6 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали , Шевеля В.В., * ** Купец Б., * Coкoлaн Ю.C., ** * Жешувская политехника, г. Жешув, Польша, ** Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина E-mail: sokolan.julia@gmail.com СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И АКУСТИКО - ЭМИССИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННОЙ СТАЛИ УДК 621.891 Исследовано влияние нагрузочно-скоростных режимов скрэтч-тестирования на трибологические показате- ли и реологические свойства контакта с одновременной регистрацией акустической эмиссии после термического уп- рочнения стали при электродуговом оплавлении с последующей быстрой кристаллизацией. Показано, что акустико- эмиссионная активность, как показатель релаксационной способности, при определенных скоростях склерометриро- вания формирует максимумы. Обсуждаются механизмы изменения акустической эмиссии и показателя упругого по- следействия при сравнении стали в исходном состоянии и после упрочнения. Ключевые слова: скрэтч - анализ, склерометрия, акустическая эмиссия, износостойкость, коэффициент трения, термическое упрочнение, упругое последействие, оплавление, кристаллизация, дислокации. Введение Современная склерометрия (скрэтч - тестирование), традиционно являясь методом определения поверхностной прочности конструкционных материалов, позволяет также оценивать их вязкоупругие свойства и акустико-эмиссионную активность в условиях динамического контактного нагружения. При невысоких контактных нагрузках на сканирующий конический индентор наблюдаемые закономерности изменения трибологических и акустических параметров моделируют локальные процессы контактного взаимодействия поверхностей при обычном трении скольжения. Ранее в работах [1, 2] этим методом были изучены возможности тепловой обработки металличе- ских поверхностей электродуговой плазмой для повышения сопротивления износу (метод GTAW). Ис- пользование концентрированного теплового потока большой мощности позволяет локально оплавлять поверхность, а при эффективном теплоотводе быстрая кристаллизация металла обеспечивает повышение поверхностной прочности. Выяснилось, что для корректной интерпретации данных скрэтч-анализа сле- дует учитывать влияние режимов склерометрирования на регистрируемые характеристики. В противном случае можно получить противоречивые результаты измерений. Так, в работе [1] скрэтч - тестирование шлифов с поверхности оплавления чугуна показало ано- мально высокую акустико - эмиссионную активность зоны тепловой обработки, несмотря на низкий ко- эффициент трения и небольшую глубину внедрения индентора по сравнению с неупрочненным метал- лом (режимы скрэтч - сканирования: FN = 10, 20 Н; vS = 10 мм/мин). Интенсивность акустической эмиссии, вызываемой склерометрированием металлической по- верхности, рассматривалась как показатель релаксационной (диссипативной) способности металла. С другой стороны, в работе [2] склерометрический анализ поперечных шлифов зоны теплового упрочнения стали (режим сканирования: FN = 40 Н; vS = 4 мм/мин) показал противоположную картину: зона оплавления с последующей быстрой кристаллизацией, в отличие от исходной структуры, не прояв- ляла акустико-эмиссионную активность. Последующие исследования [3] влияния традиционной термообработки стали и внешнего трения на показатели скрэтч-тестирования свидетельствовали о том, что интенсивность акустической эмиссии, а также ее локализация по глубине зависят от режима термообработки, нагрузки на индентор и скорости сканирования изучаемой поверхности. Поэтому была поставлена задача более детально исследовать влияние нагрузочно-скоростных режимов склерометрирования стали, упрочненной электродуговой плазмой, на показатели, характери- зующие прочностные, вязкоупругие и релаксационные свойства исследуемой поверхности. Материал и методика исследований Исследовалась малоуглеродистая сталь 20 в форме плиток (200 × 50 × 10 мм), на поверхности которых плазмой электрической дуги осуществлялось зональное оплавление в защитной атмосфере ар- гона с применением неплавящегося вольфрамового электрода [1, 2]. Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 7 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали Сила тока дуги I = 100 А, скорость сканирования поверхности электрической дугой vе = 200, 400, 600, 800 мм/мин. Для быстрого отвода теплоты из зоны оплавления и ускорения процесса кристал- лизации исследуемая плитка закреплялась в качестве крышки проточного калориметра так, что нижняя ее поверхность омывалась охлаждающим потоком воды. Трибопрочностные (склерометрические) и акустико-эмиссионные свойства приповерхностных слоев исследовались на скрэтч-тестере RST (Revetest Scratch Tester) фирмы CSM Instruments (Швейца- рия). При скрэтч - тестировании регистрировались: нормальная нагрузка на алмазный индентор Роквелла (FN), склерометрические сила (Ft) коэффициент трения (µ), текущая (Р) и остаточная (R) глубины вне- дрения индентора, скорость перемещения образца относительно индентора (vS), а также акустическая эмиссия (А). На рис. 1 показаны направления трасс сканирования зоны оплавления на шлифах, выполненных с поверхности оплавления (шлифы I типа, трасса 1 - 1), и на поперечных шлифах (шлифы II типа, трасса 2 - 2). Здесь же показан принцип изготовления образцов для исследования интенсивности изнашивания упрочненного материала. Рис. 1 – Направления трасс скрэтч-сканирования (1 - 1 и 2 - 2) на шлифах зоны оплавления с быстрой кристаллизацией и способ изготовления образцов для триботехнических испытаний Триботехнические испытания на износостойкость проводились по схеме «палец-диск»: в машине трения образец, вырезанный из зоны оплавления, прижимался с контролируемым усилием к поверхности вращающегося диска, изготовленного из белого чугуна (60HRC). Износостойкость стали оценивалась безразмерной величиной, рассчитываемой по формуле: K A L , (1) m где ρ – плотность стали, кг/м 3 ; А – площадь контакта, м 2 ; L – путь трения, м; m – убыль массы образца, кг. Результаты исследования и их обсуждение Эффективность поверхностного упрочнения электродуговой плазмой зависит от параметров процесса оплавления – от скорости сканирования электрической дугой, и, в меньшей степени, от силы тока [1, 2]. Так, увеличение скорости сканирования до 600 - 800 мм/мин повышает износостойкость стали после оплавле-ния и быстрой кристаллизации почти на порядок (рис. 2). В то же время микротвердость возросла лишь в 4 раза (в исходном состоя-нии HV0,05 = 140, а после упрочнения HV0,05 = 580). Это свидетель-ствует о том, что сопротивление износу металлов при трении оп-ределяется не только исходной твердостью, но и способностью структуры к релаксации пиковых напряжений с одновременным упрочнением непосредственно в процессе динамического контакт- Рис. 2 – Зависимость износостойкости стали от скорости сканирования электрической дугой (I = 100 A): FN = 1 МПа; vt = 1,6 м/сек ного нагружения. После поверхностной тепловой обработки формируется феррито-бейнитная ориентированная гетерогенная структура (ре- ечный бейнит + игольчатый феррит), свойства которой изучались методом склерометрирования (скрэтч-анализа) с учетом влияния на результаты измерения нагрузочно-скоростных параметров тес- тирования. На первом этапе исследовалось влияние на показатели тестирования скорости скрэтч- сканирования упрочненной зоны в диапазоне значений vS = 5÷40 мм/мин, при нормальных нагрузках на Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 8 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали индентор в диапазоне значений FN = 5÷20 Н. Примеры скрэтч - диаграмм для двух нагрузок (FN = 10, 20 Н) приведены на рис. 3 (шлифы I типа: трасса 1 - 1). а д б е в ж г з Рис. 3 – Влияние скорости сканирования vS и нормальной нагрузки FN на показатели скрэтч - тестирования термически упрочненной зоны (I = 100 А, vе = 600 мм/мин): а - г – FN = 10 Н; д - з – FN = 20 Н; направление сканирования 1 - 1: FN – нагрузка на индентор, Н; Ft – сила трения, Н; µ – коэффициент трения; P, R – соответственно, текущая и остаточная глубины внедрения индентора, мкм; А – акустическая эмиссия, % Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 9 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали После количественной обработки таких диаграмм получены зависимости интенсивности акусти- ческой эмиссии А от скорости скрэтч-сканирования vS (рис. 4) и от нормальной нагрузки на индентор FN (рис. 5). Интенсивность акустической эмиссии оценивалась по площади под кривой, характеризующей сигнал акустической эмиссии. Рис. 4 – Зависимость акустико-эмиссионной активности зоны термического упрочнения от скорости скрэтч-тестирования: 1, 2, 3, 4 – соответственно; FN = 5, 10, 15, 20 Н Рис. 5 – Зависимость акустико - эмиссионной активности зоны термического упрочнения от нагрузки на индентор: 1, 2, 3, 4 – соответственно; vS = 40, 30, 20, 10 мм/мин Из полученных данных вытекают следующие выводы. 1. С повышением скорости скрэтч - сканирования в указанном диапазоне значений растет аку- стико-эмиссионная активность зоны упрочнения стали – в тем большей степени, чем ниже контактная нагрузка на индентор (рис. 4). 2. При малой скорости сканирования (vS < 5 мм/мин) акустическая эмиссия термически упроч- ненной зоны стремится к нулю. 3. С повышением нагрузки на индентор, несмотря на рост глубины его внедрения и увеличение силы трения, уровень акустической эмиссии снижается, причем интенсивность такого снижения возрас- тает с увеличением скорости склерометрирования (рис. 5). 4. При нагрузках на индентор более 30 - 40 Н независимо от скорости склерометрирования аку- стико-эмиссионная активность упрочненной стали стремится к нулю. Обработка результатов измерений методом наименьших квадратов с помощью программы «Sta- tistica» позволила трехмерно представить изучаемые зависимости (рис. 6), а также получить уравнение регрессии в следующем виде: Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 10 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали А = –2,1168 + 0,6217∙vS – 0,0249∙FN + 0,0086∙vS 2 – 0,0455∙vS∙FN + 0,0114 FN 2 . (2) Рис. 6 – Влияние скорости скрэтч - сканирования и нормальной нагрузки на акустико - эмиссионную активность термически упрочненной зоны Скорость скрэтч - сканирования практически не влияла на акустико-эмиссионную активность стали вне зоны оплавления. Эта активность во всех случаях приближалась к нулю, если нагрузка на ин- дентор не превышала 35 - 40 Н. При более высоких нагрузках индентор погружался на глубину, при ко- торой пластическая деформация и предельный механический наклеп сопровождались возникновением микронесплошностей, вызывая акустическую эмиссию. Исходя из этого, становятся понятными резуль- таты скрэтч-анализа поперечных шлифов II типа (трасса 2 - 2, рис. 1), приведенные на рис. 7. а б Рис. 7 – Влияние нагруженности индентора при скрэтч - тестировании (шлиф II типа, трасса 2 - 2) на акустико - эмиссионную активность стали в зоне оплавления (1) и вне этой зоны (2) при vS = 4 мм/мин: а – FN = 20 Н; б – FN = 40 Н Видно, что при малой скорости сканирования (vS = 4 мм/мин) и высокой нагрузке на индентор (FN = 40 Н) акустико - эмиссионная активность зоны упрочнения и прилегающих неупрочненных облас- тей имеет характер, противоположный тому, который обсуждался выше. Это связано с изменением ме- ханизма возникновения акустической эмиссии: при механическом наклепе, вызываемом высокой нагруз- кой, сталь вне зоны упрочнения охрупчивается и основным процессом релаксации напряжений стано- вится образование релаксационных микротрещин, рост которых становится основным источником аку- стической эмиссии. Из выполненных исследований (рис. 3) вытекают также дополнительные закономерности, ка- сающиеся показателя упругого последействия, который рассчитывался по формуле: S P R 100 % . (3) P Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 11 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали 1. С повышением скорости сканирования упрочненной зоны при практически не изменяющейся силе трения (для данной нагрузки FN = const) имеет место некоторое снижение показателя упругого по- следействия So в диапазоне малых нагрузок (менее 20 Н) с последующей стабилизацией его значений (рис. 8). 2. С повышением нормальной нагрузки FN при росте силы трения Ft показатели упругого после- действия как упрочненной зоны (So), так и области вне этой зоны (SW) снижаются (рис. 9), причем зна- чения So значительно превышают SW. Эта разница возрастает с уменьшением нормальной нагрузки FN. Рис. 8 – Влияние скорости скрэтч-сканирования vS на показатель упругого последействия So: 1, 2, 3, 4 – соответственно, FN = 5, 10, 15, 20 Н Рис. 9 – Влияние нормальной нагрузки FN при скрэтч - сканировании на силу трения Ft, а также на показатели упругого последействия в зоне упрочнения So и вне этой зоны SW при vS = 30 мм/мин Рис. 10 и соответствующее уравнение регрессии (4) дают трехмерное представление о зависимо- сти показателя упругого последействия упрочненной зоны от нагрузочно - скоростных условий склеро- метрирования. So = 94,9595 – 0,8243∙vS – 3,0141∙FN + 0,0145∙vS 2 – 0,0057∙vS∙FN – 0,014 FN 2 (4) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 12 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали Таким образом, склерометрическая сила трения и упругое последействие слабо зависят от скоро- сти сканирования vS, но сильно зависят от нагрузки на индентор FN. В то же время акустико- эмиссионная активность А сильно зависит и от vS, и от FN. Нагрузочные зависимости акустической эмиссии и показателя упругого последействия термически упрочненной зоны имеют одинаковый харак- тер, свидетельствуя о связи между ними. Высокий уровень акустической эмиссии имеет место тогда, ко- гда в процессе трения сохраняется высокая степень упругого восстановления, а пластическая деформа- ция не подавляет работу источников дислокаций. Механизмы возникновения акустической эмиссии, как проявление релаксационных процессов при трении стали, термически упрочненной, и структуры нормализации за пределами зоны оплавления имеют разную природу. Учитывая высокую акустико-эмиссионную активность изучаемой зоны упрочнения при неболь- ших нагрузках на индентор, было исследовано влияние на показатели скрэтч - тестирования скорости сканирования в более широком диапазоне значений: от 5 до 400 мм/мин при нагрузках 5 и 10 Н. Пример такого тестирования для FN = 5 Н показан на рис. 11. Рис. 10 – Зависимость показателя упругого последействия So в зоне термического упрочнения стали от скорости скрэтч - сканирования vS и нагрузки на индентор FN Установлено, что при определенных скоростях скрэтч-сканирования формируются максимумы акустической эмиссии (рис. 12): вблизи vS = 40 мм/мин (FN = 5 Н) и vS = 50 мм/мин (FN = 10 Н). Следо- вательно, при указанных нагрузочно-скоростных и температурных режимах трения реализуются наибо- лее благоприятные условия для развития локальных релаксационных процессов, обусловленных энерге- тической перестройкой микроструктуры. Акустическая эмиссия вызывается не только разрывом атомных связей и разрушением структу- ры (например, при образовании релаксационных микротрещин), но и динамической локальной пере- стройкой структуры, сопровождающейся релаксацией внутренних напряжений с высвобождением энер- гии в виде упругих волн [4, 6]. Релаксируют обычно напряжения, сконцентрированные в зонах анизотро- пии и структурной неоднородности. Это, например, происходит при: - отрыве дислокационных петель от точек закрепления; - дискретных динамических процессах преодоления скоплениями дислокаций различных пре- пятствий, что сопровождается быстрым локальным сдвигом; - двойниковании, которое, как правило, происходит с большой скоростью, способствуя релакса- ции напряжений. Указанным процессам способствуют метастабильность и дисперсность структуры (внутренний фактор), а также соответствующие температурно - скоростные условия контактного взаимодействия, обусловленные внешними факторами. Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 13 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали а д б е в ж г з Рис. 11 – Влияние скорости сканирования vS на показатели скрэтч - тестирования термически упрочненной зоны при FN = 5 Н (шлифы I типа, трасса 1 - 1): а - з – соответственно vS = 5, 10, 30, 50, 75, 100, 200, 400 мм/мин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 14 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали Рис. 12 – Влияние скорости скрэтч-сканирования на акустико-эмиссионную активность термически упрочненной зоны: 1 – FN = 5 Н; 2 – FN = 10 Н Выводы 1. Износостойкость стали после термического упрочнения плазмой электрической дуги растет в 2,5 раза быстрее роста твердости материала, что свидетельствует о необходимости учета релаксацион- ных свойств металла при трении. 2. Для термически упрочненной стали характерна высокая акустико-эмиссионная активность (АЭА), которая, являясь показателем триборелаксационной способности металла, в свою очередь, зави- сит от нагрузочно-скоростного режима контактного взаимодействия при скрэтч-тестировании. 3. С повышением нагрузки на индентор уровень АЭА в зоне упрочнения снижается, причем ин- тенсивность такого снижения возрастает с увеличением скорости сканирования. Подобным образом из- меняется и показатель упругого последействия, свидетельствуя об ухудшении релаксационных свойств материала после воздействия на исследуемую поверхность повышенных контактных нагрузок. Сталь не- упрочненная, наоборот, проявляет АЭА только при больших нагрузках на индентор (FN = 40, 50 Н), что связано с возникновением релаксационных микротрещин при охрупчивании вследствие наклепа. 4. АЭА упрочненной стали, как релаксационный показатель, при определенных скоростях ска- нирования vS (зависящих от нагрузки в контакте) формирует максимумы значений: при vS < 5 мм/мин АЭА стремится к нулю, при повышении vS до 40 - 50 мм/мин АЭА существенно возрастает, а при даль- нейшем росте vS (до 400 мм/мин) АЭА монотонно спадает (FN = 5 Н). 5. Выполненное скрэтч-тестирование, являясь модельной реализацией контактного взаимодейст- вия поверхностей в условиях трения скольжения, свидетельствует о том, что при данной контактной на- грузке существует определенная скорость трения, вызывающая такую частоту вибрации и температуру в контакте, при которых проявляется максимальная эффективность динамической структурной перестрой- ки, контролирующей релаксационные (диссипативные) процессы, часто приводящие к упрочнению. Литература 1. Шевеля В.В., Трытек А.С., Калда Г.С. Влияние электродуговой обработки на структуру и из- носостойкость чугуна // Проблемы трибологии. – 2009. – № 2. – С. 6-12. 2. Шевеля В.В., Трытек А.С., Соколан Ю.С. Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации // Проблемы трибологии. – 2011. – № 3. – С. 6-12. 3. Шевеля В.В., Олександренко В.П., Трытек А.С., Соколан Ю.С. Скрэтч-анализ формирования подповерхностных слоев при трении термообработанной стали // Проблемы трибологии. – 2015. – № 2. – С. 6-18. 4. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Изд. стандартов, 1976. – 272 с. 5. Новиков Н.В., Вайнберг В.Е. О физической природе акустической эмиссии при деформирова- нии металлических материалов // Проблемы прочности. – 1977. – № 12. – С. 65-69. 6. Свириденок А.И., Мышкин Н.К., Калмыкова Т.Ф., Холодилов О.В. Акустические и электриче- ские методы в триботехнике. – Минск: «Наука и техника», 1987. – 280 с. Поступила в редакцію 14.12.2015 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 15 Склерометрические показатели и акустико - эмиссионная активность термически упрочненной стали Shevelya V.V., Kupiec B., Sokolan J.S., Kalda G.S. Sclerometric characteristics and acoustic-emissive activity of thermal strengthened steel. Effect of load and velocity scratch-testing regimes on tribological characteristics and rheological properties of con- tact with simultaneous acoustic emission registration after steel thermal strengthening by electroarc flashing with following fast crystallization was researched. It is shown, that acustic-emission activity as indicator of relaxational ability on certain conditions of scratch-testing forms maximums. Mechanisms of acoustic emission changing and indicator of elastic aftereffect of steel in comparison with steel after thermal strengthening are discussed. Keywords: scratch - testing, acoustic emission, wear resistance, friction coefficient, thermal strengthening, elastic aftereffect, flashing, crystallization, dislocations. References 1. Shevelya V.V., Trytek A.S., Kalda G.S. Influence of electroarc treatment on structure and wear resis- tance of cast iron. Problems of tribology, 2009, № 2. p. 6-12. 2. Shevelya V.V., Trytek A.S., Sokolan J.S. Surface strengthening of hypoeutectoid steel provided by fast crystallization. Problems of Tribology, 2011, № 3. p. 6-12. 3. Shevelya V.V., Oleksandrenko V.P., Trytek A.S., Sokolan J.S. Scratch-analysis of subsurface layers formation provided by friction of thermal treated steel. Problems of Tribology, 2015, № 2. p. 6-18. 4. Greshnikov V.A., Drobot Yu.B. Acoustic emission. М.: Pub. of standards, 1976. 272 p. 5. Novikov N.V., Vinberg V.E. About physical nature of acoustic emission during deformation of me- tallic materials. Problems of strength, 1977, № 12. p. 65-69. 6. Sviridenyuk A.I., Myshkin N.K., Kalmykova T.F., Cholodilov O.V. Acoustic and electric methods in tribotechnics. Minsk: “Science and engineering”, 1987. 280 p. Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1