7_Dvoruk.doc Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 46 Дворук В.І. Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна E-mail: dvoruk@voliacable.com ВПЛИВ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ТЕРМОМЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ (НТМО) НА АБРАЗИВНУ ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ЛЕГОВАНОЇ СТАЛІ УДК 621.891 Встановлено ефект відсутності впливу низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразив- ну зносостійкість легованої сталі. Показано можливість застосування реологічного параметру як критерію абразив- ної зносостійкості сталі після НТМО. Обґрунтовано неправомірність ототожнення об’ємного та абразивного руйну- вання сталі. Ключові слова: низькотемпературна термомеханічна обробка, абразивна зносостійкість, реологічний параметр. Завдання дослідження Абразивне зношування є головним фактором, що обмежує ресурс машин, механізмів та інстру- менту в різних галузях господарства. Тому підвищення зносостійкості матеріалів, зокрема, легованих сталей складає вельми актуальну проблему, над якою багато років працюють вчені в усіх технічно роз- винутих країнах світу. Уявлення щодо природи та механізму абразивного зношування в умовах тертя ковзання довгий час базувались на експериментальних даних, які ураховують вплив на знос лише твердості сталей [1]. При цьому характер взаємодії одиничної абразивної частинки з поверхнею зношування не аналізувався, а її силова дія на контакті розглядалась, як одноетапна картина, подібна дії одиничного індентора. Подальші дослідження [2, 3 та ін.] показали неадекватність такої аналогії. Доведено, що взаємо- дія абразивної частинки зі зношуваною поверхнею складається з двох самостійних елементарних етапів: прямого занурення в поверхню і подальшого переміщення нею за відносного руху частинки поверхнею зношування. При переміщенні частинки силове навантаження на поверхню зношування, продуковане нею, більш складне, ніж при її зануренні. Поблизу частинки можна припустити наявність двох зон дефо- рмування: зони стиску та зони розтягу; в межах цих зон діють напруження згинання, відриву та зсуву. Розвиток цих процесів поступово переходить в кінцеву фазу – зону формування та відокремлення проду- ктів зношування. Характер взаємодії абразивної частинки з поверхнею зношування ускладнюється тим, що вказані два етапи можуть проявитися одночасно. Опір частинки при її переміщенні поверхнею визначається комплексом механічних властивостей останньої, в якому провідна роль належить міцнісним характеристикам [2]. Отже, в природі та механізмі абразивного зношування лежить міцнісна основа. Тому, з підвищенням міцнісних характеристик можна очікувати позитивних змін у зносостійкості сталей. Традиційні методи зміцнення останніх, а саме: складне легування, різні види термічної обробки, наклеп поступово вичерпують свої можливості і стають все більш дорогими. Це змушує шукати нові ефективні технологічні процеси, які ґрунтуються на досягненнях сучасної науки. Стосовно загартовуваних сталей, такі процеси реалізуються в різних схемах комбінованої оброб- ки, зокрема термомеханічної (ТМО) – суміщення операцій термічної обробки та пластичної деформації в єдиному процесі [4]. Ефект зміцнення при ТМО зумовлений сумарною дією зміцнення, отриманого в ре- зультаті наклепу високотемпературної фази та зміцнення, що виникає при гартуванні. Якщо при ТМО наклеп застосовується в температурній області нижче порогу рекристалізації, то її називають низькотемпературною термомеханічною обробкою (НТМО). Принципову схему зміцнення сталі за допомогою НТМО показано на рис.1. Зі схеми випливає, що метод НТМО складається в інтенси- вному деформуванні сталі в області відносної стійкості аустеніту за температури вище мартенситної фо- рми, але нижче температури рекристалізації, з наступним фазовим перетворенням. Таким чином, істот- ною відмінністю НТМО від ВТМО [5] є затримка охолодження аустенізованої сталі в надмартенситній області температур та деформування аустеніту в метастабільному стані. Придатний метод НТМО лише для сталей з широкою зоною стійкості аустеніту. Результати дослідження [6] показали, що при такій обробці вдається істотно підвищити міцність сталі та зберегти задовільні пластичні властивості. Щодо впливу НТМО на абразивну зносостійкість сталей, то до теперішнього часу це питання досліджено недостатньо. Встановлено [7], що всупереч суттєвого підвищення міцності, зносостійкість при терті закріпленим абразивом, як привило, проявляла тенденцію до зниження, незалежно від ступеня деформації та температури відпуску сталі. Зміна зносостійкості при цьому, складала 7 - 20 %, порівняно зі зносостійкістю після звичайної обробки, а, отже, знаходилась в межах похибки вимірювання. Тому її mailto:dvoruk@voliacable.com Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 47 слід було визнати статистично незначущою. Однак, автори [7], не звернули увагу на цей важливий факт і належного пояснення він не отримав. У зв’язку з цим проведено [8] додаткове вивчення абразивної зно- состійкості сталі, зміцненої НТМО з кінцевою структурою відпущеного мартенситу, результати якого співпадають з результатами [7]. Отриманий ефект знайшов задовільне пояснення з позицій реолого- кінетичної концепції зносостійкості [3]. Метою даної роботи є подальше вивчення впливу НТМО на абразивну зносостійкість легованої сталі в різних структурних станах: мартенситному, тростинному, сорбітному та підходів до його пояснення. Методичне забезпечення дослідження Об’єктом дослідження була легована сталь 40ХНМА, хімічний склад якої наведено в табл. 1. Таблиця 1 Хімічний склад досліджуваної сталі Вміст, % Марка сталі С Mn Si P C Cr Ni Mo 40ХНМА 0,40 0,68 0,27 0,03 0,021 0,76 1,50 0,18 Сталь піддавали низькотемпературній термомеханічній обробці (НТМО) за такою технологіч- ною схемою: нагрівання вище верхньої критичної температури 3А до аустенітного стану, переохоло- дження до температури 753 - 793 К в проміжну область стійкості аустеніту з тривалим інкубаційним пе- ріодом, прокатування на лабораторному стані ДУО-210 за швидкості 0,3 м/с та обтискуваннях 15 %, 30 %, 45 %, гартування (рис. 1) та відпуск за температур 373 К, 473 К, 673 К, 873 К. Рис. 1 – Принципова схема НТМО: А1 – перша критична точка; А3 – третя критична точка; М – точка мартенситного перетворення Режим НТМО наведено в табл. 2. Таблиця 2 Режим НТМО досліджуваної сталі Марка сталі Температура критичної точки 3А , К Температура аустенізації, К Тривалість аустенізації, с Температура прокатування, К Гартувальне середовище 40ХНМА 1018 1173 1800 773 Олива Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 48 Для виявлення ефекту комбінованої обробки (НТМО) зразки сталі піддавали звичайному гарту- ванню з наступним відпуском за таких самих температур. Режим термічної обробки наведено в табл. 3. Таблиця 3 Режими термічної обробки досліджуваної сталі Марка сталі Температура нагрівання під гартування, К Тривалість витримування, с Гартувальне середовище 40ХНМА 1133 900 Олива Після всіх варіантів обробок зразки сталі випробували на розтяг, твердість та зношування закрі- пленим абразивом. Випробування на розтяг проводили за допомогою універсальної машини УММ-50, а на твердість за методом Бринеля - стаціонарного твердоміру ТШ-2М. Випробування на зношування закріпленим аб- разивом, проводили за методикою [9] на лабораторній установці [10], що створена на базі приладу ЛКІ-3 для випробування будівельних матеріалів на стиранність. За результатами триботехнічних випробувань проводили оцінку реологічних властивостей та зносостійкість сталі. Реологічні властивості – критичний коефіцієнт інтенсивності напружень ІСK , роз- мір пластичної зони пh у вершині тріщини та реологічний параметр R визначали за методиками [9]. Зносостійкість розраховували як величину зворотну абразивному зносу, який вимірювали мето- дом зважування на електронних терезах "Nagema" (ціна поділки 0,001г). Результати вимірювань трибомеханічних та реологічних властивостей сталі обробляли методами математичної статистики. Експериментальна і аналітична частина дослідження Отримані результати дослідження трибомеханічних та реологічних властивостей сталі (табл. 4) показують таке. Зносостійкість загартованої сталі істотно залежить від температури відпуску: найбільша зносостійкість спостерігається після відпуску за температури 373 К (структура тетрагонального мартен- ситу), а найменша – 873 К (структура сорбіту) (рис. 2). Рис. 2 – Залежність зносостійкості ε від ступеня деформації λ після НТМО сталі 40ХНМА за температури відпуску: 1 – 373 К; 2 – 473 К; 3 – 673 К; 4 – 873 К Під впливом НТМО зносостійкість сталі в різних структурних станах змінюється в межах 7 - 18 % порівняно зі зносостійкістю після звичайної термічної обробки. Такі зміни є незначущими і тому можна констатувати, що НТМО несуттєво впливає на зносостійкість. Міцність загартованої сталі також істотно залежить від температури відпуску: найбільшу міц- ність має сталь після відпуску за температури 473 К (структура відпущеного мартенситу), а найменшу 873 К (структура сорбіту) (рис. 3). Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 49 Таблиця 4 Залежність трибомеханічних та реологічних властивостей сталі 40ХНМА від ступеня деформації при НТМО в різних структурних станах Трибомеханічні властивості Реологічні властивості М ар ка с та лі Т ем пе ра ту ра в ід пу ск у Т, К С ту пі нь о бт ис ку ва нн я λ, % тв ер ді ст ь Н В , М П а границя міцності Вσ , МПа зносостій- кість ⋅ε 106, г-1 в’язкість руйнування ІСK · 10 6, мПа розмір пластичної зони ⋅пh 10 -7, м реологічний параметр ⋅R 1010, Па 0 472 1700 6,21 10,33 0,63 3,97 15 596 2150 5,58 9,21 0,67 3,55 30 596 2150 6,2 9,21 0,54 3,96 373 45 596 2150 5,43 9,21 0,71 3,46 0 486 1750 5,74 10,14 0,77 3,66 15 513 1850 5,37 9,9 0,84 3,43 30 513 1850 4,71 9,9 1,09 3 473 45 513 1850 5,29 9,9 0,87 3,36 0 403 1370 4,95 11,43 1,32 3,15 15 432 1470 4,67 11,07 1,39 2,97 30 432 1470 4,56 11,07 1,45 2,91 673 45 432 1470 4,67 11,07 1,39 2,97 0 291 960 4,76 13,5 1,99 3,03 15 321 1060 4,5 13 2,06 2,86 30 321 1060 4,42 12,98 2,12 2,82 40 Х Н М А 873 45 321 1060 4,5 13 2,06 2,86 НТМО з обтискуванням λ = 15 % сприяє підвищенню міцності в межах 5 - 25 % порівняно з мі- цністю після звичайної термічної обробки. Досягнутий при цьому рівень міцності зберігається після НТМО з обтискуваннями λ = 30 % і λ = 45 %. Отже, вплив НТМО на міцність сталі слід визнати незна- чущим. Рис. 3 – Залежність границі міцності σВ та реологічного параметру R від ступеня деформації λ сталі 40ХНМА за температури відпуску: 1 – 373 К; 2 – 473 К; 3 – 673 К; 4 – 873 К Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 50 Від температури відпуску істотно залежить реологічний параметр загартованої сталі: найбіль- ший реологічний параметр проявляється після відпуску за температури 373 К (структура тетрагонально- го мартенситу), а найнижчий – 873 К (структура сорбіту) (рис. 3). Після впливу НТМО реологічний па- раметр змінюється немонотонно в межах 7 - 14 % порівняно з реологічним параметром після звичайної термічної обробки. Тому вплив НТМО на реологічний параметр сталі також є несуттєвим. Співставлення залежності зносостійкості від ступеня деформації при НТМО сталі (рис. 2) з ана- логічними залежностями міцності та реологічного параметру (рис. 3) показують їх однакову форму, що свідчить про наявність якісного кореляційного зв’язку між ними. Щодо кількісної кореляції, то вона спо- стерігається лише між зносостійкістю та реологічним параметром і має такий характер: чим більше рео- логічний параметр, тим вище зносостійкість сталі. Кількісний зв’язок зносостійкості з міцністю просте- жується не завжди. Наприклад, найбільшою зносостійкістю володіє сталь зі структурою тетрагонального мартенситу (рис. 2, крива 1) в той час як найбільшою міцністю – сталь зі структурою відпущеного мар- тенситу (рис. 3, крива 2). Звідки випливає, що для критеріальної оцінки абразивної зносостійкості сталі, зміцненої НТМО, реологічний параметр є більш адекватним показником, ніж міцнісні характеристики. Як відомо [3], реологічний параметр визначається відношенням (1): п IC h K R = , (1) де ІСK – в’язкість руйнування сталі, пh – розмір пластичної зони у вершині тріщини. В’язкість руйнування ІСK тут одночасно є реологічною та енергетичною характеристикою [11], яка інтегрально ураховує міцнісні та пластичні властивості сталі. Останній факт заслуговує на особливу увагу, оскільки між абразивною зносостійкістю та сполученням міцнісно-пластичних характеристик ста- лей різних структурних класів встановлено [2] функціональний зв’язок. Однак на відміну від стандарт- них характеристик міцності та пластичності, які є умовними показниками [12] і ураховують усереднені властивості сталі при зношуванні, показник ІСK оцінює її локальні властивості поблизу вершини трі- щини і прив’язані до плоскодеформованого стану у вказаній зоні. З огляду на це, в’язкість руйнування ІСK – фундаментальна характеристика опору сталі руйнуванню, зокрема, абразивному. Щодо розміру пh пластичної зони у параметрі R то він є реологічною характеристикою яка, з одного боку описує сту- пінь локалізації деформації в поверхневому шарі, а з іншого – механічний стан (зміцнення, відпуск, запас пластичності, залишкова напруженість тощо) цього шару. Виходячи з фізичного сенсу реологічного параметру на макрорівні [13], факт його адекватності абразивній зносостійкості сталі після НТМО, встановлений в даній роботі дозволяє інтерпретувати міц- нісну основу механізму абразивного зношування як опір утворенню та розвитку бокових горизонтальних тріщин на межі пластичних зон біля вершин вихідних клиноподібних тріщин в поверхневому шарі. Ві- домо [14], що саме ці тріщини значною мірою визначають процеси поверхневого руйнування, особливо абразивне зношування, і є однією з його головних відрізнювальних особливостей. Тому існуючу точку зору [15] щодо механізму абразивного зношування, як звичайного об’ємного руйнування, що відрізня- ється лише своїм масштабом слід визнати неправомірною. Висновки На підставі результатів проведеного дослідження можна констатувати таке: 1. НТМО, незалежно від ступеня деформації, не впливає на трибомеханічні властивості сталі при всіх температурах відпуску, порівняно зі звичайною термічною обробкою. Тому вказане зміцнення є не- придатним для підвищення абразивної зносостійкості сталі. 2. Для критеріальної оцінки абразивної зносостійкості сталі, зміцненої НТМО, реологічний па- раметр є більш адекватним показником, ніж характеристики об’ємної міцності. 3. Міцнісну основу механізму абразивного зношування слід інтерпретувати як опір утворенню та розвитку бокових горизонтальних тріщин на межі пластичних зон біля вершин вихідних клиноподібних тріщин в поверхневому шарі сталі. 4. Абразивне зношування сталі є процесом контактного руйнування, який відрізняється від зви- чайного об’ємного руйнування не лише своїм масштабом, але також морфологією поверхневих тріщин та закономірностями їх розповсюдження. Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 51 Література 1. Хрущов М.М. Исследование изнашивания металлов / М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. – М.: АН СССР, 1960. – 352с. – Библиогр.: – С. 337-342. 2. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов / Г.М. Сорокин. – М.: Недра, 2000. – 316 с. – Биб- лиогр.: С. 237-245. 3. Дворук В.І. Реолого-кінетична концепція абразивної зносостійкості та її реалізація в керуванні працездатності механічних трибосистем: Автореф. дисертації доктора техн. наук / - К.: НАУ, 2007-40 с. 4. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов: В 2т. / М.Л. Бернштейн. – М.: Металургия, 1968. – Т.2. – 1171 с.: ил., табл. – Библиогр.: С.1165. 5. Новые пути повышения прочности металлов: (Монография) / В.С. Иванова, Л.К. Гордиенко. – М.: Наука, 1964. – 18 с.: ил., табл. – Библиогр.: С.111-117. 6. Бернштейн М.Л. Прочность стали / М.Л. Бернштейн. – М.: Металургия, 1974. – 199 с. – Библи- огр.: С.196-199. 7. Жарков В.Я. Абразивная износостойкость сталей в зависимости от термомеханической обра- ботки ВТМО и НТМО / В.Я. Жарков, М.М. Кантор // Износ и антифрикционные свойства материалов (Трение и износ в машинах): Сб. науч. тр. – М.: Наука, 1968. – Вып.20. – С. 65-71. 8. Дворук В.І. Абразивна зносостійкість теплодеформованої сталі / В.І. Дворук, С.С. Бєлих // Проблеми тертя та зношування: наук. тех. зб. – К.: НАУ 2012. – Вип.58. – С. 41-48. 9. Дворук В.І. Вплив структурного стану на абразивне руйнування сталі / В.І. Дворук, О.В. Гера- симова // Проблеми тертя та зношування: наук. техн. зб. – К.: НАУ, 2007. – Вип. №47. – С. 82-94. 10. Шевеля В.В. Обеспечение триботехнических свойств композиционих материалов при абра- зивную изнашивании / В.В. Шевеля, В.И. Дворук, В.Е. Довжок, А.В. Радченко // Проблеми трибологии. – 2000. – №1. – С. 67-72. 11. Хеккель К. Техническое применение механики разрушения / К. Хеккель. – М.: Металлургия, 1974. – 64с. – Библиогр.: С.92-93. 12. Латишенко В.А. Диагностика жосткости и прочности материалов / В.А. Латишенко. – Рига: Зинатне, 1968. – 320 с.: Библиогр.: С. 274-299. 13. Дворук В.І. Абразивна зносостійкість та структура легованих сталей / В.І. Дворук, С.С. Бєлих // Проблеми трибології – 2012. – №1. – С. 14-19. 14. Механика контактного разрушения: (Монография) / Ю.В. Колесников, Е.М. Морозов. – М.: Наука, 1989. – 224 с. – Библиогр.: С.183-219. 15. Сорокин Г.М. Новые критерии повышения долговечности машин / Г.М. Сорокин // Вестник машиностроения. – 2008. – № 5. – С. 19-23. Поступила в редакцію 28.10.2013 Вплив низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО) на абразивну зносостійкість легованої сталі Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 52 Dvoruk V.I. Effect of low-temperature thermomechanical treatment (LTMT) on the abrasive wear resistance of stainless steel. Found no effect of the impact of stainless steel to low-temperature thermomechanical treatment (LTMT) on the abrasive wear resistance of stainless steel. The possibility of application of rheological parameters as a viterion abrasive wear resistance of steel after LTMT. Proved illegality identification and abrasive bulk fracture of steel. Key words: low-temperature thermomechanical treatment, abrasive wear resistance and rheological parameters. References 1. Hrushhov M.M., Babichev M.A. Issledovanie iznashivanija metallov, M.: AN SSSR, 1960. 352 p. Bibliogr. P. 337-342. 2. Sorokin G.M. Tribologija stalej i splavov. M.: Nedra, 2000. 316 p. Bibliogr.: pp. 237-245. 3. Dvoruk V.І. Reologo-kіnetichna koncepcіja abrazivnoї znosostіjkostі ta її realіzacіja v keruvannі pracezdatnostі mehanіchnih tribosistem: Avtoref. disertacії doktora tehn. nauk, K. NAU, 2007-40 p. 4. Bernshtejn M.L. Termomehanicheskaja obrabotka metallov i splavov: V 2t, M.: Metalurgija, 1968. T.2. 1171 p.: il., tabl. Bibliogr.: pp. 1165. 5. Ivanova V.P., Gordienko L.K. Novye puti povyshenija prochnosti metallov: (Monografija), M.: Nauka, 1964. 18 p.: il., tabl. Bibliogr.: pp.111- 117. 6. Bernshtejn M.L. Prochnost' stali, M.: Metalurgija, 1974. 199 p. Bibliogr.: pp. 196-199. 7. Zharkov V.Ja., Kantor M.M. Abrazivnaja iznosostojkost' stalej v zavisimosti ot termomehanicheskoj obrabotki VTMO i NTMO , Iznos i antifrikcionnye svojstva materialov (Trenie i iznos v mashinah): Sb. nauch. tr. M.: Nauka, 1968. Vyp.20. pp. 65-71. 8. Dvoruk V.І., Bєlih P.P. Abrazivna znosostіjkіst' teplodeformovanoї stalі, Problemi tertja ta znoshuvannja: nauk. teh. zb. K.: NAU 2012. Vip.58. pp. 41-48. 9. Dvoruk V.І., Gerasimova O.V. Vpliv strukturnogo stanu na abrazivne rujnuvannja stalі, Problemi tertja ta znoshuvannja: nauk. tehn. zb. K.: NAU, 2007. Vip. No47. pp. 82-94. 10. Shevelja V.V., Dvoruk V.I., Dovzhok V.E., Radchenko A.V. Obespechenie tribotehnicheskih svojstv kompozicionih materialov pri abrazivnuju iznashivanii, Problemi tribologii. 2000. - No1. pp. 67-72. 11. Hekkel' K. Tehnicheskoe primenenie mehaniki razrushenija, M.: Metallurgija, 1974. 64p. Bibliogr.: pp. 92-93. 12. Latishenko V.A. Diagnostika zhostkosti i prochnosti materialov, Riga: Zinatne, 1968. 320 p.: Bibliogr.: pp. 274-299. 13. Dvoruk V.І., Bєlih P.P. Abrazivna znosostіjkіst' ta struktura legovanih stalej, Problemi tribologії: - 2012. - No1. pp.14-19. 14. Kolesnikov Ju.V., Morozov E.M. Mehanika kontaktnogo razrushenija: (Monografija), M.: Nauka, 1989. 224 p. Bibliogr.: pp. 183-219. 15. Sorokin G.M. Novye kriterii povyshenija dolgovechnosti mashin, Vestnik mashinostroenija. 2008. - No5. pp. 19-23.