Авторы статьи рассматривают влияние технологических маршрутов обработки детали на процесс формирования оптимальных структурных состояний и соответствующих им прочностных свойств металла.
Разработаны рекомендации по выбору рационального термомеханического режима обработки пластическим формообразованием для улучшения свойств материала изготавливаемой детали.
Детали машин при эксплуатации работают в отличающихся условиях окружающих сред, нагрузок и скоростей, поэтому имеют различные виды потери работоспособности и износа. По этим же причинам для их изготовления применяется большое разнообразие материалов и технологий.
При выборе способа изготовления необходимо стремиться к тому, чтобы деталь получала объемные и поверхностные свойства, соответствующие условиям эксплуатации и гарантирующие требуемый ресурс. Это возможно, если выбор способа изготовления осуществляется с учетом процессов формирования служебных свойств детали при ее производстве [1,2,3].
Долговечность деталей, обусловленная наиболее опасными отказами по разрушению, прежде всего, зависит от прочностных свойств металла.
Прочность определяется как сопротивление металла необратимым (пластическим) деформациям. Современные представления, о пластической деформации связывают ее с подвижностью дислокаций. Повышения сопротивления деформации можно добиться формированием определенной тонкой структуры металла, тормозящей движение дислокаций [4]. Основные механизмы торможения дислокации сводятся к следующему:
- образование скоплений (сегрегаций) атомов легирующих элементов (или вакансий) вокруг дислокаций в твердых растворах;
- повышение плотности дислокаций, приводящее к усилению взаимодействия атомов вблизи движущихся дислокаций. При этом поле напряжений сил взаимодействия атомов у одних дислокаций мешает перемещению других;
- образование барьеров для движущихся дислокаций в виде поверхности раздела в кристаллах или частиц второй упрочняющей фазы, т.е. создание внутри сплава объектов с различной кристаллографией скольжения дислокаций.
На процесс формирования оптимальных структурных состояний металла и соответствующих им прочностных показателей решающим образом влияет технологические маршруты обработки детали. Принципиальная схема формирования промежуточных технологических и окончательных эксплуатационных свойств в системе производства представлена на рис. 1, где: Sи - исходные свойства материала; Sс - эксплуатационные свойства деталей; а, г - маршруты обработки с косвенным влиянием технологии пластического формообразования (ТПФ) на Sc ; в, б - маршруты обработки с непосредственным влиянием ТПФ на Sс; д, е - маршруты обработки без влияния ТПФ на Sc; Н - нормализация; ТУ - термоулучшение; РО - рекристаллизационный отжиг; ДО - диффузионный отжиг; СфО- - сфероидизирующий отжиг; СО - смягчающий отжиг; OПС - отжиг на перлитную структуру; ОКЗ - отжиг на крупное зерно; ЗО - закалка + отпуск; ХТО - химико-термическая обработка; ФO - физическая обработка (лазерная, плазменная и т.п.); ТЦО - термоциклическая обработка; ХОШ - холодная объемная штамповка; НТМО и ВТМО - штамповка в режиме низко- и высокотемпературной термомеханической обработки; ВШ - высокоскоростная штамповка; СПШ - штамповка в условиях сверхпластичности; ГОШ - горячая объемная штамповка; ИШ - изотермическая штамповка.
Изменение свойств материала в процессе изготовления деталей целесообразно анализировать с учетом технологической наследственности. Качество деталей определяется не только финишной обработкой, но и особенностями всех предшествующих ей операций и технологических процессов.
Рис. 1 Структурно-функциональная модель формирования технологических и эксплуатационных свойств сталей при формообразовании пластической деформацией
Носителями наследственной информации являются химический состав, микро- и макроструктура материала и связанные с ней механические характеристики и другие свойства. Для достижения высоких показателей эксплуатационных свойств материала деталей необходимо учитывать технологическую наследственность, а лучше - управлять ею.
Технологические факторы, позитивно влияющие на качество детали, необходимо сохранять и развивать, а отрицательно влияющие желательно нивелировать на начальных стадиях обработки.
Влияние конкретной технологической операции обработки на изменение свойств материала целесообразно оценивать через коэффициент наследования:
где Сi, Ci+1 - значения некоторого свойства, соответственно, до и после технологического воздействия на материал.
Коэффициент наследования характеризует изменение свойств на данном этапе обработки относительно их значений на предшествующем этапе. Значение Кс = 1 свидетельствует о том, что i-e свойство наследуется без изменений, при Кс > 1 значение свойства повышается, а при Кс < 1 - понижается.
Способ формообразования деталей существенно влияет на механические характеристики материала. В табл. 1 приведено сопоставление механических характеристик материала деталей, изготовленных по различным технологическим маршрутам. Данные приведены для широко применяемой конструкционной стали 40Х. Данные усреднены с учетом анизотропии свойств.
Таблица 1. Сопоставление механических характеристик деталей, изготовленных по различным технологическим маршрутам (материал сталь 40Х)
* числитель - абсолютное значение характеристики, знаменатель - коэффициент наследования 
- характеристики пластичности (относительные удлинение и сужение образца); σ-1, σ02, σв - харкатеристики прочности (пределы прочности, усталости, текучести); KCV - ударная вязкость.
Более высокий уровень механических характеристик деталей, изготовленных с использованием пластической деформации, обусловлен специфичным влиянием последней на микро- и макроструктуру материала. Правильно назначенные режимы пластического формоизменения способствуют устранению пористости литой структуры, дроблению и рациональной ориентации неметаллических включений; перераспределению ликвационных зон, формированию волокнистой структуры и текстуры деформации, измельчению суб- и макрозерна, дроблению карбидных фаз и уменьшению карбидной неоднородности и т.п.
Механические характеристики материала деталей, получаемых объемной штамповкой, в основном зависят от термомеханических режимов формоизменения заготовки и используемых видов упрочняющей термообработки.
В процессах холодной объемной штамповки (ХОШ) деформационное упрочнение приводит к возрастанию по мере увеличения степени деформации характеристик прочности 
при одновременном снижении характеристик пластичности 
и вязкости (KCV) материала (табл. 1).
В ряде случаев, когда отсутствует опасность хрупкого разрушения детали и температура ее эксплуатации ниже температуры возврата, благодаря деформационному упрочнению материала, можно отказаться от заключительной термообработки детали и уменьшить площадь поперечного сечения детали, а, следовательно, и ее массу. Свойство холодной объемной штамповки повышать прочность материала детали особенно ценно для малоуглеродистых, термически неупрочняемых сталей и сплавов.
Если по условиям эксплуатации детали, наряду с высокой прочностью, необходимо высокое сопротивление хрупкому разрушению, то после холодной объемной штамповки целесообразна заключительная термообработка.
Для анализа взаимосвязи конечных свойств материала и его структуры, формирующейся в процессе горячего деформирования, в табл. 2 представлены режимы, обеспечивающие получение различных структурных состояний для распространённых в машиностроении конструкционных сталях 35, 40Х, 40ХН.
Свойства, получаемые в результате ВТМО, сопоставлялись со свойствами, формирующимися в типовых технологических процессах. Для этого была проведена контрольная термическая обработка КО (закалка с 830оС в воде - вариант 1 табл. 2).
Процессы структурообразования в аустените по мере увеличения степени горячей пластической деформации для температурно-скоростных интервалов, отвечающих реализации различных механизмов, протекают в следующей последовательности. При разупрочнении по типу динамической полигонизации (ДП - вариант 2) (табл. 3) с увеличением степени деформации от 5 до 25% увеличивается текстурированность исходных зерен.
Таблица 2. Анализируемые варианты технологических маршрутов ВТМО и их термомеханические параметры
х - выполненная операция
В структуре стали после деформирования при 800°С (вариант 3) с предварительной аустенизацией при 1200°С также наблюдаются деформированные вытянутые зерна без признаков протекания динамической рекристаллизации.
Увеличение скорости деформации
до 5с-1 при ТД = 900°С (вариант 7) приводит к получению полностью динамически рекристаллизованной структуры (как за счет увеличения скорости, так и за счет большей, чем при= 0,5с-1 реальной температуры деформации) вследствие меньшей продолжительности времени контакта заготовки с инструментом, а, следовательно, меньшего ее подстуживания. В целом, совокупное влияние маршрутов и режимов на структуру горячедеформированного аустенита приведено в табл. 3
Таблица 3. Структура горячедеформированного аустенита в исследованных вариантах термомеханической обработки
Примечание: ДП, ДР - структура горячедеформированного аустенита, соответствующая процессам динамической полигонизации и пластической рекристаллизации, соответственно
Наследственное влияние типа структуры горячедеформированного аустенита, образовавшейся в результате ВТМО, на конечные свойства материала деформированных заготовок можно оценить по результатам различных испытаний, проводимых по стандартным методикам.
Характеристики прочности
и пластичности 
относительные удлинение и сужение образца) стали определялись в испытаниях на растяжение пятикратных образцов диаметром 5 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Испытания на ударную вязкость проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78. Образцы вырезали вдоль деформированных заготовок, и на них выполняли надрез типа Шарпи. Долю вязкой составляющей в изломе определяли визуально. Критическую температуру хрупкости Ткр20 определяли по наличию в изломе 20% вязкой составляющей разрушения.
Испытания проводили при различных температурах.
Испытания на износостойкость проводились в условиях сухого трения при давлении 100 Н и скорости вращения диска 675 об/мин. Объемы выработанных углублений Y (индекс 30 соответствует диаметру кольца шириной 2,5 мм контр. тела из твердого сплава) находили с помощью специальных таблиц по результатам измерения на микроскопе глубины вытертых лунок.
Результаты испытаний показали, что горячая деформация в режиме ВТМО на 25% со скоростью=0,5с-1 при Тд=900°С (вариант 5), а в большей мере при 850°С (вариант 8), приводит к повышению свойств сталей в закаленном и низкоотпущенном состоянии (150°С, 2часа), причем одновременно растут и прочность, и пластичность.
Это обеспечивается созданием полигонизированной структуры в горячедеформированном аустените (нерекристаллизированные объемы менее 25%). Дальнейшее увеличение степени деформации до 50% при 850°С (вариант 9), за счет увеличения доли полигонизованной структуры, ведет к еще большему повышению комплекса характеристик
.
При Тд = 900°С развивающаяся наряду с динамической полигонизацией рекристаллизация уменьшает этот эффект ВТМО.
Получение развитой полигонизованной структуры (вариант 8) без признаков динамической рекристаллизации после ВТМО приводит к еще большему повышению прочностных характеристик
и небольшому падению пластичности (~3%).
При увеличении скорости деформации, вследствие полного прохождения динамической рекристаллизации, при обеих степенях деформации (25 и 50%) (вариант 7 и 10) характеристики прочности в результате ВТМО меняются мало по сравнению с контрольной обработкой. Пластичность (в основном
) растет с 42 до 52%.
При последующем высоком отпуске (540°С, 1час) прирост прочностных характеристик сохраняется, пластичность сталей при этом изменяется в меньшей степени.
Продолжительный охрупчивающий отпуск (500°С, 100 час) практически не изменяет уровня свойств, полученных при обычном высоком отпуске; иными словами, состояние отпускной хрупкости не сказывается на обычных механических свойствах стали при испытании на растяжение.
Полигонизированная структура (рекристаллизованные объемы не более 30%) приводит к значительному повышению ударной вязкости при всех температурах испытания и снижению критической температуры хрупкости. Вследствие образования мелкого зерна в полностью динамически рекристаллизованных структурах ударная вязкость при пониженных температурах после такой ВТМО также выше, чем после обычной закалки.
В наибольшей степени эффект ВТМО для всех типов структур проявляется при низких температурах испытания (табл. 4). Так, для стали 40Х при температурах испытания - 100 и - 20°С ударная вязкость возросла в 2,3 - 2,5 раза.
Таблица 4. Результаты испытаний на ударную вязкость
|
Структура стали и режим обработки |
Сталь |
Значения ударной вязкости, кДж/м2 |
||||
|
Температура испытаний, 0С |
||||||
|
-100 |
-80 |
-20 |
0 |
+20 |
||
|
КО |
40Х |
78 |
130 |
350 |
455 |
970 |
|
Слабо полигонизированные структуры (вариант 8) |
40Х 40ХН |
165 230 |
270 360 |
740 720 |
870 810 |
960 790 |
|
Развитая полигонизированная структура (вариант 9) |
40Х 40ХН |
210 260 |
330 440 |
770 660 |
920 760 |
1110 740 |
|
Рекристаллизованная структура (вариант 7) |
40Х 40ХН |
120 230 |
210 240 |
530 710 |
820 780 |
960 790 |
Доля кристаллической составляющей на поверхности излома образцов также снизилась, причем в большей степени для полигонизированных структур.
Наблюдается существенное снижение порога хладноломкости: на 900С для стали 40Х и на 30°С для стали 40ХН.
Результаты испытаний на ударную вязкость при пониженных температурах сталей 40Х и 40ХН, подвергнутых ВТМО по варианту 9 табл. 2, при различной продолжительности охрупчивающего отпуска показали, что уменьшение хрупкости наблюдается в образцах, подвергнутых ВТМО с получением полигонизированной структуры. Установлено, что при очень длительных выдержках (до 150 часов) при температуре охрупчивающего отпуска 500°С охрупчивания не возникает, и эффект снижения температур хладноломкости сохраняется. При этом эффект ВТМО проявляется в большей степени при температуре испытания минус 200С на стали 40Х.
Повышение вязкостных характеристик сталей обусловлено спецификой микроструктуры стали, формирующейся после ВТМО, и высокотемпературного отпуска (600-630°С). Структура является дисперсной ферритокарбидной смесью, отличающейся от структуры стали, подвергавшейся КО. После ВТМО карбиды в стали получаются более дисперсными (0,15...0,2 мкм;), а их распределение более равномерно, чем после КО.
Зерна феррита после ВТМО также заметно измельчены по сравнению с КО. Исследовалось влияние различных структурных состояний, полученных в ходе горячей деформации сталей 40Х и 40ХН в режиме ВТМО, на износостойкость в условиях сухого трения.
Испытание на износ при сухом трении проводили на образцах, вырезанных в плоскости деформации, а также в перпендикулярной к ней плоскости. Установлена большая износостойкость образцов после BТMO при данной схеме испытаний (табл. 5), чем у образцов, обработанных по режиму КО.
Повышение износостойкости тем выше, чем совершеннее полученная при ВТМО полигонизированная структура. Наиболее износостойкие структуры получаются при снижении температуры деформации и увеличении степени деформации [4].
Таблица 5. Износостойкость I стали 40ХН при сухом трении
Таким образом, выбором рационального термомеханического режима обработки пластическим формообразованием можно целенаправленно и существенно улучшать свойства материала изготавливаемой детали. Это является одним из главных преимуществ пластического деформирования перед другими способами.
Изготовление деталей пластической деформацией особенно в режиме ВТМО является ресурсосберегающим и эффективным методом, так как позволяет значительно повышать эксплуатационные свойства сталей. Именно такую технологию целесообразно применять для изготовления тяжело нагруженных деталей ответственного назначения, работающих в условиях низких температур.
Список литературы
- Вильданов, И.З. Формирование конструкторско-технологической документации на ответственные детали, получаемые пластическим деформированием/ И.З. Вильданов, В.Г. Шибаков, Р.В. Шибаков // Вестник машиностроения. -2015. -№6, - С. 55-59.
- Астащенко, В.И. Технологические методы управления структурообразованием стали при производстве деталей машин / В.И. Астащенко, В.Г. Шибаков /- М.: Academia, -2006, -328с.
- Дмитриев, А.М. Восстановление деталей пластическим деформированием (теория, технология, оборудование) / А.М. Дмитриев, Д.Л. Панкратов, В.Г. Шибаков / -М.: Academia, -2012, -387с.
- Бернштейн, М.Л. Термомеханическая обработка стали/ М.Л. Бернштейн и др. / - М.: Металлургия, - 1983. - 480 с.
The authors examine the impact of technological routes of processing details on the formation of optimal structural States and corresponding mechanical properties of the metal. The recommendations on the choice of rational modes of thermomechanical processing by plastic forming to improve the material properties of the part made.
Автор: В. Г. Шибаков, Р. В. Шибаков, Д. Л. Панкратов,
