Роль поверхностного слоя в деформационном поведении, повышении технологических характеристик материалов

и повышение их эксплуатационных свойств, а также технологических характеристик материалов (заготовок) для их производства недорогими и эффективными методами.
Задачи исследования:
– проанализировать влияние механической (шлифование, механическое и электрохимическое полирование), химико-термической (цементация, азотирование), ионно-плазменной обработок и эпиламирования на поведение и механические свойства стандартных образцов из конструкционных сталей при разных видах нагружения, а также определить зависимость их изменений от генезиса поверхностного модифицированного слоя;
¬ установить роль масштабного фактора и вклад поверхностного слоя в изменение механических характеристик изделия;
– изучить возможность использования ионной бомбардировки (ИБ) и эпиламирования (ЭП) для улучшения технологической пластичности листовых сталей и заготовок из них;
– определить характер структуры слоя, модифицированного ИБ, выявить наиболее важные факторы, ответственные за изменение свойств изделий, и предложить объяснение их влияния на поведение изделий при деформации;
– на основе проведенных исследований предложить эффективные методы повышения эксплуатационных свойств изделий и технологических характеристик материалов заготовок, которые получают холодной штамповкой, а также провести их промышленное опробование.
Объект исследования – процессы структурообразования в поверхностном слое, модифицированном различными методами.
Предмет исследования – улучшение эксплуатационных характеристик изделий и технологических свойств материалов для их изготовления путем изменения состояния поверхностного слоя.

механических и технологических испытаний

Вклад модифицированного поверхностного слоя в общее изменение свойств

Повышение эксплуатационных свойств изделий и технологических характеристик материалов (заготовок) для их изготовления

Цилиндрические Ø5 мм и 10 мм образцы мм для испытаний на растяжение

Механическая обработка

60Г (З + С.О.)

Цилиндрические Ø5 мм (А=0,8) и Ø 10 мм (А=0,4)

Микрорентгено-спектральный анализ

Испытания на удар

08кп (лист)

20 (отжиг)

40Х (З + В.О.)

ХТО

Эпиламирование

Бомбардировка ионами титана

Плоские образцы 12.5х100х1,2 мм для испытаний на растяжение

Плоские образцы 12.5х100х1,2 мм (А=1,83)

Оптическая, электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия

Профилометрия

Нанотвердость

Измерение твердости

Испытания
на растяжение

Испытания на циклическую долговечность

Испытания на выдавливание по Эриксену

40Х, З + В.О. 60Г, З + С.О.

0,31 мкм

Электролитическое полирование
Ra = 0,056 мкм

– шлифование; 2 –полирование;
3 –электролитическое полирование

Результаты испытаний на растяжение, шероховатость поверхности и твердость образцов из отожженной стали 20 после различных видов обработки

Изломы разрывных образцов:
а – шлифование,
б – полирование,
в – электролитическое полирование

а б в

1 – З+Н.О.; 2 –слой цементации 0,5 мм; 3 –1,0 мм; 4 – 1,5 мм; 5 – 2,0 мм;
6 – механически снятый слой

Результаты испытаний на растяжение образцов из стали 20 после цементации по различным режимам, закалки и низкого отпуска

Н.О.); 2 – снятый слой; 3 – слой 0,5мм; 4 – 1,0 мм; 5 – 1,5 мм; 6 – 2,0 мм

Изломы разрывных образцов: а – без слоя, б – слой 0,5 мм, в –1 мм,
г –1,5 мм, д –2мм (×2,5)

а б в г д

цементации h

а б в г

Изломы ударных образцов: а, б – нет слоя; в, г слой – 2,0 мм

З+ВО; 2 –слой азотирования 0,08 мм; 3 – 0,25 мм; 4 –0,35 мм

Химико-термическая обработка. Азотирование

различным режимам

– снятый слой; 3 – слой 0,08мм;
4 – 0,25мм, 5 –0,35мм

Изломы образцов:
а– исходный;
б – слой 0,08 мм;
в – 0,25 мм, г – 0,35 мм (×2,5)

а б в г

Микротрещины на поверхности образца с азотированным слоем 0,08мм (× 2)

стали 20:
1 – отжиг; 2– отжиг + ИБ

Результаты испытаний на растяжение цилиндрических образцов из стали 20 после разной обработки

до (1) и после (2) ионной бомбардировки (ИБ)

Обработка низкоэнергетическими ионами Ti

Внешний вид образцов из отожжённой стали 20 до (1) и после (2) ИБ

(б, г) эпиламирования

Диаграммы растяжения для образцов Ø5 мм из отожжённой стали 20 до (1) и после (2) эпиламирования

20 до (1) и после (2) эпиламирования

Диаграммы растяжения для плоских образцов из отожжённой стали 20 до (1) и после (2) эпиламирования

шлифование; б - эпиламирование

а, × 3000

б, × 3000

(б, г)

а, × 1000 б, × 1000

в , × 8000 (зерно 40 мкм) г, × 8000 (субзерно 500 нм)

проникновения, нм

Нановердость, ГПа

– отжиг; б – ИБ

а б

Эриксена после ИБ

а б
Внешний вид образцов после испытаний: а – исходный; б – после ИБ

Эриксена после эпиламирования

Образцы после испытаний на выдавливание по методу Эриксена:
а – сталь 20 (отжиг); б – сталь 20 после эпиламирования

а б

эффекта изменения свойств при поверхностном воздействии зависят, в основном, от трех факторов – генезиса поверхностного слоя, его толщины по отношению к площади сечения и соотношения площади поверхности S к объему изделия V.
2. Впервые прямыми экспериментами с использованием сканирующей электронной, атомно-силовой микроскопии и измерения нанотвердости установлено, что при ИБ низкоэнергетическими ионами на поверхности изделия реализуются два процесса – залечивание дефектов и формирование модифицированного слоя толщиной менее 1 мкм, сочетающего субмикрокристаллические и нанокристаллические элементы структуры. Именно этот слой определяет поведение изделия при деформации и его свойства, тогда как механические характеристики сердцевины после ИБ не изменяются.
3. Изделие после такой обработки следует рассматривать как такое, которое изготовлено из композиционного материала – массивной сердцевины и поверхностного слоя толщиной меньше 1 мкм, который обладает большей деформационной способностью. При деформировании такого тела как одного целого для снижения напряжений, которые возникают в связи с различной деформацией, необходима аккомодация на границе раздела слоев, которая происходит путем проскальзывания субмикроструктурных элементов и ротационных мод.
4. Впервые показано, что после ИБ при S/V меньше единицы превалирует эффект упрочнения при сохранении пластичности. Если S/V больше единицы (плоские тонкое образцы), проявляется эффект пластификации при повышенной прочности. Зависимость эффекта от S/V ранее не была известна. Возможность такого существенного увеличения пластичности после ИБ открыта впервые.
5. Впервые установлено, что ЭП, залечивая поверхностные дефекты, значительно повышает пластичность тонколистовых сталей, но при этом наблюдается небольшое снижение границы текучести. Сопоставление этих данных с данными о влиянии ИБ свидетельствует, что одно залечивание дефектов не приводит к упрочнению.