О ВЛИЯНИИ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ПОВЕДЕНИЕ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

 

 

Татаркина И.С.,  аспирант, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, Украина

Дощечкина И.В.,  доцент, к.т.н., , Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, Украина

Сысоев Ю.А., доцент, к.т.н., Национальный аэрокосмический университет "ХАИ" им. Н.Е. Жуковского, Харьков, Украина.

 

О ВЛИЯНИИ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ПОВЕДЕНИЕ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ


Сегодня одним из наиболее приоритетных направлений научных исследований являются ультрамелкозернистые и наноматериалы. Такой повышенный интерес обусловлен возможностью получения нового уровня технологических и эксплуатационных характеристик традиционных конструкционных материалов и расширением области их применения.

Получить ультрамелкое зерно и наноразмерные структуры в объеме реальных изделий можно, главным образом, лишь методами интенсивной пластической деформации [1]. Однако эти методы технологически очень сложны и не лишены недостатков.

Многочисленные исследования свидетельствуют, что эффективным способом повышения характеристик конструкционных материалов является создание ультрамелкозернистой структуры в поверхностном слое. В современной промышленности для изменения структуры и свойств поверхности широко используется ионно-плазменная обработка (ИПО), измельчающая зерно до наноразмеров [2, 3]. Авторам [4] удалось значительно повысить конструктивную прочность изделий за счет ионной бомбардировки (ИБ) поверхностного слоя.

Целью данной работы являлось изучение влияния низкоэнергетической ИБ поверхности на поведение при растяжении и механические свойства изделий из тонколистовых малоуглеродистых сталей.

Исследования проводили на промышленных сталях 20 и Ст3 стандартного химсостава. Поскольку ставилась цель получить сведения об изменении объемных свойств при растяжении, испытаниям подвергались реальные плоские разрывные образцы (200×20×1.2 мм), изготовленные из отожженной стали и подвергнутые ИБ низкоэнергетическими ионами титана в среде аргона (~ 1,5 кэВ) на установке «Булат – 3». Максимальное время обработки не превышало 90 с. Микроструктуру изучали на электронном микроскопе REM-106 SELMI.

Поведение плоских образцов из стали 20 при испытании на растяжение демонстрируют кривые напряжение ­ деформация  (рис. 1). Полученные результаты свидетельствуют, что после ионной бомбардировки одновременно увеличиваются и прочность, и пластичность. Количественные характеристики этих свойств приведены в табл. 1.

 

 

Рисунок 1 – Диаграммы растяжения плоских образцов стали 20: 1 – после отжига; 2 – после отжига + ИБ.

 

Таблица 1. Механические характеристики плоских образцов из стали 20 после разной обработки.

σв,

MПa

σ0.2,

MПa

δ,

%

δр,

%

ψ,

%

НV5

Отжиг

390

220

13

11

15

130-133

Отжиг + ИБ

425

250

23

20

39

125-132

 

Из таблицы видно, что при повышении предела текучести σ02 на 14 % относительное удлинение δ возрастает на 76%, равномерное удлинение δр – на 81%, а относительное сужение ψ – более чем в 2 раза. Такой очень высокой пластичности в сочетании с повышением прочности нельзя достичь ни одним из известных способов обработки.

Аналогичные данные получены для стали Ст3.

Низкоэнергетическая ИБ может быть предложена для улучшения технологической пластичности (штампуемости) холоднокатанных листовых сталей, которая в настоящее время достигается сложным режимом термической обработки.

С целью выявления причин такого существенного изменения механических свойств под влиянием ИБ поверхности были проведены микроструктурные исследования. После ионной бомбардировки регистрируется очень существенное измельчение зерна с 40 мкм до 500 нм в тонком (<1 мкм) поверхностном слое (рис. 2).

По результатам работы можно сделать вывод, что кратковременная бомбардировка изделий низкоэнергетическими ионами приводит к интенсивному фрагментированию структуры и обеспечивает повышение конструктивной прочности (высоких показателей прочности и пластичности) изделий. Следует подчеркнуть, что при такой обработке нет глубинного упрочнения (всего до 1 мкм), что подтверждают данные измерения микротвердости по сечению плоских образцов. То есть речь идет не об изменении свойств металла по всему сечению образца, а о влиянии очень тонкого поверхностного слоя на поведение изделий под нагрузкой.

 

а

б

Рисунок 2 – Микроструктура стали 20 до (а) и после (б) обработки низкоэнергетическими ионами Тi, × 8000.

 

Полученный эффект можно объяснить двумя процессами: залечиванием поверхностных дефектов и формированием на поверхности тонкого слоя наноразмерной зеренной структуры (500 нм), в котором реализуется зернограничный (ротационный) механизм пластической деформации с проскальзыванием и поворотом зерен. При этом невозможно образование концентраторов напряжений и связанное с ними охрупчивание металла.

Литература

1. Валиев Р. З. Получение ультрамелкозернистых материалов методом интенсивной пластической деформации / Р. З. Валиев, Ю. Эстрин, З. Хорита, Т. Г. Лэнгдон, М. Й. Зехетбауэр, Ю. Т. Жу //  Нанотехника. – 2006. – № 4. – С. 57 – 65.

2. Кунченко Ю. В. О формировании микро-, нанослойных покрытий методом вакуумно-дугового осаждения / Ю. В. Кунченко, В. В. Кунченко, Г. Н. Картмазов, И. М. Неклюдов //  Физическая инженерия поверхности. – 2004. – Т. 2. – № 1. – С. 102 – 108.

         3. Панин В. Е. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий – эффективный способ упрочнения современных конструкционных и инструментальных материалов / В. Е. Панин, В. П. Сергеев, А. В. Панин //ФММ. – 2007. – Т. 104. – № 6. – С. 71 – 74.

4. Пономаренко І.В. Підвищення конструктивної міцності сталевих виробів шляхом поверхневого наноструктурування іонним бомбардуванням : автореферат дис. ... кандидата технічних наук : спец. 05.02.01 «Матеріалознавство» / І.В. Пономаренко. – Харків, 2011. – 21 c.