих пределах технологические параметры процесса.

5. Изучено влияние основных технологических параметров У 30-амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст , окружной скорости V, величины подачи 8, диаметра сферы рабочего инструмента Б на величину микрогеометрии и микротвёрдости Ну обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Ну=Д2А, РСТ, 8, Б) имеют 2 области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума( минимальная для и максимальная для Ну) наблюдается уменьшение и повышение Ну при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи 8 и диаметра сферы рабочего инструмента Б. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, V, 8, Б наблюдается обратная зависимость - увеличение величины микротвёрдости и уменьшение микротвёрдости Ну вследствие появления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин, о чём свидетельствуют экспериментальные данные полученные методом сканирующей электронной микроскопии с обработанной УЗО поверхности.

6. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обработанных УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 8ОО-8ООМПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно спадает, но сохраняет величину порядка 200-400МШ до глубины 250-ЗООмкм.

7. Исследован предел усталостной прочности закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650МПа (до УЗО) до 1150 МПа.

8. Методом горячей микротвёрдости показано, что порог термической стабильности полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры и соответственно высокого уровня физико-механических свойств составляет 450-500°С. Выше этой температуры размер зерна структуры растёт за счёт протекания процесса рекристаллизации, а уровень физико-механических свойств соответственно падает.

9. Необходимо также отметить то обстоятельство, что способ ультразвуковой обработки, как в принципе и все другие технологии поверхностного упрочнения обладают определёнными резервами дальнейшего повышения уровня твёрдости и физико-механических свойств, которые можно реализовать уже непосредственно после проведения поверхностной упрочняющей обработки(ПУО). С точки зрения термодинамики, наличие приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений является движущей силой, приводящей за счёт разности химпотенциала 0=-аУа=кТ1п(С/С0) к образованию направленного диффузионного потока собственных точечных (СТД) и примесей внедрения из объёмных внутренних слоев металла в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокации быстродиффундирующие по междоузельному механизму примеси внедрения (С,К,0,Ы) приводят к более жёсткому их закреплению, т.е. к дополнительному упрочнению поверхностного слоя за счёт процесса деформационного старения (ДС). При этом в технически чистом железе и малоуглеродистых сталях наблюдается двукратный рост микротвёрдости на глубине до 1мкм. Кроме того, непосредственно в процессе ПУО при циклическом знакопеременном нагружении вследствие изменения упругого взаимодействия примесных атомов с кристаллической решёткой следует ожидать реализации механизма "диффузионной накачки" (СТД) и примесей внедрения в приповерхностные слои обрабатываемого материала. Важной особенностью в понимании физической природы и механизмов ДС является то, что в спектре стопоров, закрепляющих дислокацию по механизму Коттрелла, возможно не только наличие примесных атомов внедрения (С,К,0,Ы), но и собственных точечных дефектов (вакансий и междоузлий), которые осаждаясь на винтовых

компонентах дислокаций образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокации не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Основным аргументом в пользу предлагаемого нами подхода по учету в механизме закрепления дислокационной структуры не только примесей внедрения, но и СТД (вакансий и междоузлий) является тот факт, что, как известно, в ОЦК металлах напряжение Пайерлса для винтовой дислокации приблизительно в 103 раз больше чем для краевой, что приводит на начальной стадии деформации к быстрому истощению наиболее подвижных краевых компонент дислокационной структуры и накоплению преимущественно винтовых компонент. Поскольку при движении таких винтовых дислокаций со ступеньками требуется диффузионный подвод или отвод вакансий или междоузлий (в зависимости от знака ступеньки), такой вид закрепления дислокационной структуры является не менее эффективным, чем примесными атомами внедрения.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Алехин В.П., Боровин Ю.М., Жаркий СМ., Й.С. Пьен, Ш.Н. Азума, Ч.С. Ким, И.С. Чо Повышение эксплуатационных свойств деталей транспортного машиностроения способом ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки. Сб. докладов Международного конгресса «Механика и трибология траспортных систем- 2003», Ростов-на-Дону, т.1, сентябрь 2003, с. 35-38.

2. Алёхин В.П., Пьен Й.С, Ким Ч.С, Сонг Й.В. Получение нанокристаллических материалов с использованием высоких гидростатических давлений со сдвигом и ультразвуковой упрочняющей обработки. Сб. научных трудов Международной конференции «Новые перспективные материалы и технология их получения - 2004», Волгоград, том 1,2004, с. 22-24.

3. Алехин В.П., Алехин О.В., Й.С. Пьен, Ш.Н. Азума, Ч.С. Ким, И.С. Чо. Разработка способов повышения физико-механических свойств материалов после поверхностной упрочняющей обработки. Сб. тезисов XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Тольятти, 2003, с. 130-131.

4. С.Н. Han, Y.S. Pyoun, C.S. Kim, "Ultrasonic mirco-burnishing in view of eco-materials processing", ATM, Vol.4[l], pp.25-28,2002.

КИМЧАНГСИК

Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 24 05.2005 Сдано в производство 25.05.2005

Формат бумаги 60 х 90/16 Бум. множит.

Усл. печ. л. 1,75 Уч.-изд. л. 1,9

Тираж 120_Заказ № _

РИЦ МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16, 677-23-15

14

■1 in

* Ч

* /

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Поверхностное пластическое деформирование (ППД) как способ 11 упрочняющей обработки.

1.1.1 Сущность и назначение методов ППД

1.1.2 Параметры состояния поверхностного слоя и их влияние на 12 долговечность деталей

1.1.3. Общая характеристика процессов ППД как процессов 14 обработки металлов давлением

1.1.4 Геометрические аспекты формирования очага деформации

1.1.5 Деформированное состояние

1.1.6 Напряженное состояние

1.1.7 Исчерпание ресурса пластичности металла

1.1.8 Остаточные напряжения

1.2 Физические основы ультразвуковой техники и технологии

1.2.1 Общие сведения об ультразвуковых колебаниях

1.2.2 Ультразвуковые преобразователи, концентраторы и волноводы

1.2.3 Использование ультразвука в различных технологических 57 областях обработки материалов

1.2.3.1 Ультразвуковая сварка и пайка

1.2.3.2 Применение ультразвука при механической обработке и 58 поверхностном упрочнении труднообрабатываемых материалов

1.2.3.3 Ультразвуковая очистка прецизионных деталей

1.2.3.4 Ультразвук в процессах пластического деформирования и 59 влияние ультразвука на процесс пластической деформации

1.2.3.5 Применение ультразвука при термической и химико- 63 термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ,ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВНЫЕ 67 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХНИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Характеристика исходных материалов

2.2 Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей 69 обработки материалов.

2.2.1 Технологическое оборудование для УЗО.

2.2.2 Инструменты 70 2.3.3. Волноводы колебательных систем. 71 2.3. Методы исследования

2.3.1 Металлография

2.3.2 Исследование физико-механических свойств материалов после

2.3.3 Испытание на износостойкость и определение коэффициента 78 трения после УЗО.

2.3.4 Методика определения величины остаточных напряжений после 79 ' УЗО. f 2.3.5 Измерение макроскопических остаточных напряжений

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 82 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ (УФУО) С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Сила внедрения сферического индентора (шарика) при 82 динамическом воздействии.

3.2. Глубина проникновения пластических деформаций от 85 индентора (шарика).

3.3. Работа при пластическом внедрении индентора (шарика).

3.4. Динамика ультразвукового упрочнения.

3.5. Расчёт динамического усилия (силы удара) на конце 94 ультразвукового инструмента F^ и времени удара т^ для идеального пластического и упругого удара, а также для упруго-пластического удара.

3.6. Влияние технологических параметров УФУО на величину 98 I микрогеометрии и микротвердости поверхности обрабатываемых материалов.

3.6.1.Влияние амплитуды на величину микрогеометрии поверхности

3.6.2 Влияние статического усилия на микрогеометрию поверхности 99 3.6.2 Влияние материала упрочняемой детали и её диаметра на величину 101 микрогеометрии поверхности.

3.6.4 Влияние скорости вращения детали (Умм/мин) и величины подачи 102 (S мм/об) на микрогеометрию поверхности.

3.6.5 Влияние амплитуды колебаний, величины статической нагрузки, 107 окружной скорости и подачи при УЗО на величину микротвердости обрабатываемого материала.

3.7. Исследование структуры и физико-механических свойств 110 инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С после ультразвуковой обработки.

3.8 резервы повышения физико-механических свойств материалов

I и изделий после поверхностной упрочняющей обработки.

Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т.д.)

В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.

Проблема получения высокопрочных материалов с использованием различных видов термического и термомеханического воздействия на протяжении многих лет традиционно является актуальной для материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет реализации двух основных направлений: 1. использование быстрозакаленного метастабильного состояния материала (микрокристаллические и аморфные сплавы); 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.

В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операций в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент.Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузок.Применение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.

Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микро- и макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.

Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет без использования дополнительного специализированного оборудования (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня, предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется применение традиционных абразивных материалов - паст, войлока, абразивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по сравнению с традиционными способами финишной обработки металлов (хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополнительном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность. При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. Увеличение предела выносливости детали после поверхностного пластического деформирования главным образом зависит от физического состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение / поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов - физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале - с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.

Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.

Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А.И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.

2. Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала.

3. Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.

4. Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.

5. Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.

6. Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.

7. Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Rz) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.

Научная новизна.

• Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.

• В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст., S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.

• Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм.

• Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.

• Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500°С.

Практическая ценность и реализация работы.

• Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.

• Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Hv)h геометрических (Rz) свойств обрабатываемой поверхности от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов.

• Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2-2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т.е. если до УЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4 статьях научной периодической печати и доложены на следующих международных конференциях:

- Международная конференция "Новые перспективные материалы и технологии их получения -2004"(г. Волгоград);

- Международный конгресс "Техника и трибология транспортных систем"

- 2003(г, Ростов на Дону,2003);

- XV Международная конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Тольятти,2003г).

Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований); она содержит 134 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закалённых конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твёрдости и прочности за счёт создания нанокристаллических структур с размером зерна 5-10нм. Предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения высокопрочных материалов на больших реальных массивных изделиях, поскольку как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности приближающимся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают в основном в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсивной многократной пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, РКУ-прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующем уровнем физико-механических свойств.

2. В настоящей работе с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность получения при УЗО нанокристаллической структуры с размером зерна 5-1 Онм на глубине 15-20 мкм от поверхности обрабатываемого материала (закалённая сталь 4х5МФ1С) и получение микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по измерению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала. При этом наблюдается возрастание твёрдости с исходного уровня 44-46 до 54-56, а в ряде случаев до 68-70HRC.

3. Технология ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки отработана на широком круге реальных промышленных деталей и изделий с различной геометрической формой поверхности - цилиндрической, сферической, тороидальной, винтовой, и другой более сложной, например, на авиационных турбинных лопатках, штампах и др.) за счёт применения компьютеризированной технологии. При этом общие размеры и вес обрабатываемых деталей в ряде случаев достигали весьма значительных величин. Так, например, УЗО был успешно обработан вал прокатного стана диаметром 800мм, с диаметром рабочей части 1500мм и весом 5200кг.

4. Технология УЗО выполняет функции не только поверхностной упрочняющей обработки, но и финишной обработки поверхности, когда величину микрогеометрии Rz можно довести до сотых долей микрона, при этом весьма ценным является то обстоятельство, что данный способ позволяет получать регламентированную шероховатость поверхности, когда размер, форму и общую плотность "масляных карманов" и соответственно маслоёмкость поверхности можно целенаправленно регулировать, изменяя в соответствующих пределах технологические параметры процесса.

5. Изучено влияние основных технологических параметров УЗО-амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст , окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст, S, D) имеют 2 области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума( минимальная для Rz и максимальная для Hv) наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, V, S, D наблюдается обратная зависимость - увеличение величины микротвёрдости Rz и уменьшение микротвёрдости Hv вследствие появления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин, о чём свидетельствуют экспериментальные данные полученные методом сканирующей электронной микроскопии с обработанной УЗО поверхности.

6. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обработанных УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-800МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно спадает, но сохраняет величину порядка 200-400МПа до глубины 250-300мкм.

7. Исследован предел усталостной прочности закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650МПа (до УЗО) до 1150 МПа.

8. Методом горячей микротвёрдости показано, что порог термической стабильности полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры и соответственно высокого уровня физико-механических свойств составляет 450-500°С. Выше этой температуры размер зерна структуры растёт за счёт протекания процесса рекристаллизации, а уровень физико-механических свойств соответственно падает.

9. Необходимо также отметить то обстоятельство, что способ ультразвуковой обработки, как в принципе и все другие технологии поверхностного упрочнения обладают определёнными резервами дальнейшего повышения уровня твёрдости и физико-механических свойств, которые можно реализовать уже непосредственно после проведения поверхностной упрочняющей обработки(ПУО). С точки зрения термодинамики, наличие приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений является движущей силой, приводящей за счёт разности химпотенциала G=-aVa=kTln(C/Co) к образованию направленного диффузионного потока собственных точечных (СТД) и примесей внедрения из объёмных внутренних слоёв металла в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокации быстродиффундирующие по междоузельному механизму примеси внедрения (C,N,0,H) приводят к более жёсткому их закреплению, т.е. к дополнительному упрочнению поверхностного слоя за счёт процесса деформационного старения (ДС). При этом в технически чистом железе и малоуглеродистых сталях наблюдается двукратный рост микротвёрдости на глубине до 1мкм. Кроме того, непосредственно в процессе ПУО при циклическом знакопеременном нагружении вследствие изменения упругого взаимодействия примесных атомов с кристаллической решёткой следует ожидать реализации механизма "диффузионной накачки" (СТД) и примесей внедрения в приповерхностные слои обрабатываемого материала. Важной особенностью в понимании физической природы и механизмов ДС является то, что в спектре стопоров, закрепляющих дислокацию по механизму Коттрелла, возможно не только наличие примесных атомов внедрения (C,N,0,H), но и собственных точечных дефектов (вакансий и междоузлий), которые осаждаясь на винтовых компонентах дислокаций образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокации не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Основным аргументом в пользу предлагаемого нами подхода по учету в механизме закрепления дислокационной структуры не только примесей внедрения, но и СТД (вакансий и междоузлий) является тот факт, что, как известно, в ОЦК металлах напряжение Пайерлса для винтовой дислокации приблизительно в 103 раз больше чем для краевой, что приводит на начальной стадии деформации к быстрому истощению наиболее подвижных краевых компонент дислокационной структуры и накоплению преимущественно винтовых компонент. Поскольку при движении таких винтовых дислокаций со ступеньками требуется диффузионный подвод или отвод вакансий или междоузлий (в зависимости от знака ступеньки), такой вид закрепления дислокационной структуры является не менее эффективным, чем примесными атомами внедрения.

1. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Расчет пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

2. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. -199 с.

3. Дель Г. Д., Новиков Н.А. Метод делительных сеток. М.: Машинострвение, 1979.- 144 с.

4. Колпин Ю.Г., Смелянский В.М., Крючковский В.А. Пластичность металлов при немонотонном деформировании. Машины и автоматизация кузнечно-штамповочного производства. Межвуз. сб. М.: ВЗМИ, 1988. -С. 138-147.

5. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.

6. Кроха В.А, Упрочнение металлов при холодной пластической деформации.Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

7. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка детали поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

8. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным, пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

9. Реке И.П., Иванова Э.А. и др. Неравномерность деформации при пластическом течении. Часть I. Стационарное плоское течение. Тульский политехнический институт, 1971. 157 с.

10. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин при обработке ППД. Вестник машиностроения, 1982, №> 11.

11. Смелянский В.М. Геометрические аспекты пластического волнообразования при обработке поверхностным пластическим деформированием. Известия Вузов. М.: Машиностроение, 1983, № 10.

12. Смелянский В.М., Калпин Ю.Г., Баринов В.В. Исчерпание запаса пластичности металла в поверхностном слое деталей при обработке обкатыванием. Вестник машиностроения, 1990, № 8.

13. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

14. Смелянский В. М., Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформрования. МАШМИР, 1992

15. Розенберг JI. Д. Применение ультразвука. М., Изд-во АН СССР, 1957.107с

16. Сперанский А. П., Рокитянский В. И. Ультразвук и его лечебное применение. М., «Медицина», 1970. 288с

17. Теумин И. И. Ультразвуковые колебательные системы. М., Машгиз, 1959. 331с.

18. Теумин И. И. Ультразвуковые волноводно-излучающие устройства. М., ГОСИНТИ, 1963.57с

19. Агранат Б.А., Кириллов О.Д., Хавский Н.Н. Ультразвук в гидрометаллургии. М., «Металлургия», 1969, 303 с.

20. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М., «Металлургия», 1972, 256 с. глухих глубоких отверстий.- В кн.: Электрофизические и электрохимические методы обработки. НИИМАШ,1969, № 5-6, с. 77-78.

21. Ангелов Г.О. механизме уплотнения структуры металлов и сплавов под действием вибрации и ультразвука.- «Известия ВМЕИ», т. XXIV, кн. I. София,1970,с. 133-156.

22. Ангелов Г., Длягников И. Относительное влияние ультразвука на спонтанную кристаллизацию металлов.-«Известия ВМЕИ», т. XXVII, кн. I, София, 1971, с. 37-48.

23. Ангелов Г. Влияние ультразвука на кристаллизацию белого чугуна.

24. Годищннк МЕИ», т. XII,, кн. III, София, 1963, с. 33-52.

25. Ангелов Г. Влияние ультразвука и вибрации на жидкотекучесть силумина.-«Литейное производство», 1969, №2, с. 28-29.

26. Ангелов Г. Влияние ультразвука на усадку силумина АлЭ-«Известия ВМЕИ». кн. I. София, 1970, с. 15-23.

27. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М., Изд. иностр. лит., 1956, 726 с.

28. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., «Наука.-. 1966,168 с.

29. Гурвич А. К., Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль сварныхшвов. Киев, «Техника», 1972,312 с.

30. Гутин Л. Я. Магнитострикционные излучатели и приемники. «ЖТФ», 1945, т. 15, № 4-5, с. 239-243 и Л» 15,с. 924-938.

31. Гинин В. Н., Мамет Б. Т. Ультразвуковая очистка глухих глубоких отверстий. В кн. Электрофизические и электрохимические методы обработки. НИИМАШ, 1969, № 5-6, с. 77-78.

32. Гутнова Л. Б. О возможности использования эталонного загрязнения для контроля эффективности работы установок ультразвуковой очистки. -В кн.: Новые разработки в ультразвуковой технике. ЛДНТГТ, 1972, с. 14-20.

33. Иванова Т. Н., Панов А. П., Пискунов Ю. Ф. Опыт внедрения ультразвуковой очистки деталей топливной аппаратуры. В кн.: Применение ультразвука в машиностроении. М., 1972, с. 140-144.

34. Источники мощного ультразвука. Под ред. Л. Д. Розенберга. М.,«Наука», 1967, 379 с.

35. Келлер О. К., Самолетов В. К., Супонина М. А. Технология ультразвуковой очистки. 1971, ЛДНТП, с. 34.

36. Келлер O.K., Донской А.В., Кратыш Г. С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л., «Энергия», 1968, 276 с.

37. Коновалов Е.Г., Дроздов В.М., Тявловский М. Д. Динамическая прочность металлов. Минск, «Наука и техника», 1969, 304 с.

38. Коршунов Б.С. Удаление заусенцев с мелких деталей ультразвуковым способом. «Вестник машиностроения», 1969, № 12, с. 40-41.

39. Кондратьев А.Ф., Эунап А. В. Ультразвуковые излучатели для очистки глубоких отверстий. «Электрофиз. и электрохим. методы обработки», НИИМАШ, 1969, № 5-6, с. 37-40.

40. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. Изд-во АНСССР, 1954, 322 с.

41. Лощилов В.И., Леоничев В.А., Завьялов Л. И. Ультразвуковой сварочный инструмент для сварки биологических тканей. В кн.: Применение пластмасс в машиностроении. Под ред. Г.А. Николаева. М., «Машиностроение», 1969 (НТО Машпром), 56 с.

42. Макаров Л.О., Розенберг Л.Д. О механизме ультразвуковой очистки. «Акустический журнал», 1957, № 4, 374 с.

43. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при: помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. М., Машгиз, 1962, 332 с.

44. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов, М., «Машиностроение», 1968, 367 с.

45. Марков А.И., Озерова М.А., Устинов И.Д. Применение ультразвук» при алмазном выглаживании деталей. «Вестник машиностроения», 1973, №9, с. 57-61.

46. Мицкевич A.M. Напряженное состояние в области соединения при ультразвуковой сварке металлов. В кн.: Новые разработки в ультразвуковой технике. ЛДНТП, 1972, с. 23-30.

47. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л. Д. Розенберга. М.,«Наука», 1968, 267 с.

48. Муханов И.И., Голубев Ю. М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой. «Вестник машиностроения», 1966, № И, с. 52-53.

49. Неразрушающие испытания. Под ред. Р. Мак-Мастера, т. 2, М.,«Энергия», 1965, 375 с.

50. Непайрас Е.А. Некоторые вопросы ультразвуковой очистки. «Акустический журнал», 1962, № 6, с. 1-7.

51. Панов А.П., Пискунов Ю.Ф. Ультразвуковая очистка деталей топливной аппаратуры. «Ультразвуковая техника», 1966, вып. 4.

52. Пискунов Ю. Ф. Ультразвуковая очистка деталей излучателями -концентраторами с большим коэффициентом усиления. -В кн.: Новые методыобработки металлов ультразвуком. НИИМАШ, М., 1965, с. 27-28.

53. Петруха П.Г., Марков А.И., Устинов И.Д. Ультразвуковое сверление глубоких отверстий.- «Вестник машиностроения», 1970, № 10, с. 54-57.

54. Пискунов Ю.Ф. Ультразвуковая обработка хрупких материаловнепрофилированным инструментом. -В кн.: Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1969, № 5-6, НИИМАШ, с. 71-76.

55. Погодин-Алексеев Г.И. Ультразвуковая обработка расплавов в металлургии. М. «Машиностроение», 1969, 96 с.

56. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О. Ультразвуковое резание. М., изд-во АН СССР, 1962, 251 с.

57. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Прокатка и волочение с ультразвуком. Минск, «Наука и техника», 1970, 180 с.

58. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск, «Наука и техника», 1973, 286 с.

59. Силин Л.Л., Баландин Г.Ф., Коган М.Г. Ультразвуковая сварка. М.,Машгиз, 1962, 252 с.

60. Скучик Е. Основы акустики, т. I. М., изд-во иност. лит., 1958, 380 с.

61. Стрет Д.В. (Релей). Теория звука. М. Гостехиздат, 1955, т. I, 456 с,т. И,423 с.

62. Спринг С. Очистка поверхности металлов. «Мир», 1966,349 с.

63. Статников Ю.Г. Микропотоки у газового пузырька в жидкости. -«Акустический журнал», 1967, вып. 3, с. 464'—466.

64. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М., Машгиз,1959, 231с.

65. Ультразвуковые преобразователи. Под ред. Е. Кикучи. М., «Мир», 1972,424 с.

66. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона, т. 1. М., «Мир», 1966-1973.

67. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л. Д. Розенберга. М., «Наука», 1970, 688 с.

68. Харкевич А.А. Теория преобразователей. М.-Л., Госэнергоиздат,1948, 191с.

69. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. Л., «Машинострооение», 1972, 152 с.

70. Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. «Металлургия», 1965, 316с.

71. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка расплавов алюминия. М., «Металлургия», 1965, 224 с.

72. Antony О.А. Technical Aspects of ultrasonic Cleaning «Ultrasonic» 1963, l.p. 194.

73. Crowford A.E. The application of ultrasonics to thermoplastic welding. «Applied Plastics», 1968, Feb.

74. Herbst I. Ch. Imrpovements in or relating to apparatus for performing on operation on a workpiece. Eng. pat., kl. COZE 3D (c. 23 G 5/04), N 1271943 от 8.VI1.69.

75. Krautkramer J., Krautkramer H. Ultrosonic Testing of Materials. Berlin (Heidelberg), 1969.

76. Markov A.I, Ultrasonic machining of intractable materials. London, Iiffe books, 1966,350 p.

77. Markov A.I., Ustinov I. D. A study of the Ultrasonic diamond drilling of non-metallic materials.-«Industrial Diamond Review 1972. March, p. 97-99.

78. Neppiras E.A. Ultrasonic machining. «Metalworking Production, v. 100. N 27-31, 33-34.

79. Neppiras E.A. Ultrasonic Welding of metals. Ultrasonics, July-September, 1965, p. 123-125.

80. Neppiras E.A. Ultrasonic plastics Welding.-Ultrasonics, v. 10. 1972,. N 1. p. 10-16.

81. Nolting B.E., Neppiras E. A. Cavitation Produced by Ultrasonics. -«Proc. Phys. Soc. », 1950, N 9, p. 674-679.

82. Pchlman R., Werden B. The Ultrasonic Cleaning Process. Ultrasonics, 1972, July, p. 156-161.

83. Shiro Benjamin P. Method and apparatus for applying ulrasonic energy to a workpiece. Pat. USA, kl. 134-1 (B08 7/02), Xs 3535159 ot7.XII.1967.

84. Welding Handbook 4 ed. N Y Amer. Weld. Soc, 1964.

85. R.H. Manon and J.B. Cohen, Adv. X-Ray Anal.,Vol 18,1975, p 466

86. P.S. Prevey, Adv. X-Ray Anal Vol 19, 1976, p 709

87. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом. Сб. " Повышение долговечности сталей методом поверхностного наклёпа",ЦНИТМАШ,кн. 108,М.,1965.

88. Ан Г. Д. Исследование процсса ультразвукового упрочнения высокопрочных авиационных материалов. Кандидатсткая диссертация Куйбь1шев.КУАИ,1969.

89. Томлёнов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. Машгиз,1963

90. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Металлургиздат,1960.

91. Муханов. И.И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом: Учеб. пособие для слушателей заочных курсоо повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. М.; Машиностроение, 1978 -44 с.

92. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов,М., 1968.

93. Марков А. И. Применение ультразвука в промышленности, М., 1975.

94. Муханов А. И. Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка стали и чугуна. Вестник машиностроения, 1968,№ 6, с. 64-66.

95. Муханов И.И., Голубев Ю.М.Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой. Вестник машиностроения 1966 № И.с. 52-53,

96. Муханов И. И., Голубев Ю. М. Поверхностный слой стальных деталей машин после ультразвуковой чистовой и упрочняющей обработки. Металловедение и термическая обработка металлов, 1969,№ 9, с. 29-32.

97. Муханов И.И., Голубев Ю. М., Комиссаров В. И. Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка деталей машин и инструментов ГОСИНТИ, М,. 1967,№20-67-1323/17.

98. Муханов И. И., Голубев Ю. М., Филимоненко В. Н. Ультразвуковое упрочнение стальных деталей машин. Сб. докладов/Новосибирская научно-техническая конференция по машиностроению, 1964, ч.1, с. 35-39.

99. Матов А.И.,Устинов И.Д. Ультразвуковое алмазное выглаживание деталей и режущего инструмента.

100. Гринчаченко Н. Г, Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов, М., Машиностроение, 1971.161 с.

101. Матов А.И., Устинов И. Д., Озерова М. А, Применение ультразвука при алмазном выглаживании деталей, Вестник машиностроения, 1973, № 9, 57-61с.

102. Маталин А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин, Киев. Техника, 1971.144с.

103. Папшев Д. Д, Упрочнение деталей обкаткой шариками. М., Машиностроение, 1968. 152 с.

104. Применение ультразвука в промышленности. Поп ред. А. И. Маркова. М., Машиностроение, 1975.240с.

105. Торбило В. М. Алмазное выглаживание. М., Машиностроение, 1972.104с.

106. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Моделирование процесса формирования регулярного рельефа при ультразвуковом алмазном выглаживании //Сверхтвердые материалы.- 1988.- № 6.-С.48-53.

107. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Исследование закономерностей формирования микрогеометрии поверхности при алмазной ультразвуковой упрочняюще -чистовой обработке //Сверхтвердые материалы.- 1992.- № 1.- С.45.

108. Куроедов Ю. Б. Особенкости структуры и конструктивная прочность закаленной стали после импульсной упрочняюще чистовой обработки ультразвуковым инструментом: Азтореф дис. канд. техк. наук.- М., 1979.- 21 с.

109. Чудинов А.В. Упрочняюще чистовая обработка стальных закаленные, деталей ультразвуковым инструментом: Азтореф. дис.канд. техн. наук.-Новосибирск, 1972.- 22 с.

110. Безнедельный А.И. Разработка и исследование бесцентровой упрочняюще -чистовой обработки ультразвуковым инструментом с оптимизацией контактного взаимодействия инструмента и детали: Автореф. дис. канл техн. наук.- Саратов, 1979.-16с.

111. Асанов В. Б. Качество поверхностного слоя деталей машин и его особенности после упрочняюще-чистовой обработки ультразвуковым инструментом: Автореф. дис. канд. техн. наук.- Новосибирск, 1972.- 32 с.

112. Бляшко Я. И. Разработка методе упрочнения крупногабаритных компрессорных лопаток поверхностным пластическим деформированием в ультразвуковом поле: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М., 1983.- 25 с.

113. Синдеев В. И. Исследование влияния упрочняюще-чистовой обработки лучом лазера и ультразвуковым инструментом на качество поверхностного слоя стальных деталей: Азтореф. дис. канд. техн. наук.- Куибьшев, 1981 .-22 с.

114. Исхакова Г.А., Гилета В. П. Структурное и микрогеометрическое состояние упрочненного слоя после высокоинтенсивного ультразвукового воздействия //Физика и химия обработки материалов.- 1989.- № 6.- С. 113-121.

115. Исхакова Г.А., Гилета., В.П. Роль процессов алмазной ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки в формировании качества поверхностного слоя // Физика и химия обработки материалов.- 1992.- № 4.- С.112-117.

116. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Напряженное состояние упрочненного слоя после алмазной ультразвуковой обработки //Сверхтвердые материалы.- 1990.- № 3.- С.52-56.

117. Кувалдин Д.А., Булычев С.И., Каверина С.Н., Алтынов С.И. Влияние гидростатического давления на механические свойства и структуру поликристаллического молибдена. Известия АН СССР, Металлы, 1987, №4, с. 118-121.

118. Алехин В.П., Галкина Е.Г. Физико-механические свойства и термическая стабильность нитинола после интенсивной пластической деформации. Сб. "Кинетика и термодинамика пластической деформации", Барнаул, 1988, ч. I, с. 132-134.

119. Алехин В.П., Лякишев Н.П., Морохов И.Д. Ультрадисперсные порошки и материалы на их основе. Сб. "Фундаментальные науки народному хозяйству", АН СССР, М., Наука, 1990, с. 211-213.

120. Алехин В.П., Морохов И.Д. Микрокристаллические и ультрадисперсные порошки и материалы на их основе. Сб. "Новые металлургические процессы и материалы", сб. научных трудов ИМЕТ им. А.А. Байкова АН СССР, М., Наука, 1991, с. 149-156.

121. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М., Наука, 1983,280 с.

122. Алехин В.П. Физические закономерности поверхностной упрочняющей обработки материалов с использованием ультразвука. Сб. тезисов XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Тольятти, 2003, с. 2-79.