13_Butakov.doc Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 83 Бутаков Б.И., Марченко Д.Д., Артюх В.А., Зубехина А.В. Николаевский государственный аграрный университет, г. Николаев, Украина ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВАЛОВ, ОБКАТАННЫХ РОЛИКАМИ 1. Вступление При изготовлении и эксплуатации деталей машин на их поверхностях образуются неровности и микронеровности, а слой металла, непосредственно прилегающий к поверхности, имеет нередко новые структуру, фазовый и химический состав по сравнению с сердцевиной, в нем возникают остаточные на- пряжения [1]. В условиях эксплуатации этот слой подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. [2 – 4]. Часто разрушение деталей начинается с поверхности, например при изнашивании, эрозии, кавитации, усталости, контактной усталости и многих других случаях. Поэтому к поверхностному слою предъявля- ются более высокие требования, чем к глубинным слоям детали. Одним из эффективных и простых методов упрочнения поверхностного слоя является метод по- верхностного пластического деформирования (ППД) [5], который позволяет рассматривать его не только как метод получения деталей требуемой формы, точности и микрогеометрии поверхности, но и как спо- соб упрочнения деталей, существенно влияющих на их эксплуатационные характеристики. Характер из- менения физико-механических свойств по глубине детали после любых способов поверхностной обра- ботки или упрочнения позволяет оценить влияние так называемой технологической наследственности на формирование окончательных свойств изделий. 2. Исследование механических свойств и оценка точности определения глубины наклепа по различным механическим характеристикам Наиболее доступным экспериментальным методом исследования глубины и степени наклепа при ППД является измерение твердости по Виккерсу в поперечном или наклонном сечениях упрочненной детали. Однако большой разброс значений твердости, особенно в переходной зоне между упрочненным слоем и исходным металлом не позволяет с достаточной точностью определить глубину наклепа. Более полное представление о механических свойствах поверхностного слоя можно получить на основе испы- тания на разрыв образцов, вырезанных из детали на различном расстоянии от поверхности. Такие испы- тания малых плоских образцов (рис. 1) толщиной 0,2 ... 0,4 мм были выполнены на машине П. Шевенара [6], на которой проводилась оптическая диаграммная запись на фотопленке зависимости деформации об- разца от нагружения. Образцы изготавливались по следующей технологии. Обкатанный вал разрезался на цилиндрические отрезки соответственно количеству исследуемых режимов. Каждый такой отрезок, обкатанный с определенным режимом, подрезали по торцу в зоне стабильного процесса обкатывания и эксцентрично обтачивали на длине, соответствующей размеру микрообразцов. Рис. 1 – Образец для микроиспытаний на разрыв Рис. 2 – Схема вырезки образцов Величину эксцентриситета выбирали так, чтобы вновь образованная поверхность с одной сторо- ны осталась касательной к обкатанной поверхности, а на другой стороне диска углубилась заведомо ни- же деформированного слоя (рис. 2). Вновь образованная таким образом при обточке цилиндрическая по- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 84 верхность сохраняет обкатанную полоску шириной 10 - 12 мм. Затем вал растачивали на глубину, рав- ную длине обточки, до тех пор, пока не останется тонкое кольцо, из которого и вырезали микрообразцы для механических испытаний. Из каждого обкатанного участка вырезали по два кольца – одно шириной 27,5 мм для продольных (осевых) и второе шириной 9 мм для поперечных (круговых) образцов. Полови- на широкого кольца после разметки и нанесения маркировки разрезалась на 30 темплетов, которые затем равномерно шлифовали с двух сторон на плоскошлифовальном станке до выведения следов предыдущей обточки. На узком кольце, после разметки и маркировки, с использованием делительной головки шлифо- вали 24 лыски длиной 6 - 7 мм. Это обеспечивает необходимое прилегание темплетов, вырезанных в дальнейшем из кольца, к поверхности магнитной плиты при их последующем шлифовании. Затем в спе- циальном кондукторе сверлили и развертывали два отверстия диаметром 3Н7 для крепления будущих образцов в захватах испытательной машины. Эти отверстия служат также базой для последующего шли- фования профиля образцов, при котором пакет из нескольких образцов закрепляли во втором кондукторе. После шлифования их полировали тонкими шкурками зернистостью МЗ до выведения следов предыдущей обработки. Шероховатость шейки образца должна быть Ra = 0,08...0,16 мкм, что соответст- вует требованиям, высказанным в [7]. Ширина и толщина шейки образцов измерялась рычажным микрометром с ценой деления шкалы 0,002 мм. Расстояние осевых сечений образцов от поверхности определяли угловым расположением об- разцов относительно центра кольца: ( ) ∆−−+α−−−= 22 sin 42 22 2 b bttD DD h кд дд , где ∂D – диаметр детали; t – полная толщина исследуемого слоя; α – координатный угол образца; kb – толщина кольца; ∆ – припуск на шлифование с внутренней стороны кольца. При разрезке кольца на п заготовок равной ширины: ( )12 −π=α N n , где N – номер образца от 1 до n. Приведенные на рис. 3 и 4 результаты определения глубины наклепа по изменениям твердости 10HV и условного предела текучести металла наклепанного слоя статистически обработаны по крите- рию Колмогорова [9] и методом малых выборок. Выборки объемом 5 - 10 замеров были взяты с интерва- лом 0,5 мм по глубине от поверхности детали. Однородность механических свойств по глубине провере- на гипотезой равенства дисперсий выборок с помощью критерия Фишера [10]. Однородность дисперсий выборок проверена с помощью критерия Бартлета [11]. Гипотезы равенства и однородности дисперсий выборок всех исследованных образцов подтверждены с вероятностью Р = 0,95. При определении глуби- ны наклепа, оцениваемой по началу изменения 10HV и 2,0σ деформированного слоя, и оценке точности определения его глубины применен нелинейный регрессионный анализ. В качестве линий регрессии взяты функции [12]: mxbxbay 211 ++= и xbxbay lg211 ++= , где у – твердость или предел текучести; х – расстояние точки замера от поверхности детали. Коэффициенты a1, b1, b2 линий регрессии оценивались в соответствии с методом наименьших квадратов [13]. В качестве глубины изменения механических характеристик принята абсцисса точки экстремума линии регрессии (точки сопряжения линии регрессии с горизонталью на уровне исходных механических свойств), для которой рассчитаны доверительные интервалы. Значение абсциссы точки экстремума х0 для случая параболической линии регрессии определится из условия: ( ) ,0121 =+= −mxmbb dx dy .1 2 1 0 − −== m mb b xx (1) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 85 Можно считать, что ( )121 −ξ+= mmbbZ распределяется нормально со средним значением 0=Z и дисперсией: ( ) ( ) ,2 1122222 2121 −− ξ+ξ+= mbb m bbZ mSmSSS так что отношение ZSZ / имеет t-распределение с k = п – 3 степенями свободы [13]. Здесь ξ – теорети- ческая абсцисса максимума; п – число пар значений у и х. С учетом предыдущего запишем неравенство: A S Z Z < , (2) где число А представляет собой двухстороннюю 95 %-ную границу для t-распределения Стью- дента с k степенями свободы [10]. Подставив значения Z и ZS в неравенство (2), получим: ( ) ( ) ( ) A mSmSS mbb m bb m bb m < ξ+ξ+ ξ+ −− − 112222 1 21 2121 2 . (3) а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 86 в Рис. 3 – Механические свойства поверхностного слоя валов, обкатанных торообразными роликами: а – диаметром Dp = 105 мм, с профильным радиусом rp = 10 мм; б – Dp = 105 мм, rp = 18 мм; в – Dp = 105 мм, rp = 100 мм; σВ, σ0,2, δ – свойства в круговом направлении; σ/В, σ/0,2, δ/ – свойства в осевом направлении а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 87 в Рис. 4 – Механические свойства поверхностного слоя валов, обкатанных цилиндрическими роликами: а – диаметром Dp = 5 мм; б – Dp = 12 мм; в – Dp = 32 мм; σВ, σ0,2, δ – свойства в круговом направлении; σ/В, σ/0,2, δ/ – свойства в осевом направлении Решение неравенства (3), приводящее к уравнению 2 (т – 1) степени относительно ξ, дает дове- рительные границы для ξ: ( ) ( ) ( ) ( ) ,022 2221122112222222 1212 =−+ξ−+ξ− −− bmbbmb SAbmSAmbbSmAbm 0 откуда имеем ( ) ( )( ) ( ) 1 222 2 222 1 222 2 22 2121 2 2,1 2 122121− − −−−−±− =ξ m b bbbbbb SAbm SAbSAbSAbbbbSA . (4) Приближенно стандартное отклонение глубины изменения механических свойств с учетом (1) можно рассчитать по формуле [13]: 21 222 2 22 10 21210 1 1 2 1 1 1 1 bb S mmb S mb S x S bbbbx       − −      −       +      −       ≈      или .2 1 1 21 2 2 2 10 21210       −      +      − ≅ bb S b S b S mx S bbbbx (5) Глубина изменения механических характеристик и ее доверительные интервалы для случая ло- гарифмической линии регрессии определяются из выражений ,0 43429,0 21 =+= x bb dx dy .43429,0 1 2 0 b b xx −== (6) Считаем, что ξ += 43429,0 21 bbZ распределяется нормально со средним значением 0=Z и дисперсией . 43429,0 2 43429,0 2121 2 2 222 ξ + ξ += bbbbZ SSSS Решение неравенства ASZ Z 0,05 объясняется тем, что в теории упругости при выводе зависимостей главных напряжений под прямоугольным отпечатком при- менен предельный переход, предполагающий, что в соприкосновении находятся цилиндры неограничен- ной длины. Вероятно, что при вдавливании короткого цилиндрического ролика, для которого b/а = 1, глубина пластической деформации будет незначительно отличаться от расчетной по [15] для сосредото- ченной силы. Различие глубины наклепа, определенной по НV и 2,0σ , обусловлено тем, что при одной и той же степени деформации условный предел текучести возрастает в большей степени, чем твердость, т. е. предел текучести является более чувствительной механической характеристикой для определения глуби- ны пластической деформации, чем твердость. Ранее установленное отношение толщины слоя со сжимающими остаточными напряжениями к глубине наклепа по твердости находится в пределах 1,2 - 1,5 [14], что соответствует значениям коэффи- циента 2,0σ k . Можно считать, что глубина залегания сжимающих напряжений близка глубине наклепа, определенной по пределу текучести. При сравнении результатов расчета глубины наклепа по методикам [14 - 18] и по теории средних касательных напряжений (табл. 1) с результатами экспериментальной ее проверки получены следующие данные. Не обнаружено статистического различия по критерию Стьюдента между глубиной наклепа, рассчитанной по [15], и определенной экспериментально по пределу текучести для случая обкатывания вала торообразными роликами с профильными радиусами 10 и 18 мм, несмотря на то, что для этих слу- чаев приведенная кривизна в контакте мала: соответственно 0,128 и 0,835 мм–1. Нет различия также меж- ду глубиной наклепа по пределу текучести и по расчету в соответствии с теорией средних касательных напряжений для всех торообразных и цилиндрического ролика диаметром 5 мм при b/а< 0,05. Во всех остальных случаях различие существенно. Значительное расхождение результатов расчета по теории средних касательных напряжений [19 - 20] для цилиндрических роликов диаметрами 12,5 и 32 мм при b/а > 0,05 объясняется тем, что в теории упругости при выводе зависимостей главных напряжений под прямоугольным отпечатком при- менен предельный переход, предполагающий, что в соприкосновении находятся цилиндры неограничен- ной длины. Вероятно, что при вдавливании короткого цилиндрического ролика, для которого b/а = 1, глубина пластической деформации будет незначительно отличаться от расчетной по [15] для сосредото- ченной силы. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 90 Отношение глубины наклепа, определенной экспериментально по пределу текучести для прямо- линейного отпечатка, к расчетной глубине обозначим символом цk . Зависимость цk от отношения по- луосей пластического отпечатка b/а показана на рис. 5, б. а б Рис. 5 – Зависимости степени наклепа по твердости от приведенной кривизны (а) и отношения экспериментальной глубины наклепа к теоретической от формы прямолинейного отпечатка (б): b и a – полуоси пластического отпечатка Итак, при обкатывании цилиндрическими роликами большой длины, когда b/а < 0,05, глубину наклепа можно рассчитывать по формулам теории упругости для прямоугольного отпечатка. С умень- шением длины прямолинейной образующей ролика 2а, когда b/а > 0,05, расчетную глубину наклепа не- обходимо умножить на цk Полуширина пластического отпечатка b определяется экспериментально вдавливанием ролика или рассчитывается по ϕ= pDb , в которой угол ϕ в зависимости от требуемого эффекта обкатывания можно принять равным 2,5 или 5°. 3. Исследование микроструктуры упрочненного слоя валов, обкатанных роликами Влияние режимов обкатывания роликами на изменение микроструктуры обрабатываемых ме- таллов (валов из стали 40 после нормализации, имеющей перлитно-ферритную структуру) исследовано при обкатывании цилиндрическими роликами малого диаметра и торообразными роликами. На девяти образцах с различной степенью деформации (табл. 3) измерялась микротвердость структурных состав- ляющих в поперечном сечении обкатанного вала [21]. Таблица 3 Микротвердость образцов из стали 40, обкатанных роликами с усилием 50 кН № о бр аз ца Расстояние среднего сечения от поверхности вала, мм Форма ролика рD , мм pr , мм срϕ *, град 1105 −⋅HV , МПа HV HV 5 5∆ , % 110 −µ ⋅H , МПа µ µ∆ H H , % 1 0,42 Тор 105 10 13 232 135 105/140 123/100 2 2,59 - - - - 208 121 90/136 106/100 3 4,49 - - - - 190 110 85/140 100/100 4 7,72 - - - - 183 106 85/138 100/100 5 16,42 - - - - 172 100 85/140 100/100 6 0,36 - - 100 3 216 127 85/140 100/100 7 16,27 - - - - 170 100 85/136 100/100 8 0,21 Цилиндр рl = 25 мм 5 - 7 278 162 119/180 140/128 9 16,25 - - - - 170 100 85/136 100/100 Примечание. Перед чертой приведены значения для феррита, после черты – для перлита, при на- грузке 0,40 Н. * срϕ – средний угол вдавливания ролика, 2 ba сp ϕ+ϕ =ϕ , где aϕ , bϕ – углы вдавливания ро- лика соответственно в осевом и поперечном сечениях обкатываемого вала. Образцы 1 - 7 вырезаны на различных расстояниях от поверхности из вала, обкатанного торооб- разными роликами с радиусами профиля 10 и 100 мм, остальные – с поверхности вала, обкатанного PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 91 игольчатым роликом. Замеры микротвердости показали небольшие изменения твердости феррита и лишь у наиболее деформированного образца 8 заметно повысилась твердость перлитных зерен. Дополнитель- ные замеры твердости по Виккерсу (при нагрузке 50 Н) на этих образцах подтвердили характер измене- ния твердости, приведенный на рис. 4, в. Опыты показали, что при обкатывании в первую очередь уп- рочняются границы зерен. Микроструктура образцов, изготовленных из различных валов, до поверхностного наклепа была одинаковой. Она состояла из перлитных зерен, окруженных доэвтектоидным ферритом (рис. 6, а). После обкатывания пятимиллиметровым роликом ферритные и перлитные зерна значительно вытянуты в на- правлении качения ролика вследствие большой кривизны ролика в плоскости его качения и наличия большой силы трения ролика о неподвижный стальной сепаратор (рис. 6, б). а б Рис. 6 – Микроструктура образцов, 9 (а) и 8 (б) из нормализованной стали 40 (х 300) (номера образцов в табл. 3) Электронно-микроскопические исследования, проведенные с помощью микроскопа УЭМВ-100К на тонких фольгах (окончательное утонение пластин до толщины, прозрачной для электронов, проводи- ли по методике, описанной в работе [22]), приготовленных из образцов, вырезанных на разных расстоя- ниях от поверхности (табл. 3) и утоненных до толщины, прозрачной для электронов, по методике, опи- санной в работе [19], показали, что перлит имеет вид чередующихся темных полос цементита и более светлого феррита (рис. 7). Пластины цементита в образцах 4 и 5, наиболее удаленных от поверхности, в основном прямые, среднее расстояние между ними составляет 0,30 - 0,35 мкм. Изгиб и разрыв цементит- ных пластин происходит у границ субзерен. Ферритные пластины перлита не содержат дислокаций, лишь на отдельных участках наблюдаются единичные дислокации на поверхности раздела феррит- цементит. Ферритные зерна в этих же образцах ограничены плоскими прямыми границами. Внутри зерен присутствует трехмерная сетка дислокаций невысокой плотности (рис. 7, а). Эта микроструктура возник- ла при нормализации исходного металла, хотя в образце 4 на глубине 7,7 мм обнаружен уже некоторый прирост твердости. При рассмотрении микроструктуры слоев, расположенных ближе к поверхности, необходимо отметить возрастание плотности дислокаций в феррите. В образце 2 сетка дислокаций располагается по всему объему ферритных прослоек перлита. Такие участки встречаются и в образце 3 (рис. 7, б), хотя в большинстве случаев обнаруживается определенный контраст (стрелки). Внутри ферритных зерен в об- разце 2 начинает формироваться ячеистая структура, состоящая из стенок с высокой плотностью дисло- каций, окружающих области, сравнительно свободные от дислокаций. Плотность дефектов в избыточном феррите примерно на порядок выше, чем в феррите эвтектоида (перлита). Микроструктура образца 1, наиболее близко расположенного к поверхности, показана на рис. 7, в, г. Количество дефектов в феррите возросло, а изменений в строении цементитных пластин не обнаружено. В ферритных пластинках перлита (рис. 7, г) плотность дислокаций по-прежнему меньше, чем в избыточном феррите и не наблюдается признаков ячеистой структуры. В зернах феррита, (рис. 7, в) сформировалась четко выраженная ячеистая структура со значительными разориентировками по границам ячеек, о чем свидетельствует появление азимутального размытия рефлексов на электроно- граммах, полученных с этих участков. Сталь образца 8, вырезанного из вала, обкатанного игольчатым роликом, подверглась наиболь- шей деформации, о чем можно судить по данным твердости, 2,0σ , Вσ вытянутости зерен (рис. 4, в и 7, б). На электронных микрофотографиях микроструктуры наблюдается изгиб цементитных пластин. От- носительно редко видны их разрыв и образование вытянутых областей, длиной 1,5 мкм, ограниченных изогнутыми пластинками и скоплениями дислокаций (рис. 7, д). В местах разрыва цементитных пластин наблюдаются скопления дислокаций. В зернах избыточного феррита (рис. 7, е) видна хорошо развитая субструктура, причем средний размер ячеек составляет 6,4 мкм в сравнении с 0,7 мкм в образце 1. При PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 92 этом границы ячеек образованы более сложными и плотными переплетениями дислокаций, создающими значительные резориентировки. На девяти образцах с различной степенью деформации измерена микро- твердость структурных составляющих в поперечном сечении обкатанных валов, приведенная в табл. 3. а б в г д е ж з Рис. 7 – Микроэлектроннографическая структура образцов, вырезанного с поверхности вала (нормализованная сталь 40), обкатанного торообразным и игольчатым роликами (электронный микроскоп, тонкая фольга): а – избыточный феррит, х35000 (образец № 4); б – перлит, х25000 (образец № 3); в – избыточный феррит, х35000 (образец № 1); г – перлит, х35000 (образец № 1); д – перлит, х15000 (образец № 8); е – избыточный феррит, х20000 (образец № 8); ж – феррит, х18000 (образец № 2); з – перлит, х20000 (образец № 2) (номера образцов в табл. 3) Исследование механических свойств и микроструктуры образцов, вырезанных из различных по глубине сечений вала, показало, что обкатывание валов с усилием 50,0 кН приводит к наклепу поверхно- стных слоев на глубину порядка 8 мм при торообразной форме роликов и на глубину 3 - 6 мм при цилин- дрической форме последних, имеющих линейный контакт с деталью. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 93 Из двух структурных составляющих стали феррита и перлита первым воспринимает пластиче- скую деформацию более мягкий феррит. Это приводит к формированию в зернах избыточного феррита ячеистой структуры, в которой плотность дислокаций и микроразориентировки по зерну возрастают по мере приближения к поверхности вала. В феррите эвтектоида плотность дислокаций значительно мень- ше, чем в зернах избыточного феррита, и не возникает ячеистой структуры. Это объясняется затруднени- ем прохождения пластической деформации в узких прослойках феррита, окруженных значительно более твердым цементитом. При этом плоскости легкого скольжения в феррите находятся под большим углом к пластинам цементита, что вытекает из ориентационного соотношения этих двух фаз. Возникновение дислокаций в ферритных прослойках перлита происходит у поверхности раздела феррит-цементит, что согласуется с выводом о том, что основным источником дислокаций являются границы [23]. При относительно небольших деформациях, которые достигались при обкатывании поверхности вала роликом торообразного профиля, не найдено признаков деформации цементитных пластин, по крайней мере их форма не изменяется. Контраст внутри цементитных пластин, обнаруженный при ис- следовании ряда образцов, не удается однозначно толковать как дефекты кристаллического строения, подобные тем, которые обнаружены другими исследователями в экстрагированном цементите. Такой контраст в двухфазной фольге может быть связан с проекцией накладывающихся решеток цементита и феррита. При обкатывании вала игольчатым роликом достигается больший поверхностный наклеп, чем при обкатывании торообразным роликом. Такая деформация приводит к вытягиванию перлитных зерен, особенно тех, у которых пластины расположены под небольшим углом к направлению деформации. Из- гиб, а иногда и дробление цементита, очевидно, происходит на участках, в которых полосы скольжения феррита располагаются поперек цементитных пластин. Аналогичная структура присуща перлиту после больших степеней деформации, например, при волочении проволоки. Даже при наиболее интенсивном поверхностном наклепе, после обкатывания игольчатым роликом, обнаружено сравнительно немного об- ластей, где происходило разрушение цементитных пластин. Как показали электронно-графические исследования, упрочнение поверхностных слоев при об- катывании валов роликом в основном связано с возникновением дислокационных ячеек в структуре зе- рен избыточного феррита. Меньшую деформацию испытывают ферритные пластины перлита. Деформа- ции цементитных пластин при обкатывании торообразными роликами не обнаружено. Увеличение степени наклепа при обкатывании игольчатым роликом проявляется в большей плотности дислокаций и уменьшении размера ячеек в субструктуре ферритных зерен, а также в более густой сетке дислокаций в ферритных пластинах перлита. В отдельных районах происходит изгиб и раз- лом цементитных пластин, что свидетельствует о предельной степени пластической деформации поверх- ностного слоя. Это подтверждается началом шелушения поверхности, обкатанной пятимиллиметровым роликом. 4. Выводы 1. Предел текучести наклепанного слоя возрастает в большей степени, чем твердость (100 - 130 % против 20 - 60 %). Благодаря этому по изменению текучести более четко определяется граница деформи- рованного слоя. Применение для обкатывания цилиндрических игольчатых роликов малого диаметра приводит к резкому повышению степени деформации в тонком поверхностном слое, фиксируемой на оп- тических микрофотографиях по вытягиванию зерен в направлении обкатывания. 2. Точность определения границы наклепанного слоя методом регрессионного анализа по ре- зультатам замеров условного предела текучести в два раза выше, чем по замерам твердости, определяе- мой методом Виккерса. 95 %-ные доверительные интервалы для глубины наклепа, рассчитанные по ре- зультатам замеров условного предела текучести, составляют 11 - 36 % глубины наклепа, а по измерениям твердости 32 - 75 %. 3. Глубина наклепа, определяемая по изменениям условного предела текучести, 25 - 50 % боль- ше глубины, определяемой по измерениям твердости по Виккерсу. Различие возрастает с уменьшением степени наклепа. 4. Глубина наклепа по условному пределу текучести для круговых и близким к ним отпечатков (b/a ≤ 2) соответствует расчетной по С.Г. Хейфецу даже при довольно малой приведенной кривизне кон- такта ролика с деталью (k = 0,0835 мм–1). 5. Как показало электронно-графическое исследование, упрочнение поверхностных слоев при обкатывании валов роликом в основном связанно с возникновением дислокационных ячеек в структуре зерен избыточного феррита. Меньшую деформацию испытывают ферритные пластины перлита. Дефор- мации цементитных пластин при обкатывании торообразными роликами не обнаружено. 6. Увеличение степени наклепа при обкатывании игольчатым роликом проявляется в большей плотности дислокаций и уменьшении размера ячеек в субструктуре ферритных зерен, а также в более PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование физико-механических свойств поверхностного слоя валов, обкатанных роликами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 94 густой сетке дислокаций в ферритных пластинах перлита. В отдельных участках происходит изгиб и раз- лом цементитных пластин, что свидетельствует о предельной степени пластической деформации поверх- ностного слоя. Это подтверждается началом шелушения поверхности, обкатанной пятимиллиметровым роликом. Литература 1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием / Л.Г. Одинцов. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с. 2. Власов В. М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей / В. М. Власов. – М.: Машиностроение, 1987. – 304 с. 3. Гаркунов Д. Н. Триботехника / Д. Н. Гаркунов. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с. 4. Фролов К. В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения / К. В. Фролов. – М.: Машиностроение, 1984. – 224 с. 5. Бутаков Б. И. Основные принципы технологии импульсного и малоскоростного воздействия на структуру и свойства металлов и сплавов: дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук: 05.02.01 / Бутаков Б. И. – К., 1992. – 533 с. 6. Бутаков Б. И. Оценка точности определения глубины наклепа при поверхностном пластиче- ском деформировании / Б. И. Бутаков // Вестник машиностроения. – 1982. – № 11. – С. 22–24. 7. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов / Я. Б. Фридман. – М. : Оборонгиз, 1952. – 556 с. 8. Кобрин М. М. Эпюры остаточные напряжений при контактной и контактно-сдвиговой схеме поверхностного пластического деформирования / М. М. Кобрин // Вестн. машиностроения. – 1963. – № 1. – С. 56-60. 9. Солонин И. С. Математическая статистика в технологии машиностроения / И. С. Солонин. – М. : Машиностроение, 1972. – 216 с. 10. Смирнов Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики / Н. В. Смирнов, И. В. Дунин-Борковский – М. : Наука, 1969. – 512 с. 11. Степнов М. Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний / М. Н. Степ- нов. – М.: Машиностроение, 1972. – 232 с. 12. Бутаков Б. И. Статистическая оценка точности определения глубины изменения механиче- ских свойств упрочненного поверхностного слоя / Б. И. Бутаков // Оборудование и технологии высоко- вольтного разряда в жидкости. – К.: Наук. думка, 1987. – С. 48-53. 13. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями / А. Хальд – М. : Изд-во иностр. литературы, 1956. – 664 с. 14. Браславский В. М. Технология обкатки крупных деталей роликами / В. М. Браславский. – М.: Машиностроение, 1975. – 160 с. 15. Хейфец С. Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя при обкатке роликами стальных деталей / С. Г. Хейфец // Сб. ЦНИИТМАШа. – М.: Машгиз, 1952. – кн. 49. – С. 7-17. 16. Кудрявцев И.В. Влияние кривизны поверхностей на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом / И.В. Кудрявцев, Г.Е. Петушков // Вестник машинострое- ния. – 1966. – № 7. – С. 41-43. 17. Дрозд М.С. Расчет глубины распространения пластической деформации в зоне контакта тел произвольной кривизны / М.С. Дрозд, А.В. Федоров, Ю.И. Сидякин // Вестник машиностроения. – 1972. – № 1. – С. 54-57. 18. Черный А.Г. Исследование зависимости пределов выносливости упрочненных валов от ха- рактеристик поверхностного пластически деформированного слоя и параметров процессов упрочнения: дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук: 05.02.01 / Черный А. Г. – М., 1971. – 215 с. 19. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник в 3-х томах. Т. 2. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко – М.: Машиностроение, 1968. – 463 с. 20. Беляев Н. М. Местные напряжения при сжатии упругих тел / Н. М. Беляев // Инженерные со- оружения и строительная механика. – Л., 1924. – С. 20-32. 21. Браславский В. М. Исследование поверхностного слоя валов, упрочненных обкаткой ролика- ми / В. М. Браславский, Б. И. Бутаков, Б. И. Гольдштейн и др. // Пр-во крупных машин. Технология ме- ханической обработки и сборки. – 1975. – Вып. XXV. – С. 162-170. 22. Гольдштейн М. И. Исследование отпуска закаленного железа / М. И. Гольдштейн, В. М. Фар- бер // Физика металлов и металловедение. – 1963. – 25, вып. 1. – С. 94-96. 23. Орлов Л. Г. Деформация поликристаллического железа у предела текучести / Л. Г. Орлов // Физика твердого тела. – 1967. – № 8. – С. 23-34. Надійшла 25.01.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com