Поверхностное и объемное упрочнение сплавов


В.Ф. Коростелев









        ПОВЕРХНОСТНОЕ И ОБЪЕМНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ

Монография

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.716:621.78
ББК 34.65

    К68



Рецензенты:
Янишевская Анна Генриховна, доктор технических наук, профессор Омского государственного технического университета;
Халатов Евгений Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидропневмоавтоматики и гидропривода Ковровской государственной технологической академии




       Коростелев, В. Ф.
К68 Поверхностное и объемное упрочнение сплавов : монография / В. Ф. Коростелев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 160 с. : ил., табл.

          ISBN 978-5-9729-0721-2


     Представлены результаты исследований процессов фазовых превращений и структурных изменений, протекающих в пространстве переменных состояний. Автоматизация управления данными процессами позволяет улучшить свойства металлопродукции. На примерах поверхностного упрочнения штамповых сталей и лазерного упрочнения сталей ферритно-мартенситного класса рассмотрены условия и возможности формирования аномальных структур, твердость которых заметно превышает значения, достигаемые в процессе обычных закалки и отпуска.
     Для специалистов, занимающихся производством сложной металлопродукции. Может быть полезно студентам и преподавателям металлургических и машиностроительных направлений подготовки.


                                                     УДК669.716:621.78
                                                     ББК 34.65









ISBN 978-5-9729-0721-2

     © Коростелев В. Ф., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ ...............................................5
ГЛАВА 1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМО-МЕХАНО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ
ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ...................................... 8
   1.1. Термовременная обработка конструкционной стали. 8
   1.2. Процессы упрочненияи разупрочнения ........... 10
   1.3. Упрочнениесплавовнаоснове алюминия ........... 12
   1.4. Термомеханикаупрочнениясталей................. 14
   1.5. Задачи управления процессами термо-механо-временной обработки.......................................... 15
   Выводы............................................. 16
ГЛАВА 2. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЕЙ ............. 18
   2.1. Преимущества лазерного поверхностного упрочнения... 18
   2.2. Исследование влияния термомеханических воздействий напроцессы упрочненияи разупрочненияштамповыхсталей ... 20
   2.3. Сопротивляемость сталей пластическомудеформированию в условиях одноосного сжатия ...................... 24
   2.4. Концентрация мощности и время энергетического воздействия........................................ 30
   2.5. Поверхностное упрочнение с использованием концентрированных потоков энергии ................. 32
      2.5.1. Классификационная диаграмма технологий по уровню концентрации энергии ........................... 32
      2.5.2. Лазерное упрочнение нержавеющих сталей .. 33
      2.5.3. Термодинамический анализ................. 35
      2.5.4. Методикаисследований..................... 39
      2.5.5. Обсуждение результатов исследований ..... 42
      2.5.6. Выявление причин изменения твердости..... 48
      2.5.7. Моделирование тепловых процессов ........ 50
      2.5.8. Анализ изменений структуры .............. 56
      2.5.9. Автоматизация управления лазерным упрочнением. 59
   Выводы ............................................ 64

3

ГЛАВА 3. ОБЪЕМНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ................ 66
   3.1. Несостоятельность модельных гипотез упрочнения сплавов ......................................... 66
   3.2. Технологическиеаспектыобъемногоупрочнения .. 69
   3.3. Теоретические основы объемного упрочнения... 71
     3.3.1. Двухфазная модельупрочнения............. 72
     3.3.2. Управлениепроцессомкристаллизации ...... 74
     3.3.3. Физика нестационарныхпроцессов ......... 78
   3.4. Программирование управляющих воздействий.... 79
   3.5. Производство литых герметичных деталей газотехнического назначения ..................... 84
   3.6. Разработка способа производства деталей типа«ПоршеньДВС» ................................ 88
   3.7. Формирование структуры сплава с нетрадиционным сочетанием свойств............................... 98
   3.8. Исследованиенестационарных тепловыхпроцессов . 110
   Выводы ............................................ 120
ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ УПРОЧНЕНИЕМ
СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙРОСЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ
ИРЕШЕНИЙОБРАТНЫХЗАДАЧДИНАМИКИ ..................... 121
   4.1. Управление выбором состава сплава и процессом егообработки ................................... 121
     4.1.1. Теоретическаямодель объектауправления . 121
     4.1.2. Планирование экспериментов и обучение персептрона................................... 122
   4.2. Решение обратной задачи управления динамической системой........................................ 136
     4.2.1. Управлениесостоянием................... 137
     4.2.2. Разработкамоделиуправляемого процесса . 138
     4.2.3. Определение параметров динамической системы. 143
   Выводы ......................................... 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................... 148
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ .................................. 153

4

ВВЕДЕНИЕ


     Необходимость упрочнения конструкционных материалов обусловлена целым рядом причин, из которых на первый план в нынешних условиях необходимо поставить недостаточную эффективность базовых металлургических технологий, которые за предшествующие столетия не претерпели существенных изменений.
     В представленной работе результаты исследований, выполненных автором, обобщены на основе формирующейся в настоящее время теории сложных систем.
     Предложено рассматривать процессы создания изделий из металлов и сплавов как термо-механо-временную обработку, а изменения состояния металлических систем связывать не только с температурой, но и с давлением (напряжениями), концентрацией компонентов, со временем, с энергией и др. параметрами.
     Речь, таким образом, идет о реальных необратимых термодинамических процессах.
     С учетом того, что в последние 2-3 десятилетия внимание специалистов сосредоточено на процессах, связанных с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ), само понятие «термодинамика необратимых процессов» требует уточнения. Принципиальное отличие таких процессов состоит в скорости их протекания, в запаздывании, в изменении значений параметров, в частности, значений критических температур. В этой связи в данной работе используется такое определение как «термодинамика процессов из сильно неравновесных состояний».
     Объектами исследования являются сложные процессы фазовых превращений и структурных изменений, протекающих в пространстве переменных состояний, автоматизация управления которыми преследует цель улучшить свойства массовой металлопродукции.
     На примерах поверхностного упрочнения штамповых сталей 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8Ф и лазерного упрочнения сталей ферритно-мартенситного класса 40Х13, 14Х17Н2 рассмотрены условия и возможности формирования аномальных структур, твердость которых заметно превышает значения, достигаемые в процессе обычных закалки и отпуска.

5

     Отсюда вытекает новая парадигма термо-механо-временной обработки. Сочетание в одном цикле температурных и силовых воздействий, изменяющихся с контролируемой скоростью, инициирует в обрабатываемых сплавах процессы движения и взаимодействия атомов, изучение которых в перспективе может быть использовано при определении состава сплавов и технологии их обработки.
     Формирование аномальных диссипативных структур рассмотрено во взаимосвязи со смещением температур фазовых превращений под влиянием контактных и сжимающих термических напряжений. Процесс аустенитизации при лазерном нагреве рассматривается как обратное мартенситное превращение. Выбор температуры нагрева при лазерной обработке предложено осуществлять с учетом графика зависимости твердости от скорости координатных перемещений. Показано, что повышение плотности мощности излучения, корректировка температуры фокального пятна и обработка за 2-3 прохода лазерного луча позволяют улучшить параметры зоны термического влияния и упрочненного слоя.
     Показано, что потенциальные возможности повышения эффективности обработки металлопродукции за счет программирования пространственно-временной структуры лазерного излучения как источника термомеханического воздействия могут быть использованы и при объемной обработке.
Известно, что в процессе кристаллизации слитка в изложнице возникают такие дефекты структуры как ликвация, рыхлота, пористость, крупные зерна, газовые и неметаллические включения. Наложение в процессе кристаллизации относительно невысокого давления 0.3.. .0.5 МПа влияние дефектов может существенно уменьшить.
     При наложении давления 300.500 МПа, изменения в структуре происходят на более глубоком атомно-электронном уровне.
     Исследования влияния давления на изменения объемных свойств выполнено на сплавах алюминия.
     Предпочтение этим сплавам отдано по соображениям обеспечения стойкости технологической оснастки. Кроме того, если ориентироваться на перспективу 10.15 лет, то высока вероятность, что в целях защиты экологии и ресурсосбережения, высокопрочные алюмини

6

евые сплавы будут вытеснять такие конструкционные материалы как углеродистая сталь, чугун, бронза, латунь, титановые сплавы и др.
     В данной работе представлены результаты исследований, выполненных под руководством автора на кафедре «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых». Исследования проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по государственному заданию (тема НИР «Разработка теории неравновесных состояний сплавов с обоснованием технологических режимов обработки и упрочнения для развивающихся отраслей промышленности», номер государственной регистрации: 121029102639).

7

ГЛАВА 1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМО-МЕХАНО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ

1.1. Термовременная обработка конструкционной стали

    Термическое упрочнение конструкционных сталей, как известно, основано на исследованиях закономерностей превращения переохлажденного аустенита [1,2].
    Термодинамический аспект этого превращения состоит в том, что при температурах ниже критических аустенит не устойчив.
    Эвтектоидное превращение аустенита происходит по схеме:
Fey (С) ^ Feₐ (С) + Fe₃C.
    По достижении критической скорости охлаждения происходит бифуркация (раздвоение) - реакция:
FeY (С)^ Feₐ (С) +Fe₃C переходит в бездиффузионное полиморфное превращение Fey(C) ^ Feₐ(C).
    При последующем изложении материала в данной работе этот эффект «захвата углерода» в кристаллической решетке железа будет рассматриваться с позиций управления поведением отдельных атомов и их ассоциаций в нано-, микро-, мезо- и макрообъемах. Важно также отметить, что механизм распада аустенита, если принять во внимание результаты исследований, выполненных в последние годы [3, 4], наряду с полиморфным у^а-превращением должен включать стадии образования промежуточных метастабильных фаз, когда формирование той или иной структуры в значительной степени зависит от диффузии компонентов сплава.
    Проблемными и недостаточно изученными остаются следующие вопросы.
    Превращение исходной структуры стали в аустенит происходит в условиях достаточно длительного нагрева и выдержки, так что образовавшийся аустенит является равновесным.


8

     При последующем охлаждении в разных закалочных средах распределение температур принимает неравномерный характер.
     Термическое изменение размеров накладывается на изменение объема во время фазового превращения. В то время как вследствие неравномерного охлаждения в слоях, прилегающих к поверхности, возникают растягивающие напряжения, превращение у^а сопровождается увеличением объема.
     По мере увеличения скорости охлаждения температура начала превращения снижается, что можно рассматривать как проявление метастабильности.
     Эвтектоидное превращение, которое в равновесных условиях протекает при постоянной температуре, при быстром охлаждении протекает в интервале температур.
     В равновесных условиях необходимое кристаллогеометрическое соответствие «старой» и «новой» фаз достигается благодаря диффузии компонентов сплава. В неравновесных условиях температура начала превращения ниже равновесной и, вероятно, названное соответствие достигается за счет энергии упругих искажений кристаллической решетки, возникающих под влиянием растягивающих и сжимающих напряжений.
     Таким образом, превращения, которые до настоящего времени принято рассматривать и связывать с изменением температуры как единственного термодинамического параметра, в условиях того или иного технологического процесса протекают в различных временных интервалах. Особо важно подчеркнуть, что в реальных условиях фазовые превращения протекают в кристаллической структуре, искаженной внутренними напряжениями.
     Влияние напряжений (давления) как не менее важного термодинамического параметра на механизм и кинетику фазовых превращений во взаимосвязи с изменением температуры до настоящего времени остается неизученным. Возможно, здесь могут быть открыты закономерности образования новых структур с новым сочетанием свойств.

9

1.2. Процессы упрочнения и разупрочнения


     Термическое упрочнение до настоящего времени утвердилось как процесс закалки. Влияние напряжений и деформаций не рассматривается. Компромисс между состоянием теории металловедения, принимающей в рассмотрение лишь равновесные процессы, и практическими данными состоит в том, что образование неравновесных структур при распаде аустенита связывают лишь с диффузией углерода.
     Разупрочнение материалов и конструкций, в которых влияние напряжений и деформаций проявляется в более явном виде, называть термическим и связывать только с нагревом уже не представляется возможным.
     Характерным является разупрочнение штампов горячей штамповки.
     Исследования распределения твердости в пригравюрных объемах штампов, снятых с эксплуатации на разных этапах их жизненного цикла, показали, что изменение твердости не может быть связано с процессами отпуска.
     По определению проф. Е. И. Бельского, свойства штампов в значительной степени формируются под влиянием условий эксплуатации, нежели в процессе предшествующей термической обработки [5].
     Вправе предположить, что под влиянием ударов, сопровождающихся нагревом до температуры 500.550 °C, должно происходить накопление термических воздействий и постепенное снижение твердости.
     Исходя из таких предположений, разработчики инструментальных быстрорежущих и штамповых сталей [6] в качестве критерия оценки сопротивляемости разупрочнению до настоящего времени принимают кинетические кривые снижения твердости в условиях изотермической выдержки.
     Так, разупрочнение стали 4Х5МФС при температуре 600 °C, выражающееся в снижении твердости от 45 HRC до 30 HRC, происходит в течение 4.5 часов. В пересчете это составляет 14 400.18 000 с.
     Измерения распределения твердости в отработанных штампах свидетельствует о том, что указанное снижение твердости может произойти после нескольких циклов штамповки, когда общее время контакта и нагрева до температуры 600 °C не превышало 10 с.

10

     Из этого следует, что в условиях эксплуатации разупрочнение происходит со скоростью, на три порядка, превышающей скорость разупрочнения в изотермических условиях.
     Вероятно, высокие контактные и термические напряжения, неизбежно возникающие в процессе штамповки, могут достигать предела текучести штамповой стали, а каков механизм фазового превращения в процессе пластической деформации и что первично: пластическая деформация, а затем фазовое превращение, или фазовое превращение, а в ходе превращения резкое снижение предела текучести, остается неизученным.
     В работе [7] предположение о влиянии напряжений на разупрочнение проверено в условиях стендовых испытаний.
     Схема испытаний, распределения температур и напряжений в окрестности пятна контакта исследуемого образца с индентором-нагревателем из жаропрочного сплава ЖС6К приведены на рис. 1.


Рис. 1. Схема испытаний штамповых сталей наразупрочнение

11

     Данная схема заслуживает внимания еще и потому, что аналогичное состояние возникает в исследуемом материале и в других случаях энергетического воздействия, в частности, например, в процессе лазерной обработки.
     Выполненные в работе [7] измерения и расчеты позволили не только дать количественную оценку влияния напряжений и деформаций, но и установить такие качественные изменения как:
      -  смещение температур полиморфного превращения;
      -       протекание пластических деформаций до полиморфного превращения;
      -       локальный характер выделения и роста новой фазы из объема, в котором аустенитизация произошла частично (на удалении от пятна контакта 0,7...0,8 мм);
      -       температуры нагрева в пределах до 550...600 °C в штамповых сталях на основе а-Рес карбидным упрочнением в условиях действия напряжений и пластических деформаций могут оказаться критическими и вызвать интенсивное в течение одного цикла разупрочнение.
     Таким образом, и упрочнение, и разупрочнение, рассматриваемые в настоящее время на теоретической платформе термодинамики равновесных процессов как чисто термически активируемые процессы, входят в противоречие с фактами, указывающими на необходимость разработки новых научных подходов к проблеме упрочнения сплавов.

1.3. Упрочнение сплавов на основе алюминия

     Известно [8], что упрочнение, достигаемое в процессе термообработки алюминиевых сплавов, принципиально отличается от упрочнения сталей как по технологии, так и по механизму формирования структуры.
     Однако и в том, и в другом случаях - это термовременная обработка. Механизм и кинетику упрочнения исследователи связывают с выделением избыточных фаз из пересыщенного твердого раствора меди в алюминии. Ни о каких напряжениях речи не идет. Упрочняющая фаза - метастабильная, и при повторном нагреве структура приходит в равновесное состояние.

12