Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Ким Чанг Сик

• Ким Чанг Сик
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ким Чанг Сик

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Поверхностное пластическое деформирование (ППД) как способ 11 упрочняющей обработки.

1.1.1 Сущность и назначение методов ППД

1.1.2 Параметры состояния поверхностного слоя и их влияние на 12 долговечность деталей

1.1.3. Общая характеристика процессов ППД как процессов 14 обработки металлов давлением

1.1.4 Геометрические аспекты формирования очага деформации

1.1.5 Деформированное состояние

1.1.6 Напряженное состояние

1.1.7 Исчерпание ресурса пластичности металла

1.1.8 Остаточные напряжения

1.2 Физические основы ультразвуковой техники и технологии

1.2.1 Общие сведения об ультразвуковых колебаниях

1.2.2 Ультразвуковые преобразователи, концентраторы и волноводы

1.2.3 Использование ультразвука в различных технологических 57 областях обработки материалов

1.2.3.1 Ультразвуковая сварка и пайка

1.2.3.2 Применение ультразвука при механической обработке и 58 поверхностном упрочнении труднообрабатываемых материалов

1.2.3.3 Ультразвуковая очистка прецизионных деталей

1.2.3.4 Ультразвук в процессах пластического деформирования и 59 влияние ультразвука на процесс пластической деформации

1.2.3.5 Применение ультразвука при термической и химико- 63 термической обработке сплавов. Старение сплавов под действием ультразвука

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ,ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНОВНЫЕ 67 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХНИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Характеристика исходных материалов

2.2 Оборудование для ультразвуковой финишной и упрочняющей 69 обработки материалов.

2.2.1 Технологическое оборудование для УЗО.

2.2.2 Инструменты 70 2.3.3. Волноводы колебательных систем. 71 2.3. Методы исследования

2.3.1 Металлография

2.3.2 Исследование физико-механических свойств материалов после

2.3.3 Испытание на износостойкость и определение коэффициента 78 трения после УЗО.

2.3.4 Методика определения величины остаточных напряжений после 79 ' УЗО. f 2.3.5 Измерение макроскопических остаточных напряжений

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 82 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ (УФУО) С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Сила внедрения сферического индентора (шарика) при 82 динамическом воздействии.

3.2. Глубина проникновения пластических деформаций от 85 индентора (шарика).

3.3. Работа при пластическом внедрении индентора (шарика).

3.4. Динамика ультразвукового упрочнения.

3.5. Расчёт динамического усилия (силы удара) на конце 94 ультразвукового инструмента F^ и времени удара т^ для идеального пластического и упругого удара, а также для упруго-пластического удара.

3.6. Влияние технологических параметров УФУО на величину 98 I микрогеометрии и микротвердости поверхности обрабатываемых материалов.

3.6.1.Влияние амплитуды на величину микрогеометрии поверхности

3.6.2 Влияние статического усилия на микрогеометрию поверхности 99 3.6.2 Влияние материала упрочняемой детали и её диаметра на величину 101 микрогеометрии поверхности.

3.6.4 Влияние скорости вращения детали (Умм/мин) и величины подачи 102 (S мм/об) на микрогеометрию поверхности.

3.6.5 Влияние амплитуды колебаний, величины статической нагрузки, 107 окружной скорости и подачи при УЗО на величину микротвердости обрабатываемого материала.

3.7. Исследование структуры и физико-механических свойств 110 инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С после ультразвуковой обработки.

3.8 резервы повышения физико-механических свойств материалов

I и изделий после поверхностной упрочняющей обработки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологические и структурные закономерности ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки конструкционных и инструментальных материалов»

Актуальность проблемы. Анализ литературных данных свидетельствует о резко специфическом влиянии и особой роли поверхностных слоев в процессах хрупкого и усталостного разрушения, в процессе ползучести, в условиях износа, трения, схватывания материалов и др. Роль поверхности в формировании механических свойств материала усиливается, если по технологическим соображениям она подвергается специальному термомеханическому воздействию, в частности, операциям так называемого поверхностного упрочнения (обкатка роликами, обдувка дробью, алмазное выглаживание, ионная имплантация, лазерная обработка, цементация, азотирование и т.д.)

В связи с интенсивным развитием различных отраслей новой техники непрерывно растет потребность в материалах с высоким уровнем физико-механических свойств для работы в экстремальных условиях: воздействия высоких и низких температур, больших нагрузок, проникающих излучений, вибраций и агрессивных сред.

Проблема получения высокопрочных материалов с использованием различных видов термического и термомеханического воздействия на протяжении многих лет традиционно является актуальной для материаловедов. В последние десятилетия она решается обычно за счет реализации двух основных направлений: 1. использование быстрозакаленного метастабильного состояния материала (микрокристаллические и аморфные сплавы); 2. компактирование микрокристаллических и нанодисперсных порошковых материалов. Однако, существует значительные трудности на пути решения указанных направлений.

В первом случае получаемые быстрой закалкой аморфные порошки или тонкие ленты (толщиной несколько десятков микрон) при компактировании резко теряют уровень своих физико-механических свойств за счет протекания процессов структурной релаксации и кристаллизации. Во втором случае низкая температура рекристаллизации нанодисперсных порошковых систем является основным препятствием на пути сохранения исходной дисперсности структуры и получения соответствующего уровня физико-механических свойств. Кроме того, оба технологических подхода требуют дорогостоящего специализированного оборудования, как на стадии получения исходных материалов, так и при компактировании. Так, высокая химическая активность нанодисперсных порошков требует проведения всех технологических операций в вакуумной или контролируемой среде. Поэтому в силу указанных обстоятельств, задача получения высокопрочных массивных конструкционных материалов с использованием этих подходов практически до настоящего времени не решена и не вышла за рамки поисковых лабораторных исследований. В связи с этим, представляет интерес найти альтернативное порошковой металлургии технологическое решение и попытаться получить материал с нанодисперсной структурой, минуя стадии непосредственного получения порошков и их компактирования. Последнее возможно осуществить за счет интенсивного деформационного воздействия (многократной деформацией типа РКУ-прессования, гидроэкструэией, в наковальнях Бриджмена или в валках прокатного стана). В данной работе решение данной проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры вплоть до нанокристалических размеров выполнялось с использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент.Во всех странах мира велики материальные потери, связанные с преждевременным износом деталей машин и инструментов, а также их поломкой от действия циклических нагрузок.Применение машин и приборов, работающих со все увеличивающимися скоростями и нагрузками делает весьма актуальным проблему повышения срока службы деталей машин и инструментов. Качество поверхностного слоя и методы его улучшения как научная и практическая важная проблема уже давно привлекают внимание исследователей и производственников. Качество поверхностного слоя оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию, КПД машин, возникновение шумов и на другие параметры и характеристики машин. Поэтому качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей машин и инструментов.

Любая тщательно обработанная поверхность является носителем концентраторов напряжения. Отрицательно влияют остаточные растягивающие макронапряжения, возникающие при многих видах обработки. Эти и другие факторы при определённых условиях приводят к возникновению в поверхностном слое усталостных микро- и макротрещин и других дефектов. Поэтому для повышения усталостной прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, повышающие физико-механические свойства и улучшающие структуру, напряжённое состояние поверхностного слоя и микрогеометрию поверхности. На обработку деталей машин резанием уходит около половины трудовых затрат всего технологического цикла, расходуется примерно четверть всей электроэнергии. Для улучшения качества поверхностного слоя дополнительно или взамен некоторых способов обработки резанием широко и эффективно применяется упрочняюще-чистовая обработка пластическим деформированием, которая получила распространение в последние десятилетия. Эта обработка является наиболее простым и достаточно эффективным способом улучшения эксплуатационных характеристик поверхности материалов. В настоящее время годовая экономия от применения упрочняюще-чистовых способов обработки пластическим деформированием на заводах страны исчисляется сотнями миллионов рублей.

Поверхностная упрочняющая обработка является завершающей операцией в технологическом цикле изготовления детали. Она позволяет без использования дополнительного специализированного оборудования (например, шлифовальных станков) и по сокращенному технологическому маршруту повышать чистоту поверхности деталей до уровня, предъявляемого к финишной обработке. При этом не требуется применение традиционных абразивных материалов - паст, войлока, абразивных кругов и лент и т. п. Еще одно ее важное преимущество по сравнению с традиционными способами финишной обработки металлов (хонингование, доводка, суперфиниширование) заключается в дополнительном упрочнении поверхностного слоя деталей, в результате чего улучшаются их эксплуатационные свойства (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость), повышается их надежность. При выглаживании и обкатывании шероховатость обработанной поверхности и упрочнение детали зависят от параметров процесса. Увеличение предела выносливости детали после поверхностного пластического деформирования главным образом зависит от физического состояния пластически деформированного слоя детали, его глубины, величины и распределения остаточных сжимающих напряжений. При правильном выборе режимов обработки деталь приобретает высокие эксплуатационные свойства, а неудачный выбор даже одного из параметров, например давления, может вызвать частичное разрушение / поверхности и понизить долговечность изделия. Физическое состояние поверхностного слоя детали, формируемое в процессе выглаживания (обкатки), определяется конкурирующим влиянием двух протекающих одновременно процессов - физического упрочнения (наклепа), с одной стороны, и разупрочнения, обусловленного образованием и последующим развитием микродефектов в деформированном материале - с другой. Известно, что благоприятными факторами, повышающими эксплуатационные характеристики деталей являются увеличение остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и степень их физического упрочнения. Наибольшие остаточные напряжения сжатия близки к пределу текучести материала детали, который растет по мере увеличения интенсивности деформации. Отсюда следует, что в процессе поверхностного пластического деформирования необходимо стремиться к увеличению интенсивности деформации поверхностного слоя. Однако, с ростом интенсивности деформации процесс разупрочнения также постепенно усугубляется. Степень упрочнения зависит только от удельного давления, а глубина упрочнённого слоя определяется удельным давлением на контактной площади и её размерами.

Широко применяемые упрочняюще-чистовые способы (обкатывание шаром, роликом, дорнование и др.) по характеру воздействия на поверхностный слой детали являются статическими, из-за относительно малых давлений и скоростей деформации они не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению.

Более полное использование резерва повышения прочности металлов можно получить заменой статического способа деформирования импульсным. Наиболее перспективной является импульсная упрочняюще-чистовая обработка ультразвуковым инструментом. Научной основой для разработки этого метода явились: современная теория пластической деформации и упрочнения и результаты исследования процессов, технологии и оборудования, основанных на использовании ультразвука. При этом необходимо отметить приоритет Российских исследований по влиянию ультразвука на закономерности пластической деформации и обработки различных материалов (Марков А.И., Кудрявцев И.В., Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В., Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О.), а также работы непосредственно в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения, которые длительное время проводились под руководством профессора Муханова А.И. в Новосибирском электротехническом институте (Ан Г.Д., Голубев Ю.М., Чудинов А.В., Асанов В.Б., Куроедов Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельный А.И., Синдеев В.И.). Следует также отметить успешные работы в области ультразвуковой упрочняющей обработки коллектива исследователей под руководством профессора Ю.В. Холопова (г. Санкт-Петербург) и П.А. Городищенского (г. Северодвинск).

Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является разработка альтернативного порошковой металлургии технологического решения процесса получения материала с нанодисперсной структурой, минуя стадию непосредственого получения порошков и их компактирования, используя динамический метод ультразвуковой поверхностной обработки. При этом в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию получения нанокристалической и микрокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических свойств в поверхностных слоях массивных изделий с использованием ультразвуковой упрочняющей обработки.

2. Изучить влияние основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УЗО) - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст. окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала.

3. Методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения провести послойные исследования структуры после ультразвуковой упрочняющей обработки.

4. Рентгеновским методом изучить характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов.

5. Изучить влияние УЗО на усталостную прочность обработанных материалов.

6. Методом горячей микротвёрдости исследовать термическую стабильность полученной нано- и микроструктуры и соответствующего высокого уровня физико-механических свойств после УЗО.

7. Учитывая резкое улучшение микрогеометрии обрабатываемой поверхности (уменьшение величины Rz) изучить изменение коэффициента трения от времени испытания на трение до УЗО и после УЗО.

Научная новизна.

• Основной акцент научной новизны данной работы заключается в том, что, как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности, приближающейся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают только в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсификации пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, равноканальноугловое (РКУ) прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующим уровнем физико-механических свойств. Поэтому предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения наноструктурных материалов, поскольку впервые с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность реализации при УЗО нанокристаллической структуры на глубине 15-20 мкм от поверхности и микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по изменению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала.

• В настоящей работе впервые изучено влияние основных технологических параметров УЗО - амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст., окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D, на величину микрогеометрии Rz, и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст., S, V, D) имеют две области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, S, V, D наблюдается обратная зависимость - увеличение микрогеометрии Rz и уменьшение Hv вследствие проявления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин.

• Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обрабатываемых УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-850 МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно падает, но сохраняет определённую величину (200-400 МПа) до глубины 250-300 мкм.

• Исследован предел усталостной прочности закаленной стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650 МПа (до УЗО) до 1150 МПа после обработки.

• Методом горячей микротвёрдости определён порог термической стабильности,полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры для стали 4Х5МФ1С, который составляет 450-500°С.

Практическая ценность и реализация работы.

• Разработана компьютеризированная технология поверхностной финишной упрочняющей обработки массивных изделий из конструкционных и инструментальных сталей, со сложной геометрической формой, которая апробирована на широком круге реальных промышленных деталей. Разработанная технология позволяет упрочнять закалённые стали с высоким уровнем исходной твёрдости порядка 46HRC и повышать уровень твёрдости до 60-70 HRC, а предел усталостной прочности в 2 раза за счёт создания в приповерхностных слоях нано- и микрокристаллической структуры и большой величины остаточных напряжений сжатия до 850МПа.

• Изучены зависимости получаемого уровня физико-механических (Hv)h геометрических (Rz) свойств обрабатываемой поверхности от основных технологических параметров процесса, что позволяет выбрать оптимальные режимы обработки материалов.

• Показано, что рабочий ресурс отрезного круга из закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С для резки металлических материалов толщиной 0.2-2.0 мм со скоростью 900 м/мин после ультразвуковой упрочняющей обработки увеличивается в 3 раза, т.е. если до УЗО рабочий ресурс отрезного круга составлял 3000 отрезных операций, то после УЗО он увеличился до 9000.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 4 статьях научной периодической печати и доложены на следующих международных конференциях:

- Международная конференция "Новые перспективные материалы и технологии их получения -2004"(г. Волгоград);

- Международный конгресс "Техника и трибология транспортных систем"

- 2003(г, Ростов на Дону,2003);

- XV Международная конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Тольятти,2003г).

Публикации. По результатам диссертации в сборниках трудов международных конференций опубликовано 4 статьи. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основной части, общих выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований); она содержит 134 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 13 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Ким Чанг Сик

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки (УЗО) массивных деталей из закалённых конструкционных и инструментальных сталей для получения высокой твёрдости и прочности за счёт создания нанокристаллических структур с размером зерна 5-10нм. Предлагаемую в настоящей работе технологию поверхностной упрочняющей ультразвуковой обработки следует рассматривать как действительно новую нанотехнологию получения высокопрочных материалов на больших реальных массивных изделиях, поскольку как показывает анализ литературных данных, все усилия отечественных и зарубежных исследователей, направленные на получение нанокристаллических материалов с уровнем прочности приближающимся к теоретической, действительно ещё не вышли за рамки лабораторных исследований и ещё очень далеки от реального промышленного применения, поскольку нанокристаллическую структуру в настоящее время получают в основном в микрообразцах (тонкие плёнки, нитевидные кристаллы и пр.), а попытки создания такой структуры в макрообъёмах за счёт интенсивной многократной пластической деформации (многократная прокатка или проковка, экструзия, РКУ-прессование и др.) в лучшем случае дают микрокристаллическую структуру с соответствующем уровнем физико-механических свойств.

2. В настоящей работе с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с увеличением х106 показана возможность получения при УЗО нанокристаллической структуры с размером зерна 5-1 Онм на глубине 15-20 мкм от поверхности обрабатываемого материала (закалённая сталь 4х5МФ1С) и получение микрокристаллической структуры на глубине 250-300 мкм от поверхности. Об этом свидетельствуют данные по измерению величины микротвёрдости и величины внутренних остаточных напряжений сжатия от поверхности в глубину упрочняемого УЗО материала. При этом наблюдается возрастание твёрдости с исходного уровня 44-46 до 54-56, а в ряде случаев до 68-70HRC.

3. Технология ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки отработана на широком круге реальных промышленных деталей и изделий с различной геометрической формой поверхности - цилиндрической, сферической, тороидальной, винтовой, и другой более сложной, например, на авиационных турбинных лопатках, штампах и др.) за счёт применения компьютеризированной технологии. При этом общие размеры и вес обрабатываемых деталей в ряде случаев достигали весьма значительных величин. Так, например, УЗО был успешно обработан вал прокатного стана диаметром 800мм, с диаметром рабочей части 1500мм и весом 5200кг.

4. Технология УЗО выполняет функции не только поверхностной упрочняющей обработки, но и финишной обработки поверхности, когда величину микрогеометрии Rz можно довести до сотых долей микрона, при этом весьма ценным является то обстоятельство, что данный способ позволяет получать регламентированную шероховатость поверхности, когда размер, форму и общую плотность "масляных карманов" и соответственно маслоёмкость поверхности можно целенаправленно регулировать, изменяя в соответствующих пределах технологические параметры процесса.

5. Изучено влияние основных технологических параметров УЗО-амплитуды колебаний 2А, статической нагрузки Рст , окружной скорости V, величины подачи S, диаметра сферы рабочего инструмента D на величину микрогеометрии Rz и микротвёрдости Hv обрабатываемого материала. При этом показано, что зависимости Rz, Hv=f(2A, Рст, S, D) имеют 2 области, разделённые экстремумами. В первой области до экстремума( минимальная для Rz и максимальная для Hv) наблюдается уменьшение Rz и повышение Hv при увеличении амплитуды колебаний 2А, величины статической нагрузки Рст и уменьшении окружной скорости V, величины подачи S и диаметра сферы рабочего инструмента D. При дальнейшем изменении указанных технологических параметров 2А, Рст, V, S, D наблюдается обратная зависимость - увеличение величины микротвёрдости Rz и уменьшение микротвёрдости Hv вследствие появления эффекта переупрочнения (перенаклёпа) и контактной усталости обрабатываемого материала, сопровождающегося появлением в приповерхностных слоях большого количества микротрещин, о чём свидетельствуют экспериментальные данные полученные методом сканирующей электронной микроскопии с обработанной УЗО поверхности.

6. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений от поверхности в глубину обработанных УЗО материалов и показано, что для закалённой инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений составляет 800-800МПа на глубине до 150 мкм от обработанной УЗО поверхности. Далее он постепенно спадает, но сохраняет величину порядка 200-400МПа до глубины 250-300мкм.

7. Исследован предел усталостной прочности закалённой штамповой стали 4Х5МФ1С на базе 107 циклов и показано, что после УЗО он увеличивается почти в 2 раза с 650МПа (до УЗО) до 1150 МПа.

8. Методом горячей микротвёрдости показано, что порог термической стабильности полученной после УЗО нано- и микрокристаллической структуры и соответственно высокого уровня физико-механических свойств составляет 450-500°С. Выше этой температуры размер зерна структуры растёт за счёт протекания процесса рекристаллизации, а уровень физико-механических свойств соответственно падает.

9. Необходимо также отметить то обстоятельство, что способ ультразвуковой обработки, как в принципе и все другие технологии поверхностного упрочнения обладают определёнными резервами дальнейшего повышения уровня твёрдости и физико-механических свойств, которые можно реализовать уже непосредственно после проведения поверхностной упрочняющей обработки(ПУО). С точки зрения термодинамики, наличие приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений является движущей силой, приводящей за счёт разности химпотенциала G=-aVa=kTln(C/Co) к образованию направленного диффузионного потока собственных точечных (СТД) и примесей внедрения из объёмных внутренних слоёв металла в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокации быстродиффундирующие по междоузельному механизму примеси внедрения (C,N,0,H) приводят к более жёсткому их закреплению, т.е. к дополнительному упрочнению поверхностного слоя за счёт процесса деформационного старения (ДС). При этом в технически чистом железе и малоуглеродистых сталях наблюдается двукратный рост микротвёрдости на глубине до 1мкм. Кроме того, непосредственно в процессе ПУО при циклическом знакопеременном нагружении вследствие изменения упругого взаимодействия примесных атомов с кристаллической решёткой следует ожидать реализации механизма "диффузионной накачки" (СТД) и примесей внедрения в приповерхностные слои обрабатываемого материала. Важной особенностью в понимании физической природы и механизмов ДС является то, что в спектре стопоров, закрепляющих дислокацию по механизму Коттрелла, возможно не только наличие примесных атомов внедрения (C,N,0,H), но и собственных точечных дефектов (вакансий и междоузлий), которые осаждаясь на винтовых компонентах дислокаций образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокации не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Основным аргументом в пользу предлагаемого нами подхода по учету в механизме закрепления дислокационной структуры не только примесей внедрения, но и СТД (вакансий и междоузлий) является тот факт, что, как известно, в ОЦК металлах напряжение Пайерлса для винтовой дислокации приблизительно в 103 раз больше чем для краевой, что приводит на начальной стадии деформации к быстрому истощению наиболее подвижных краевых компонент дислокационной структуры и накоплению преимущественно винтовых компонент. Поскольку при движении таких винтовых дислокаций со ступеньками требуется диффузионный подвод или отвод вакансий или междоузлий (в зависимости от знака ступеньки), такой вид закрепления дислокационной структуры является не менее эффективным, чем примесными атомами внедрения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ким Чанг Сик, 2005 год

1. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Расчет пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

2. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. -199 с.

3. Дель Г. Д., Новиков Н.А. Метод делительных сеток. М.: Машинострвение, 1979.- 144 с.

4. Колпин Ю.Г., Смелянский В.М., Крючковский В.А. Пластичность металлов при немонотонном деформировании. Машины и автоматизация кузнечно-штамповочного производства. Межвуз. сб. М.: ВЗМИ, 1988. -С. 138-147.

5. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.

6. Кроха В.А, Упрочнение металлов при холодной пластической деформации.Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

7. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка детали поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

8. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным, пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

9. Реке И.П., Иванова Э.А. и др. Неравномерность деформации при пластическом течении. Часть I. Стационарное плоское течение. Тульский политехнический институт, 1971. 157 с.

10. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин при обработке ППД. Вестник машиностроения, 1982, №> 11.

11. Смелянский В.М. Геометрические аспекты пластического волнообразования при обработке поверхностным пластическим деформированием. Известия Вузов. М.: Машиностроение, 1983, № 10.

12. Смелянский В.М., Калпин Ю.Г., Баринов В.В. Исчерпание запаса пластичности металла в поверхностном слое деталей при обработке обкатыванием. Вестник машиностроения, 1990, № 8.

13. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

14. Смелянский В. М., Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформрования. МАШМИР, 1992

15. Розенберг JI. Д. Применение ультразвука. М., Изд-во АН СССР, 1957.107с

16. Сперанский А. П., Рокитянский В. И. Ультразвук и его лечебное применение. М., «Медицина», 1970. 288с

17. Теумин И. И. Ультразвуковые колебательные системы. М., Машгиз, 1959. 331с.

18. Теумин И. И. Ультразвуковые волноводно-излучающие устройства. М., ГОСИНТИ, 1963.57с

19. Агранат Б.А., Кириллов О.Д., Хавский Н.Н. Ультразвук в гидрометаллургии. М., «Металлургия», 1969, 303 с.

20. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М., «Металлургия», 1972, 256 с. глухих глубоких отверстий.- В кн.: Электрофизические и электрохимические методы обработки. НИИМАШ,1969, № 5-6, с. 77-78.

21. Ангелов Г.О. механизме уплотнения структуры металлов и сплавов под действием вибрации и ультразвука.- «Известия ВМЕИ», т. XXIV, кн. I. София,1970,с. 133-156.

22. Ангелов Г., Длягников И. Относительное влияние ультразвука на спонтанную кристаллизацию металлов.-«Известия ВМЕИ», т. XXVII, кн. I, София, 1971, с. 37-48.

23. Ангелов Г. Влияние ультразвука на кристаллизацию белого чугуна.

24. Годищннк МЕИ», т. XII,, кн. III, София, 1963, с. 33-52.

25. Ангелов Г. Влияние ультразвука и вибрации на жидкотекучесть силумина.-«Литейное производство», 1969, №2, с. 28-29.

26. Ангелов Г. Влияние ультразвука на усадку силумина АлЭ-«Известия ВМЕИ». кн. I. София, 1970, с. 15-23.

27. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М., Изд. иностр. лит., 1956, 726 с.

28. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., «Наука.-. 1966,168 с.

29. Гурвич А. К., Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль сварныхшвов. Киев, «Техника», 1972,312 с.

30. Гутин Л. Я. Магнитострикционные излучатели и приемники. «ЖТФ», 1945, т. 15, № 4-5, с. 239-243 и Л» 15,с. 924-938.

31. Гинин В. Н., Мамет Б. Т. Ультразвуковая очистка глухих глубоких отверстий. В кн. Электрофизические и электрохимические методы обработки. НИИМАШ, 1969, № 5-6, с. 77-78.

32. Гутнова Л. Б. О возможности использования эталонного загрязнения для контроля эффективности работы установок ультразвуковой очистки. -В кн.: Новые разработки в ультразвуковой технике. ЛДНТГТ, 1972, с. 14-20.

33. Иванова Т. Н., Панов А. П., Пискунов Ю. Ф. Опыт внедрения ультразвуковой очистки деталей топливной аппаратуры. В кн.: Применение ультразвука в машиностроении. М., 1972, с. 140-144.

34. Источники мощного ультразвука. Под ред. Л. Д. Розенберга. М.,«Наука», 1967, 379 с.

35. Келлер О. К., Самолетов В. К., Супонина М. А. Технология ультразвуковой очистки. 1971, ЛДНТП, с. 34.

36. Келлер O.K., Донской А.В., Кратыш Г. С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л., «Энергия», 1968, 276 с.

37. Коновалов Е.Г., Дроздов В.М., Тявловский М. Д. Динамическая прочность металлов. Минск, «Наука и техника», 1969, 304 с.

38. Коршунов Б.С. Удаление заусенцев с мелких деталей ультразвуковым способом. «Вестник машиностроения», 1969, № 12, с. 40-41.

39. Кондратьев А.Ф., Эунап А. В. Ультразвуковые излучатели для очистки глубоких отверстий. «Электрофиз. и электрохим. методы обработки», НИИМАШ, 1969, № 5-6, с. 37-40.

40. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. Изд-во АНСССР, 1954, 322 с.

41. Лощилов В.И., Леоничев В.А., Завьялов Л. И. Ультразвуковой сварочный инструмент для сварки биологических тканей. В кн.: Применение пластмасс в машиностроении. Под ред. Г.А. Николаева. М., «Машиностроение», 1969 (НТО Машпром), 56 с.

42. Макаров Л.О., Розенберг Л.Д. О механизме ультразвуковой очистки. «Акустический журнал», 1957, № 4, 374 с.

43. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при: помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. М., Машгиз, 1962, 332 с.

44. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов, М., «Машиностроение», 1968, 367 с.

45. Марков А.И., Озерова М.А., Устинов И.Д. Применение ультразвук» при алмазном выглаживании деталей. «Вестник машиностроения», 1973, №9, с. 57-61.

46. Мицкевич A.M. Напряженное состояние в области соединения при ультразвуковой сварке металлов. В кн.: Новые разработки в ультразвуковой технике. ЛДНТП, 1972, с. 23-30.

47. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л. Д. Розенберга. М.,«Наука», 1968, 267 с.

48. Муханов И.И., Голубев Ю. М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой. «Вестник машиностроения», 1966, № И, с. 52-53.

49. Неразрушающие испытания. Под ред. Р. Мак-Мастера, т. 2, М.,«Энергия», 1965, 375 с.

50. Непайрас Е.А. Некоторые вопросы ультразвуковой очистки. «Акустический журнал», 1962, № 6, с. 1-7.

51. Панов А.П., Пискунов Ю.Ф. Ультразвуковая очистка деталей топливной аппаратуры. «Ультразвуковая техника», 1966, вып. 4.

52. Пискунов Ю. Ф. Ультразвуковая очистка деталей излучателями -концентраторами с большим коэффициентом усиления. -В кн.: Новые методыобработки металлов ультразвуком. НИИМАШ, М., 1965, с. 27-28.

53. Петруха П.Г., Марков А.И., Устинов И.Д. Ультразвуковое сверление глубоких отверстий.- «Вестник машиностроения», 1970, № 10, с. 54-57.

54. Пискунов Ю.Ф. Ультразвуковая обработка хрупких материаловнепрофилированным инструментом. -В кн.: Электрофизические и электрохимические методы обработки, 1969, № 5-6, НИИМАШ, с. 71-76.

55. Погодин-Алексеев Г.И. Ультразвуковая обработка расплавов в металлургии. М. «Машиностроение», 1969, 96 с.

56. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О. Ультразвуковое резание. М., изд-во АН СССР, 1962, 251 с.

57. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Прокатка и волочение с ультразвуком. Минск, «Наука и техника», 1970, 180 с.

58. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск, «Наука и техника», 1973, 286 с.

59. Силин Л.Л., Баландин Г.Ф., Коган М.Г. Ультразвуковая сварка. М.,Машгиз, 1962, 252 с.

60. Скучик Е. Основы акустики, т. I. М., изд-во иност. лит., 1958, 380 с.

61. Стрет Д.В. (Релей). Теория звука. М. Гостехиздат, 1955, т. I, 456 с,т. И,423 с.

62. Спринг С. Очистка поверхности металлов. «Мир», 1966,349 с.

63. Статников Ю.Г. Микропотоки у газового пузырька в жидкости. -«Акустический журнал», 1967, вып. 3, с. 464'—466.

64. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М., Машгиз,1959, 231с.

65. Ультразвуковые преобразователи. Под ред. Е. Кикучи. М., «Мир», 1972,424 с.

66. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона, т. 1. М., «Мир», 1966-1973.

67. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л. Д. Розенберга. М., «Наука», 1970, 688 с.

68. Харкевич А.А. Теория преобразователей. М.-Л., Госэнергоиздат,1948, 191с.

69. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. Л., «Машинострооение», 1972, 152 с.

70. Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. «Металлургия», 1965, 316с.

71. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка расплавов алюминия. М., «Металлургия», 1965, 224 с.

72. Antony О.А. Technical Aspects of ultrasonic Cleaning «Ultrasonic» 1963, l.p. 194.

73. Crowford A.E. The application of ultrasonics to thermoplastic welding. «Applied Plastics», 1968, Feb.

74. Herbst I. Ch. Imrpovements in or relating to apparatus for performing on operation on a workpiece. Eng. pat., kl. COZE 3D (c. 23 G 5/04), N 1271943 от 8.VI1.69.

75. Krautkramer J., Krautkramer H. Ultrosonic Testing of Materials. Berlin (Heidelberg), 1969.

76. Markov A.I, Ultrasonic machining of intractable materials. London, Iiffe books, 1966,350 p.

77. Markov A.I., Ustinov I. D. A study of the Ultrasonic diamond drilling of non-metallic materials.-«Industrial Diamond Review 1972. March, p. 97-99.

78. Neppiras E.A. Ultrasonic machining. «Metalworking Production, v. 100. N 27-31, 33-34.

79. Neppiras E.A. Ultrasonic Welding of metals. Ultrasonics, July-September, 1965, p. 123-125.

80. Neppiras E.A. Ultrasonic plastics Welding.-Ultrasonics, v. 10. 1972,. N 1. p. 10-16.

81. Nolting B.E., Neppiras E. A. Cavitation Produced by Ultrasonics. -«Proc. Phys. Soc. », 1950, N 9, p. 674-679.

82. Pchlman R., Werden B. The Ultrasonic Cleaning Process. Ultrasonics, 1972, July, p. 156-161.

83. Shiro Benjamin P. Method and apparatus for applying ulrasonic energy to a workpiece. Pat. USA, kl. 134-1 (B08 7/02), Xs 3535159 ot7.XII.1967.

84. Welding Handbook 4 ed. N Y Amer. Weld. Soc, 1964.

85. R.H. Manon and J.B. Cohen, Adv. X-Ray Anal.,Vol 18,1975, p 466

86. P.S. Prevey, Adv. X-Ray Anal Vol 19, 1976, p 709

87. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом. Сб. " Повышение долговечности сталей методом поверхностного наклёпа",ЦНИТМАШ,кн. 108,М.,1965.

88. Ан Г. Д. Исследование процсса ультразвукового упрочнения высокопрочных авиационных материалов. Кандидатсткая диссертация Куйбь1шев.КУАИ,1969.

89. Томлёнов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. Машгиз,1963

90. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Металлургиздат,1960.

91. Муханов. И.И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом: Учеб. пособие для слушателей заочных курсоо повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. М.; Машиностроение, 1978 -44 с.

92. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов,М., 1968.

93. Марков А. И. Применение ультразвука в промышленности, М., 1975.

94. Муханов А. И. Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка стали и чугуна. Вестник машиностроения, 1968,№ 6, с. 64-66.

95. Муханов И.И., Голубев Ю.М.Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой. Вестник машиностроения 1966 № И.с. 52-53,

96. Муханов И. И., Голубев Ю. М. Поверхностный слой стальных деталей машин после ультразвуковой чистовой и упрочняющей обработки. Металловедение и термическая обработка металлов, 1969,№ 9, с. 29-32.

97. Муханов И.И., Голубев Ю. М., Комиссаров В. И. Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка деталей машин и инструментов ГОСИНТИ, М,. 1967,№20-67-1323/17.

98. Муханов И. И., Голубев Ю. М., Филимоненко В. Н. Ультразвуковое упрочнение стальных деталей машин. Сб. докладов/Новосибирская научно-техническая конференция по машиностроению, 1964, ч.1, с. 35-39.

99. Матов А.И.,Устинов И.Д. Ультразвуковое алмазное выглаживание деталей и режущего инструмента.

100. Гринчаченко Н. Г, Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов, М., Машиностроение, 1971.161 с.

101. Матов А.И., Устинов И. Д., Озерова М. А, Применение ультразвука при алмазном выглаживании деталей, Вестник машиностроения, 1973, № 9, 57-61с.

102. Маталин А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин, Киев. Техника, 1971.144с.

103. Папшев Д. Д, Упрочнение деталей обкаткой шариками. М., Машиностроение, 1968. 152 с.

104. Применение ультразвука в промышленности. Поп ред. А. И. Маркова. М., Машиностроение, 1975.240с.

105. Торбило В. М. Алмазное выглаживание. М., Машиностроение, 1972.104с.

106. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Моделирование процесса формирования регулярного рельефа при ультразвуковом алмазном выглаживании //Сверхтвердые материалы.- 1988.- № 6.-С.48-53.

107. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Исследование закономерностей формирования микрогеометрии поверхности при алмазной ультразвуковой упрочняюще -чистовой обработке //Сверхтвердые материалы.- 1992.- № 1.- С.45.

108. Куроедов Ю. Б. Особенкости структуры и конструктивная прочность закаленной стали после импульсной упрочняюще чистовой обработки ультразвуковым инструментом: Азтореф дис. канд. техк. наук.- М., 1979.- 21 с.

109. Чудинов А.В. Упрочняюще чистовая обработка стальных закаленные, деталей ультразвуковым инструментом: Азтореф. дис.канд. техн. наук.-Новосибирск, 1972.- 22 с.

110. Безнедельный А.И. Разработка и исследование бесцентровой упрочняюще -чистовой обработки ультразвуковым инструментом с оптимизацией контактного взаимодействия инструмента и детали: Автореф. дис. канл техн. наук.- Саратов, 1979.-16с.

111. Асанов В. Б. Качество поверхностного слоя деталей машин и его особенности после упрочняюще-чистовой обработки ультразвуковым инструментом: Автореф. дис. канд. техн. наук.- Новосибирск, 1972.- 32 с.

112. Бляшко Я. И. Разработка методе упрочнения крупногабаритных компрессорных лопаток поверхностным пластическим деформированием в ультразвуковом поле: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М., 1983.- 25 с.

113. Синдеев В. И. Исследование влияния упрочняюще-чистовой обработки лучом лазера и ультразвуковым инструментом на качество поверхностного слоя стальных деталей: Азтореф. дис. канд. техн. наук.- Куибьшев, 1981 .-22 с.

114. Исхакова Г.А., Гилета В. П. Структурное и микрогеометрическое состояние упрочненного слоя после высокоинтенсивного ультразвукового воздействия //Физика и химия обработки материалов.- 1989.- № 6.- С. 113-121.

115. Исхакова Г.А., Гилета., В.П. Роль процессов алмазной ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки в формировании качества поверхностного слоя // Физика и химия обработки материалов.- 1992.- № 4.- С.112-117.

116. Гилета В.П., Исхакова Г.А. Напряженное состояние упрочненного слоя после алмазной ультразвуковой обработки //Сверхтвердые материалы.- 1990.- № 3.- С.52-56.

117. Кувалдин Д.А., Булычев С.И., Каверина С.Н., Алтынов С.И. Влияние гидростатического давления на механические свойства и структуру поликристаллического молибдена. Известия АН СССР, Металлы, 1987, №4, с. 118-121.

118. Алехин В.П., Галкина Е.Г. Физико-механические свойства и термическая стабильность нитинола после интенсивной пластической деформации. Сб. "Кинетика и термодинамика пластической деформации", Барнаул, 1988, ч. I, с. 132-134.

119. Алехин В.П., Лякишев Н.П., Морохов И.Д. Ультрадисперсные порошки и материалы на их основе. Сб. "Фундаментальные науки народному хозяйству", АН СССР, М., Наука, 1990, с. 211-213.

120. Алехин В.П., Морохов И.Д. Микрокристаллические и ультрадисперсные порошки и материалы на их основе. Сб. "Новые металлургические процессы и материалы", сб. научных трудов ИМЕТ им. А.А. Байкова АН СССР, М., Наука, 1991, с. 149-156.

121. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М., Наука, 1983,280 с.

122. Алехин В.П. Физические закономерности поверхностной упрочняющей обработки материалов с использованием ультразвука. Сб. тезисов XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Тольятти, 2003, с. 2-79.