Особенности формирования структуры в металлических сплавах при наноструктурирующей фрикционной обработке и последующем термическом воздействии

Abstract

Цель настоящей работы – детальное электронно-микроскопическое изучение особенностей формирования структуры и фазового состава углеродистых и низколегированных сталей, а так же хромоникелевых сплавов (аустенитная сталь и лазерная наплавка) в процессе больших пластических деформаций при фрикционной обработке и последующем термическом воздействии. В соответствии с современными представлениями одним из важнейших резервов повышения прочности поверхности металлических материалов является создание в них высокодисперсных и нанокристаллических структур оптимизированного состава и уровня дефектности, которое может быть осуществлено современными методами интенсивной поверхностной пластической деформации (ИППД), такими как дробеструйная обработка, ультразвуковая ударная обработка колеблющимся инструментом, дробью или шариками в вакууме, обработка падающими или летящими из пневматической пушки шарами и другие методы. Нанокристаллические структуры (с размером кристаллитов 5-100 нм) могут быть также созданы под действием больших пластических деформаций, реализуемых в условиях внешнего трения (фрикционного воздействия) на поверхности не только пластичных металлических материалов, таких как медь, никель, кобальт, железо и аустенитные стали, но и высокопрочных материалов: аморфный сплав Fe64Co21B15, термоупрочненные (HRC более 62) углеродистые инструментальные, цементированные и высоколегированные стали. Поэтому эффективным методом наноструктурирования поверхностных слоев практически любых металлических материалов является фрикционная обработка, проводимая в условиях трения скольжения, исключающих заметный нагрев поверхности трения. Фрикционная обработка, позволяющая наноструктурировать в холодном состоянии высокопрочные и труднодеформируемые сплавы, расширяет возможности для углубленного исследования свойств наноструктур деформационного происхождения, которые не могут быть созданы другими методами получения объемных наноструктурных материалов. Важным преимуществом наноструктурирующей фрикционной обработки является ее применимость для дальнейшего улучшения свойств стальных изделий, подвергнутых поверхностной термической (например, лазерной) упрочняющей обработке, а также возможность кардинального повышения теплостойкости простых углеродистых сталей до уровня теплостойкости высоколегированных полутеплостойких сталей. Полученные в ходе исследования результаты могут быть использованы при разработке современных технологий создания наноматериалов функционального назначения с повышенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими прогнозируемое повышение прочности, износостойкости и теплостойкости деталей и инструмента.

According to the modern representations, surface layer modification is considered to be one of the most important reserves of increased durability and operational performance of metal materials. Considerable improvement in the tribological properties of metal materials can be achieved by the formation of a highly dispersed structural state in their bulk or surface layers using severe plastic deformation methods. For example, the rise of the wear resistance and the diminishing of the coefficient of friction of low-carbon steel are achieved by the nano-structuring of the surface layer with ultrasonic treatment using metal balls [Wang, Z.B., Tao, N.R., Li, S., Wang, W., Liu, G., Lu, J., and Lu, K., Effect of Surface Nanocrystallization on Friction and Wear Properties in Low Carbon Steel, Mater. Sci. Eng. A, 2003, vol. 352, nos. 1–2, pp. 144–149.]. Frictional treatment by indenters made of hard materials carried out under the sliding friction conditions that eliminate the severe heating of the surface being treated is an effective way to form functional nanocrystalline layers with enhanced strength and tribological characteristics on steel surfaces [Makarov, A.V., Nanostructuring Friction Treatment of Carbon and Low_Alloyed Steels, in Perspektivnye materialy. Tom IV: Uchebnoe posobie (Perspective Materials. Vol. 4: A Tutorial), Merson, D.L., Ed., Tolyatti: Tolyatti Gos. Univ., 2011, pp. 123–207.]. Unlike bulk deformation methods, frictional treatment makes it possible to form the nanostructure of not only soft and ductile, but also high strength and hardly deformed materials, including quenched steels. Nanocrystalline structure formation under frictional treatment sufficiently well covered for soft material like copper, pure iron and austenitic steels. However, in scientific periodic literature a consecutive process of nanostructures formation under the influence of a large plastic deformation in hardly deformed materials (like carbon steels, high alloyed steels and thermo-strengthened steels) was not considered so far. The aim of present research is to eliminate this deficiency. The study will clarify the modified surface layer structure and properties dependence on friction treatment and heat treatment parameters. Obtained data can be used in the development of modern functional-grade nanomaterials with the raised operational characteristics, providing predicted increase of durability, wear resistance and heat resistance of parts and the tools.