Д.т.н. Б.М. Бржозовский, д.т.н. В.В. Мартынов,

к.т.н. Е.П. Зинина, В.О. Самодельных

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А., Россия

ПОШАГОВОЕ ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ,

КАК СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Объективная оценка физико-механических свойств поверхностных слоев, в том числе прочности, характеризующей несущую способность поверхности в целом, является одним из важных этапов обеспечения эксплуатационной надежности изделий различного целевого назначения.

Физическая сущность прочности заключается в сопротивлении материала деформации или разрушению поверхностного слоя. Микротвердость характеризует энергию межатомных связей в материале или сопротивление решетки большим пластическим деформациям и разрушению.

Известно, что показателем прочности является микротвердость, которая измеряется как динамическим (наноиндентирование), так и статическим (по Виккерсу) методами. При этом исследуемые материалы или изделия подвергаются механической (точение, шлифование, полирование алмазной пастой) и (или) термической обработке (закалка или отжиг), очистке от органических загрязнений в ультразвуковой ванне, а в ряде случаев дополнительному воздействию, в частности, концентрированными потоками энергии (ионными и электронными пучками, плазмой). В результате поверхностный слой любого изделия всегда отличается от основного материала [1, 2], поскольку в поверхностном слое фиксируются условия обработки, особенности воздействия обрабатывающего инструмента и окружающей среды. Комбинация поверхностного слоя и основного материала может рассматриваться как своеобразный композит и его качество наряду с топографией неизменно связывается с элементным составом, градиентом этого состава, молекулярным составом и структурой. Свойства поверхностных слоев изделий определяются особенностями обработки на всех операциях технологического процесса их изготовления.

Как правило, первоначальная лезвийная обработка производится с бóльшей глубиной резания, подачей и с меньшей скоростью резания, чем последующие операции. На этой стадии в поверхностном слое заготовки будут создаваться бóльшие степень упрочнения (наклепа) и глубина упрочненного слоя. При каждой последующей обработке в зависимости от глубины резания силовое и температурное воздействие будут оказывать влияние на уже упрочненную (или неупрочненную) поверхность. Совершенно очевидно, что это будет вызывать изменение картины упрочнения поверхностного слоя. При этом формирование физико-механических свойств поверхностного слоя при лезвийной обработке в значительной мере будет претерпевать изменения в соответствии с закономерностями технологического наследования. Предшествующие степень и глубина упрочнения (наклеп) будут оказывать влияние на твердость наклепанного слоя, в то время как упругопластическое деформирование и нагрев поверхностных слоев приводят к структурным и фазовым превращениям в нем. Таким образом, наследственная сторона качества поверхностного слоя очевидна. Показатели качества самым тесным образом связаны с методом и спецификой технологического воздействия на материал. В процессе передачи свойств важную роль играет так называемая наследственная информация. Она заключается в материале изделий и их поверхностных слоях. При этом методики оценки качества поверхностного слоя (а не поверхности) или оценки технологической наследственности практически отсутствуют. Кроме того, отсутствуют и методики оценки толщины поверхностного слоя неразрушающим способом.

Для оценки качества поверхностного слоя и выявления технологической наследственности при выполнении металлообрабатывающих операций был применен способ, изложенный в [3] применительно к оценке структурных изменений поверхностного слоя материалов. Для создания поверхностных слоев с технологической наследственностью на заготовках из стали Р6М5 и хромистой стали с содержанием аустенита менее 1% были выполнены технологические операции строгания и плоского шлифования по строганой поверхности (сталь Р6М5) и точения, термической обработки (закалки в масле при 860°С и отпуск при 125°С, а также последующие шлифовку и притирку поверхности).

Измерения микротвердости выполнялись на приборе ПМТ-3 статическим методом по 10 отпечаткам при каждой нагрузке (10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 150, 200 г), что позволило получить достаточно четкие распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя образцов (рис.1).

Рис.1. Зависимость распределения микротвердости

по глубине поверхностного слоя образца из стали Р6М5 после

выполнения операций строгания (1) и плоского шлифования

строганой поверхности (2) и образца из хромистой стали (3)

На графиках образцов из стали Р6М5 прослеживается прямая зависимость характера распределения микротвердости от вида предшествующей технологической операции (кривые 1 и 2). В процессе строгания формируется первичная структура поверхностного слоя, с характерным упрочненным слоем на глубину до 1,5 мкм. При последующем шлифовании поверхности происходит взаимодействие абразивного инструмента с микровыступами поверхности заготовки, приобретенными поверхностью при строгании. При этом возникают множественные очаги теплового воздействия на поверхностный слой заготовки, которые в совокупности с контактным взаимодействием элементов абразивного круга с микронеровностями поверхности в касательном направлении приводят к растягиванию поверхностного слоя примерно на 1 мкм и снижению его твердости на 1,8-1,5 ГПа. При этом характер распределения микротвердости не изменяется. Таким образом, своеобразные тепловые удары создают в поверхностном слое зоны, приводящие к изменению физико-механических свойств поверхностного слоя заготовки.

При рассмотрении структуры поверхностного слоя образца из закаленной хромистой стали, упрочненный слой с максимумом на уровне 1,5 мкм сохраняется, что подтверждает присутствие технологической наследственности в процессе его изготовления.

Рис.2. Зависимость микротвердости от глубины отпечатка в поверхности

калибрующего витка метчика М12×1,25мм до (1) и после (2) обработки

в плазме комбинированного разряда пониженного давления

Практическое применение предложенного метода пошагового измерения микротвердости позволило исследовать изменение свойств модифицированной поверхности сложнопрофильного инструмента различного целевого назначения (сменные твердосплавные пластины, сверла, метчики), прошедшего модифицирующую обработку в низкотемпературной плазме комбинированного разряда. В качестве примера на рис.2 представлены распределения микротвердости от глубины отпечатка в поверхности калибрующего витка метчика М12×1,25мм до и после обработки. Хорошо видно сохранение характера распределения микротвердости после плазменной обработки при ее увеличении на 4-6 ГПа.

Таким образом, применение метода пошагового измерения микротвердости позволяет:

– выявить характер проявления технологической наследственности, в том числе и после модифицирующих воздействий;

– оценить степень увеличения микротвердости поверхностного слоя;

– оценить эффективность модифицирующих воздействий;

– исследовать свойства модифицированной поверхности режущего инструмента неразрушающим способом на промежуточном этапе между процедурой модифицирующего воздействия на поверхность и применением режущего инструмента по целевому назначению.

Литература

1. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве / А.М. Дальский, Б.М. Базров, А.С. Васильев и др.; под ред. А.М. Дальского. – М.: Изд-во МАИ, 2000. – 364 с.

2. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.Ф. Панфилов и др.; под ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с.

3. Патент 2439533, Россия. МПК G01Н 3/42. Способ измерения микротвердости прозрачных материалов / А.Б. Жималов, В.Ф. Солинов, Е.П. Зинина и др. – 6 с.