1_Shevelia.doc Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 6 Шевеля В.В.,*, ** Трытек А.C.,* Coкoлaн Ю.C.** * Жешувская политехника, г. Жешув, Польша, ** Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина ВЛИЯНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ СТАЛИ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Введение В условиях трения сопряженные металлические поверхности подвергаются интенсивному меха- ническому и тепловому воздействию, способному при определенных условиях вызвать структурные из- менения, сопровождающиеся эффективным упрочнением зоны фрикционного контакта по механизмам динамической диффузиoнно-дислокационной перестройки [1]. Подобные механизмы упрочнения реали- зуются, например, при комбинированной термомеханической обработке, предусматривающей пластиче- скую деформацию стали после закалки с последующим отпуском – деформационным старением («мар- форминг») [2, 3]. При соответствующей степени деформации и определенном режиме термообработки обеспечивается значительное упрочнение стали при сохранении достаточного запаса вязкости и релакса- ционной способности. В процессе пластической деформации закаленной стали (структурно- метастабильного мартенсита) увеличение плотности дислокаций способствует ускорению диффузион- ных процессов, что приводит к развитию благоприятных микроструктурных преобразований. Во-первых, облегчается распад пeресыщенного твердого раствора с выделением в процессе деформирования дис- персных карбидных частиц. Во-вторых, облегчается взаимодействие атомов внедрения с дислокациями, что уменьшает подвижность последних и повышает сопротивление пластической деформации. Если по- следеформационный отпуск закаленной стали может сопровождаться существенным дополнительным упрочнением, то вопрос о необходимости проведения отпуска перед деформацией закаленной стали ос- тается дискуссионным. В контексте сказанного приобретает актуальность вопрос о влиянии термообработки (закалки и отпуска) стали на триботехнические параметры с учетом того, что непосредственно в условиях трения материал подвергается динамическому термомеханическому воздействию. При этом одновременно раз- виваются процессы деформации и старения (динамическое деформационное старение, отпуск под на- пряжением и т.п.). Следует ожидать, что изменяющиеся при этом микромеханические и реологические свойства стали будут влиять на процессы контактного взаимодействия. Материалы и методики исследования Исследовалась доэвтектоидная углеродистая сталь следующего состава: 0,52 % C; 0,27 % Si; 0,72 % Mn; 0,055 % Cr; 0,018 % Mo; 0,068 % Ni; 0,13 % Cu; 0,017 % Al (спектрометр Q4 TASMAN, Гер- мания). Термообработка: закалка в воду от температуры 850 °С с последующим отпуском (1 час) при температурах: 200, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700 °С. Твердость по Виккерсу (HV5) измерялась на твердомере ZHV10 фирмы ZWICK/ROELL (Герма- ния). Микромеханические и реологические свойства по- верхностных слоев оценивались в соотве-тствии с нор- мой [4] по параметрам кинетических диаграмм непре- рывного вдавливания пирамиды Берко-вича на много- функциональной установке OPX NHT/NST фирмы CSM Instruments (Швейцария). Исследо-вались двукратные (с повторным нагружением) циклы с регистрацией зави- симости глубины внедрения индентора от действующей силы в процессе нагружения (Fnmax = 450 мН), выдерж- ки под нагрузкой (30 сек) и последующей разгрузки (рис. 1). Скорость нагружения и разгрузки coсоставляла 900 мН/мин. Определялись следующие параметры мик- роиндентации: Wpl – работа пластической деформации в цикле; Wel – работа упругой деформации в цикле (ра- бота сил упругого последействия, связанного с рела-ксацией энергии, накапливаемой при вдавли-вании); R =[Wel/(Wpl+Wel)]∙100 % – релаксационная способно-сть при разгрузке (упругий возврат); S =dFn/dh = tgα – коэффициент снижения контактной жесткости (снижение силы на этапе раз- грузки индентора, приходящееся на единицу измене-ния глубины деформации); Рис. 1 – Схема кинетической диаграммы вдавливания индентора PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 7 P = [(hmax – h1)/h1]∙100 % – показатель микроползучести; E – модуль упругости при вдавливании. Вязкопрочностные свойства и акустико-эмиссионная активность материалов при сканировании поверхности алмазным индентором Роквелла (скрэч-метод) изучались на трибосклерометре REVETEST RST фирмы CSM Instruments (Швейцария). Триботехнические испытания при трении скольжения без смазки проводились на машине трения TRIBOMETER (THT) фирмы CSM Instruments (Швейцария) по схеме «вращающийся диск – закреплен- ный шар». Из исследуемой стали изготавливались дискообразные образцы диаметром 30 мм и толщиной 5 мм. После термообрабoтки pабочие поверхности образцов шлифовались и полировались до показателя шероховатости Ra = 0,16 мкм. Материал контртела (шарика) – сталь ШХ15 (HV5 = 1050). В процессе записи изменений силы и коэффициента трения автоматически определялись их мак- симальные и средние значения. Износ образца – диска (Δm) измерялся весовым методом на электронных весах с точностью до 10-4 г. Износ шарика оценивался по диаметру пятна износа (d). Общий линейный износ пары трения характеризовала величина сближения трибоэлементов (Pd). Указанные показатели со- ответствовали определенной нормальной нагрузке (Fn), скорости скольжения (v) и пути трения (L). Результаты исследований и их обсуждение На первом этапе образцы из термообработанной стали исследовались методом непрерывного вдавливания индентора (микроиндентация). На рис. 2 приведены двуцикловые кинетические диаграммы нагружения исследуемой стали в состояниях закалки и отпуска при различных температурах. Рис. 2 – Диаграммы непрерывного вдавливания индентора Берковича (сталь 50): 1 – закалка; 2 - 6 – отпуск, соответственно при: 200, 350, 400, 450, 600°С; 7 – исходное состояние Кинетика внедрения и разгрузки индентора отражает особенности микродеформации, упругие свойства и характеризует способность к обратимости деформации при повторном нагружении [5]. На ос- новании этих диаграмм получены значения ряда микромеханических показателей, характеризующих со- противление пластической деформации и упруговязкие свойства стали после термообработки (рис. 3 - 6). Видно, что с повышением температуры отпуска монотонно уменьшаются твердость (HV5), работа упру- гой деформации в цикле (Wel) и величина упругого возврата (R). Одновременно повышаются работа пла- стической деформации в цикле (Wрl) и показатель снижения жесткости контакта (S). Характерно, что ра- бота упругой деформации (Wel) в обоих циклах сохраняется практически одинаковой (рис. 4). Поэтому из-за большей доли пластической составляющей в первом цикле по сравнению со вторым (рис. 3) второй цикл нагружения характеризуется более значительным упругим последействием R2 (рис.5). Обращает на себя внимание резкое изменение величин Wel, S и R в районе температуры отпуска 400 - 450 °С (рис. 4, 5). В отличие от вышерассмотренных показателей модуль упругости (Е) и параметр микроползуче- сти (Р) с ростом температуры отпуска изменяются немонотонно (рис. 6): в диапазоне температур отпус- ка 200 - 300 °С модуль упругости (Е) приобретает максимальное значение, а показатель микроползуче- сти (Р), наоборот, имеет минимальную величину. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 8 Рис. 3 – Влияние закалки и температуры отпуска стали на твердость (HV5) и работу пластической деформации в первом (Wpl1) и во втором (Wpl2) циклах вдавливания индентора Рис. 4 – Влияние закалки и температуры отпуска стали на покзатель снижения жесткости контакта (S) и работу упругой деформации в первом (Wеl1) и во втором (Wеl2) циклах вдавливания индентора Рис. 5 – Влияние закалки и температуры отпуска стали на упругий возврат (релаксационную способность) в первом (R1) и во втором (R2) циклах Рис. 6 – Влияние термообработки стали на модуль упругости при вдавливании (E) и микроползучесть в первом (P1) и во втором (P2) циклах Характер изменения изучаемых величин в зависимости от температуры отпуска при термообра- ботке стали связан с соответствующими структурными превращениями и определяется наложением ряда факторов [6]. Например, снижение твердости вызывается уменьшением тетрагональности решетки мар- тенсита и степени его фазового наклепа, укрупнением карбидных частиц. Наоборот, выделение высоко- дисперсных кристаллов карбидов и распад остаточного аустенита вызывают повышение твердости. При отпуске закаленной стали при температурах до 200 °С протекает первое фазовое превраще- ние, когда из мартенсита выделяется мелкодисперсный метастабильный ε-карбид. Происходящее при этом обеднение твердого раствора углеродом уменьшает тетрагональность мартенсита. Процесс протека- ет неравномерно по объему, что приводит к концентрационной неоднородности твердого раствора. В диапазоне температур отпуска 200 - 300 °С на фоне продолжающегося распада мартенсита распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение: ε-карбид→цементит (второе превращение при отпуске). Концентрационная неоднородность твердого раствора исчезает. Образуется смесь низкоуглеродистого мартенсита и высокодисперсных карбидов (отпущенный мартенсит). Во время отпуска при 300 - 400 °С протекает так называемое третье превращение, когда из мар- тенсита выделяется почти весь пересыщающий углерод в виде стабильного карбида-цементита, тетраго- нальность структуры устраняется. Мартенсит переходит в пластинчатый феррит и образуется феррито- цементитная высокодисперсная смесь (троостит отпуска). После отпуска при более высоких температурах (> 400 °С) структурные изменения в стали не связаны с фазовыми превращениями. Происходит коагуляция и последующая сфероидизация цементита, пластинчатый феррит превращается в зернистый, снимается фазовый наклеп. Отпуск при 500 - 600 °С формирует структуру сорбита отпуска, а при температуре 700 °С образуется грубая феррито- цементитная смесь – зернистый перлит. На рис. 7, 8 приведены результаты скрэч-анализа влияния термообработки на склерометрические показатели сканирования изучаемых поверхностей алмазным индентором. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 9 а б в г д e Рис. 7 –Сопоставление склерометрических показателей термообработанной стали (Fn=5Н, vs=10мм/мин): а – закалка; б – e– отпуск соответственно при температурах: 200, 350, 400, 450, 600 °С; (Fn – нормальная сила; μsc – коэффициент трения; Ft – сила трения; АE – акустическая эмиссия) Структуры закалки и мартенсита отпуска (Тотп = 200 - 300 °С) при относительно малой глубине внедрения индентора и низком коэффициенте трения (μsc) проявляют максимальную акустико- эмиссионную активность (АE). В то же время структуры высокого отпуска (Тотп ≥ 450 °С) при выбран- ных параметрах сканирования показали отсутствие акустической эмиссии. Известно [7], что интенсив- ность акустической эмиссии при механическом нагружении отражает динамику локальной перестройки структуры металла с релаксацией микронапряжений. Мартенситная структура склонна к такой пере- стройке при деформации вследствие двойникования, изменения энергетического состояния дислокаций, разблокировки закрепленных и возникновения новых легкоподвижных дислокаций, что и проявляется в повышенной релаксационной способности. В высокоотпущенной стали (Тотп ≥ 450 °С) из-за более глу- бокого пропахивания поверхности образца индентором и большей пластической деформации движение дислокаций блокируется большим числом барьеров и подавляется работа источников свободных дисло- каций. Вследствие этого акустическая эмиссия стремится к нулю, т.к. ее интенсивность при микропере- стройке зависит прежде всего от подвижности и длины свободного пробега дислокаций [8]. Низкий ко- эффициент трения (μsc), отвечающий закалке и температурам отпуска 200 – 300 °С (рис. 8), соответствует повышенной упругости стали (рис. 6). Рис. 9 - 11 иллюстрируют влияние закалки и температуры отпуска стали (диска) на трибологиче- ские показатели изучаемой пары трения. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 10 Рис. 8 – Влияние температуры отпуска стали на склерометрические показатели (Fn = 5 Н, vs = 10 мм/мин): μsc – коэффициент трения; АЭ – акустическая эмиссия Рис. 9 – Влияние температуры отпуска на весовой износ диска (Δm), диаметр пятна износа контртела (d) и линейное сближение пары трения (Pd) (Fn = 5 Н, v = 0,2 м/сек, L = 103 м) а б в г Рис. 10 – Зависимость силы (Ft) и коэффициента трения (μ) от пути трения (Fn = 5 Н; v = 0,2 м/сек): а – закалка; б – отпуск 200 °С; в – отпуск 400 °С; г – отпуск 600 °С Износостойкость термообработанной стали (дискa) повышается с ростом твердости (рис. 3, 9). При этом закалка, увеличивающая твердость стали в 3 раза, повышает ее износостойкость в 8 раз. Это связано как со спецификой исходных структур закалки (мартенсит закалки, мартенсит отпуска), так и с особенностями их поведения при динамическом нагружении в условиях трения, приводящим к дополни- тельному упрочнению материала с улучшением реологических (релаксационных) показателей. Такие из- менения влияют на изнашивающую способность стали, что и проявляется на характере изменения диа- метра пятна контакта шарика (d) и общего линейного сближения элементов пары трения (Pd) (рис. 9). Из сопоставления рис. 9 и рис. 6 виден идентичный характер изменения упругих свойств термо- обработанного диска (Е, Р) и его изнашива-ющей способности. Наблюдается аналогичное изменение и коэффициента трения с максимумом в районе температур отпуска 200 - 300 °С (рис. 10, 11). Согласно [2], уменьшение твердости стали (с ростом температуры отпуска) должно привoдить к одновременному увеличению как деформaционной составляющей силы трения (вследствие увеличения глубины внедрения неровностей), так и адгезион-ной составляющей (из-за увеличения площади факти- ческого контакта). Однако, согласно рис. 11, рoст коэффициента трения наблюдается только до темпера- тур отпуска 200 - 300 oC, после чего он монотонно снижается. Это связано с тем, что для исследованных полированных поверхностей трения деформационная составляющая пренебрежимо мала. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 11 Рис. 11 – Зависимость максимального (1) и среднего (2) коэффициента трения от температуры отпуска: Fn = 5 Н; v = 0,2 м/сек; L = 1000 м Ведущую роль играют адгезионные явления, и адгезионная (молекулярная) составляющая коэ- ффициента трения изменяется в соответствии с изменением упругости контакта. Именно рост упругих свойств стали (рис. 6, 8), отпущеной при температурах 200 - 300 °С, объясняет характер изменения из- нашивающей способности, площади контакта и коэффициента трения с максимумами, отвечающими указанному температурному диапазону (рис. 9, 11). При этом следует учитывать, что рабочие поверхно- сти образцов после закалки и низкотемпературного отпуска (200 - 300 °С), по-видимому, приобретают дополнительную упругость вследствие динамического деформационного старения, как на этапе подго- товки рабочих поверхностей (шлифование+полирование), так и непосредственно в процессе последую- щих испытаний на трение. Из рис. 9, 11 следует, что низкотемпературный отпуск стали (до 250 °С) и отпуск при более вы- соких температурах по разному влияют на трибологические показатели изучаемого сопряжения. Это свя- зано не только с различием исходной структуры стали, приобретаемой в результате термообработки, но и с различием механизмов субструктурной перестройки при механотермическом воздействии, которому подвержены контактирующие поверхности при трении. В таких условиях сталь может претерпевать ди- намическое деформационное старение (ДДС), которое, как правило, упрочняет материал более эффек- тивно, чем холодная деформация или обычное деформационное старение [9]. Это обусловлено высокой эффективностью образования атмосфер и сегрегаций из атомов внедрения (C + N) на размножающихся дислокациях за счет роста диффузионной подвижности дефектов кристаллической решетки. Оптималь- ным условием упрочнения является соизмеримость скорости движения дислокаций и скорости диффузии атомов внедрения при динамическом нагружении. Эффективность ДДС зависит от микроструктуры ста- ли, скорости трения и температуры [1, 9]. Так, после средне- и высокотемпературного отпуска углероди- стой стали формируется двухфазная структура (феррит + карбиды), и в результате ДДС упрочняется феррит. Сталь в состоянии закалки (мартенсит) вследствие фазового наклепа характеризуется структур- ной метастабильностью, концентрационной неоднородностью и повышенными локальными напряже- ниями. В условиях механо-термического воздействия при трении в мартенсите, кроме ДДС, развиваются процессы отпуска под напряжением, или динамического старения (ДС), способствующие росту эффек- тивности упрочнения [3, 9]. При динамическом старении мартенсита ускоряется его распад с образова- нием высокодисперсных карбидных частиц (подобно первому превращению при отпуске стали). Образо- вание в пересыщенном твердом растворе зародышей карбидной фазы облегчается благодаря формирую- щимся на дислокациях атмосферам и сегрегациям атомов внедрения (C + N), которые приобретают вы- сокую диффузионную подвижность вследствие роста плотности дислокаций. C одной стороны, блоки- ровка дислокаций атмосферами атомов примесей и карбидными выделениями вызывает упрочнение, а с другой – развитие «восходящей» диффузии атомов углерода и азота к дислокациям (диффузионная ре- лаксация), а также процесс образования зародышей новой фазы вызывает релаксацию пиковых напряже- ний со снижением тетрагональности решетки непосредственно в процессе трения. Для деформационного упрочнения при трении закаленной или низкоотпущенной стали определяющее значение имеют именно процессы ДДС и ДС, а такие факторы, как двойникование, измельчение кристаллов мартенсита, увели- чение угла разориентировки фрагментов и т.п., не имеют решающего значения. Таким образом, влияние дисперсных карбидов на свойства стали имеет двойственный характер [2]. С одной стороны, выделение карбидов на дислокационной сетке из-за барьерного действия вызывает дополнительное упрочнение. С другой стороны, гетерогенизация системы с диспергированными карбид- ными частицами благоприятно влияет на микропластическую релаксацию напряжений внутри зерен, т.к. карбиды могут генерировать свежие дислокации. Кроме того, при выделении карбидной фазы из пресы- щенного твердого раствора уменьшается концентрация углерода, что приводит к снижению степени бло- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние микромеханических и реологических свойств термообработанной стали на трибологические показатели Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 12 кировки дислокаций и повышению микропластичности матрицы, облегчая релаксацию пиковых напря- жений при динамическом нагружении в условиях трения. Рассмотренные выше факторы, формирующие благоприятный комплекс вязкоупругих (релакса- ционных) и прочностных свойств деформированного мартенсита, обеспечивают высокую износостой- кость и низкую изнашивающую способность стали в состоянии закалки. С точки зрения изнашивающей способности при трении без смазки (износ контртела) отпуск закаленной стали при температурах 250- 300°С неблагоприятен потому, что выделившиеся при этих температурах частицы ε-карбида и цементита способствуют интенсификации дальнейшего процесса динамического старения при трении, приводящего к дополнительной эффективной блокировке высокодисперсными карбидами активных систем скольже- ния, росту упругости и релаксационной стойкости. Выводы 1. Высокая износостойкость и низкая изнашивающая способность стали после закалки, а также после закалки и низкого отпуска (менее 200 °С) обусловлены благоприятным сочетанием твердости, микропластичности и релаксационной способности. 2. При трении структур, содержащих мартенсит, происходит дополнительное упрочнение, не связанное с простым наклепом, а вызываемое динамическим деформационным старением и динамиче- ским отпуском под напряжением, которым сопутствуют релаксационные процессы. 3. Упрочнение стали после закалки и отпуска при температурах вблизи 300 °С сопровождается снижением микропластичности, ростом упругости и релаксационной стойкости. Это инициирует разви- тие в контакте адгезионных процессов и схватывания, что приводит к росту коэффициента трения и из- нашивающей способности стали. 4. Интенсивность изнашивания стали, термообработанной на различную твердость, в целом не коррелирует с изменением коэффициента трения. Согласованный рост износа сопряжения и коэффици- ента трения имеет место только до температур отпуска менее 300 °С. Для более высоких температур от- пуска росту износа стали сопутствует снижение коэффициента трения. 5. Изменение коэффициента трения в исследованном сопряжении коррелирует с изнашивающей способностью стали, которая, в свою очередь, тесно связана с изменением характеристик упругости и ре- лаксационной стойкости, принимающих максимальные значения при температурах отпуска 200 - 300 °С. Литература 1. Шевеля В.В. Структурно-реологические механизмы снижения динамической напряженности и деформационного упрочнения фрикционного контакта // В.В. Шевеля, А. Трытек, В.П. Олександренко и др. // Проблеми трибології. – 2010. – № 1. – С. 6-16. 2. Васильева А.Г. Деформационное упрочнение конструкционных закаленных сталей. – М.: Ма- шиностроение, 1981. – 231 с. 3. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г., Каплун Ю.А. Динамическое старенне сплавов. – М.: Мета- ллургия, 1985. – 222 с. 4. PN-EN ISO 14577-1:2005. Instrumentalna próba wciskania wgłębnika do określania twardości i innych własności materiałów. Część 1: Metoda badania. 5. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с. 6. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. – М.: Наука, 1973. – 238 с. 7. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Изд.стандартов, 1976. – 272 с. 8. Новиков Н.В., Вайнберг В.Е. О физической природе акустической эмиссии при деформирова- нии металлических материалов // Проблемы прочности. – 1977. – № 12. – С. 65-69. 9. Бабич В.Г., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. – М.: Металлургия, 1972. – 320 с. В исследованиях использовано оборудование, закупленное согласно проекту № POPW.01.03.00-18- 012/09 в рамках Программы развития Восточной Польши, финансируемой Европейским Союзом из средств Европейского фонда регионального развития, а также согласно проекту „Строительство, развитие и модернизация научно-исследовательской базы Жешувской политехники” в рамках регионал- ной оперативной программы Подкарпатского воеводcтва на 2007-2013 г.г. W badaniach wykorzystano aparaturę zakupioną w projekcie nr POPW.01.03.00-18-012/09 z Funduszy Strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz w ramach projektu „Budowa, rozbudowa i modernizacja bazy naukowo-badawczej Politechniki Rzeszowskiej” w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego na lata 2007 – 2013. Надійшла 13.04.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com