Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення

Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ за рахунок електроіскрового леґування (ЕІЛ) ніклевою або молібденовою електродами її поверхні та багаточинникового позитивного впливу фінішного ультразвукового ударного оброблення (УЗУО). Показано, що окремо застосоване УЗУО веде до з...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Металлофизика и новейшие технологии
Date:	2017
Main Authors:	Прокопенко, Г.І., Мордюк, Б.М., Волосевич, П.Ю., Ворона, С.П., Попова, Т.В., Піскун, Н.О.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2017
Subjects:	Металлические поверхности и плёнки
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123461
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення / Г.І. Прокопенко, Б.М. Мордюк, П.Ю. Волосевич, С.П. Ворона, Т.В. Попова, Н.О. Піскун // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 189-208. — Бібліогр.: 23 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-123461
record_format	dspace
spelling	Прокопенко, Г.І. Мордюк, Б.М. Волосевич, П.Ю. Ворона, С.П. Попова, Т.В. Піскун, Н.О. 2017-09-05T14:40:31Z 2017-09-05T14:40:31Z 2017 Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення / Г.І. Прокопенко, Б.М. Мордюк, П.Ю. Волосевич, С.П. Ворона, Т.В. Попова, Н.О. Піскун // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 189-208. — Бібліогр.: 23 назв. — укр. 1024-1809 DOI: 10.15407/mfint.39.02.0189 PACS: 43.35.+d, 61.05.C-, 62.20.M-, 62.20.Qp, 62.65.+k, 68.37.Lp, 81.40.Np https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123461 Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ за рахунок електроіскрового леґування (ЕІЛ) ніклевою або молібденовою електродами її поверхні та багаточинникового позитивного впливу фінішного ультразвукового ударного оброблення (УЗУО). Показано, що окремо застосоване УЗУО веде до зростання мікротвердости та підвищення втомної міцности сталі 20ГЛ на базі 10⁶ циклів за умов амплітудних циклічних навантажень у межах 360–400 МПа. Поверхневий шар після ЕІЛ молібденом демонструє вдвічі вищу мікротвердість, ніж вихідний і леґований ніклем зразки сталі 20ГЛ, що пов’язано з твердорозчинним зміцненням і багатофазністю модифікованого молібденом шару. Фінішне УЗУО модифікованих ЕІЛ шарів підвищує втомну довговічність сталі 20ГЛ, насамперед, за рахунок зниження шерсткости, формування залишкових макронапружень стиснення та створення дрібних дислокаційних комірчастих структур. При цьому збільшення числа мікроструктурних концентраторів і зменшення їхньої потужности знижує ймовірність локалізації деформації та раннього зародження втомних тріщин. Показана возможность повышения механических свойств стали 20ГЛ за счёт электроискрового легирования (ЭИЛ) никелевым или молибденовым электродами её поверхности и многофакторного положительного влияния финишной ультразвуковой ударной обработки (УЗУО). Показано, что отдельно применённая УЗУО ведёт к росту микротвёрдости и повышению усталостной прочности стали 20ГЛ на базе 10⁶ циклов в условиях амплитудных циклических нагрузок в пределах 360–400 МПа. Поверхностный слой после ЭИЛ молибденом демонстрирует микротвёрдость вдвое выше, чем исходный и легированный никелем образцы стали 20ГЛ, что связано с твёрдорастворным упрочнением и многофазностью модифицированного молибденом слоя. Финишная УЗУО модифицированных ЭИЛ слоёв повышает усталостную долговечность стали 20ГЛ, прежде всего, за счёт снижения шероховатости, формирования остаточных макронапряжений сжатия и создания мелких дислокационных ячеистых структур. При этом увеличение числа микроструктурных концентраторов и уменьшение их мощности снижает вероятность локализации деформации и раннего зарождения усталостных трещин. The possibility for increasing the mechanical properties of the 20 GL steel by electric-spark alloying (ESA) using nickel or molybdenum electrodes and by the multifactor positive influence of surface finishing by means of ultrasonic impact treatment (UIT) is demonstrated. The separately applied UIT leads to increase in microhardness and fatigue strength of the 20 GL steel on the base of 10⁶ cycles under amplitude of cyclic loads ranged within 360–400 MPa. The surface layer after ESA with molybdenum shows twice-higher microhardness than those of the original and nickel-alloyed steel samples that is due to the solid-solution hardening and multiphase state of the molybdenum-modified layer. The finishing UIT applied to the ESA-modified layers increases the fatigue durability of the 20 GL steel because of the roughness reduction (lowering the superficial stress raisers), the formation of residual compressive macrostresses, and the creation of dislocation-cell structures (increasing the number of microstructural stress raisers). Both factors lead to the reduction in probability of both the strain localization and the early nucleation of fatigue cracks. uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Металлические поверхности и плёнки Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення Структура и свойства стали 20ГЛ после электроискрового легирования никелем и молибденом и ультразвуковой ударной обработки Structure and Properties of the 20GL Steel After Electric-Spark Alloying with Nickel and Molybdenum and Ultrasonic Impact Treatment Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
spellingShingle	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення Прокопенко, Г.І. Мордюк, Б.М. Волосевич, П.Ю. Ворона, С.П. Попова, Т.В. Піскун, Н.О. Металлические поверхности и плёнки
title_short	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
title_full	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
title_fullStr	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
title_full_unstemmed	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
title_sort	структура і властивості сталі 20гл після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення
author	Прокопенко, Г.І. Мордюк, Б.М. Волосевич, П.Ю. Ворона, С.П. Попова, Т.В. Піскун, Н.О.
author_facet	Прокопенко, Г.І. Мордюк, Б.М. Волосевич, П.Ю. Ворона, С.П. Попова, Т.В. Піскун, Н.О.
topic	Металлические поверхности и плёнки
topic_facet	Металлические поверхности и плёнки
publishDate	2017
language	Ukrainian
container_title	Металлофизика и новейшие технологии
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
format	Article
title_alt	Структура и свойства стали 20ГЛ после электроискрового легирования никелем и молибденом и ультразвуковой ударной обработки Structure and Properties of the 20GL Steel After Electric-Spark Alloying with Nickel and Molybdenum and Ultrasonic Impact Treatment
description	Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ за рахунок електроіскрового леґування (ЕІЛ) ніклевою або молібденовою електродами її поверхні та багаточинникового позитивного впливу фінішного ультразвукового ударного оброблення (УЗУО). Показано, що окремо застосоване УЗУО веде до зростання мікротвердости та підвищення втомної міцности сталі 20ГЛ на базі 10⁶ циклів за умов амплітудних циклічних навантажень у межах 360–400 МПа. Поверхневий шар після ЕІЛ молібденом демонструє вдвічі вищу мікротвердість, ніж вихідний і леґований ніклем зразки сталі 20ГЛ, що пов’язано з твердорозчинним зміцненням і багатофазністю модифікованого молібденом шару. Фінішне УЗУО модифікованих ЕІЛ шарів підвищує втомну довговічність сталі 20ГЛ, насамперед, за рахунок зниження шерсткости, формування залишкових макронапружень стиснення та створення дрібних дислокаційних комірчастих структур. При цьому збільшення числа мікроструктурних концентраторів і зменшення їхньої потужности знижує ймовірність локалізації деформації та раннього зародження втомних тріщин. Показана возможность повышения механических свойств стали 20ГЛ за счёт электроискрового легирования (ЭИЛ) никелевым или молибденовым электродами её поверхности и многофакторного положительного влияния финишной ультразвуковой ударной обработки (УЗУО). Показано, что отдельно применённая УЗУО ведёт к росту микротвёрдости и повышению усталостной прочности стали 20ГЛ на базе 10⁶ циклов в условиях амплитудных циклических нагрузок в пределах 360–400 МПа. Поверхностный слой после ЭИЛ молибденом демонстрирует микротвёрдость вдвое выше, чем исходный и легированный никелем образцы стали 20ГЛ, что связано с твёрдорастворным упрочнением и многофазностью модифицированного молибденом слоя. Финишная УЗУО модифицированных ЭИЛ слоёв повышает усталостную долговечность стали 20ГЛ, прежде всего, за счёт снижения шероховатости, формирования остаточных макронапряжений сжатия и создания мелких дислокационных ячеистых структур. При этом увеличение числа микроструктурных концентраторов и уменьшение их мощности снижает вероятность локализации деформации и раннего зарождения усталостных трещин. The possibility for increasing the mechanical properties of the 20 GL steel by electric-spark alloying (ESA) using nickel or molybdenum electrodes and by the multifactor positive influence of surface finishing by means of ultrasonic impact treatment (UIT) is demonstrated. The separately applied UIT leads to increase in microhardness and fatigue strength of the 20 GL steel on the base of 10⁶ cycles under amplitude of cyclic loads ranged within 360–400 MPa. The surface layer after ESA with molybdenum shows twice-higher microhardness than those of the original and nickel-alloyed steel samples that is due to the solid-solution hardening and multiphase state of the molybdenum-modified layer. The finishing UIT applied to the ESA-modified layers increases the fatigue durability of the 20 GL steel because of the roughness reduction (lowering the superficial stress raisers), the formation of residual compressive macrostresses, and the creation of dislocation-cell structures (increasing the number of microstructural stress raisers). Both factors lead to the reduction in probability of both the strain localization and the early nucleation of fatigue cracks.
issn	1024-1809
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123461
citation_txt	Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення / Г.І. Прокопенко, Б.М. Мордюк, П.Ю. Волосевич, С.П. Ворона, Т.В. Попова, Н.О. Піскун // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 189-208. — Бібліогр.: 23 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT prokopenkogí strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT mordûkbm strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT volosevičpû strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT voronasp strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT popovatv strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT pískunno strukturaívlastivostístalí20glpíslâelektroískrovogoleguvannâníklemímolíbdenomtaulʹtrazvukovogoudarnogoobroblennâ AT prokopenkogí strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT mordûkbm strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT volosevičpû strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT voronasp strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT popovatv strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT pískunno strukturaisvoistvastali20glposleélektroiskrovogolegirovaniânikelemimolibdenomiulʹtrazvukovoiudarnoiobrabotki AT prokopenkogí structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment AT mordûkbm structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment AT volosevičpû structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment AT voronasp structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment AT popovatv structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment AT pískunno structureandpropertiesofthe20glsteelafterelectricsparkalloyingwithnickelandmolybdenumandultrasonicimpacttreatment
first_indexed	2025-11-26T19:07:32Z
last_indexed	2025-11-26T19:07:32Z
_version_	1850769488637591552
fulltext	189 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ПЛЁНКИ PACS numbers: 43.35.+d, 61.05.C-, 62.20.M-, 62.20.Qp, 62.65.+k, 68.37.Lp, 81.40.Np Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення Г. І. Прокопенко, Б. М. Мордюк, П. Ю. Волосевич, С. П. Ворона, Т. В. Попова, Н. О. Піскун  Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Акад. Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ за рахунок електроіскрового леґування (ЕІЛ) ніклевою або молібденовою електродами її поверхні та багаточинникового позитивного впливу фіні- шного ультразвукового ударного оброблення (УЗУО). Показано, що окре- мо застосоване УЗУО веде до зростання мікротвердости та підвищення втомної міцности сталі 20ГЛ на базі 106 циклів за умов амплітудних цик- лічних навантажень у межах 360–400 МПа. Поверхневий шар після ЕІЛ молібденом демонструє вдвічі вищу мікротвердість, ніж вихідний і леґо- ваний ніклем зразки сталі 20ГЛ, що пов’язано з твердорозчинним зміц- ненням і багатофазністю модифікованого молібденом шару. Фінішне УЗУО модифікованих ЕІЛ шарів підвищує втомну довговічність сталі 20ГЛ, насамперед, за рахунок зниження шерсткости, формування зали- шкових макронапружень стиснення та створення дрібних дислокаційних комірчастих структур. При цьому збільшення числа мікроструктурних концентраторів і зменшення їхньої потужности знижує ймовірність ло- калізації деформації та раннього зародження втомних тріщин. Ключові слова: ультразвукове ударне оброблення, електроіскрове леґування, Corresponding author: Georgiy Ivanovych Prokopenko E-mail: prokop@imp.kiev.ua G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S. of Ukraine, Academician Vernadsky Blvd., Bldg. 36, UA-03142 Kyiv, Ukraine Please cite this article as: G. I. Prokopenko, B. M. Mordyuk, P. Yu. Volosevych, S. P. Vorona, T. V. Popova, and N. O. Piskun, Structure and Properties of the 20GL Steel After Electric-Spark Alloying with Nickel and Molybdenum and Ultrasonic Impact Treatment, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 2: 189–208 (2017) (in Ukrainian), DOI: 10.15407/mfint.39.02.0189. Ìåòàëëîôèç. íîâåéøèå òåõíîë. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2017, т. 39, № 2, сс. 189–208 / DOI: 10.15407/mfint.39.02.0189 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2017 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. mailto:prokop@imp.kiev.ua 190 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. комірчаста структура, утворення фаз, мікротвердість, втомна довговічність. The possibility for increasing the mechanical properties of the 20 GL steel by electric-spark alloying (ESA) using nickel or molybdenum electrodes and by the multifactor positive influence of surface finishing by means of ultrasonic impact treatment (UIT) is demonstrated. The separately applied UIT leads to increase in microhardness and fatigue strength of the 20 GL steel on the base of 106 cycles under amplitude of cyclic loads ranged within 360–400 MPa. The surface layer after ESA with molybdenum shows twice-higher micro- hardness than those of the original and nickel-alloyed steel samples that is due to the solid-solution hardening and multiphase state of the molybdenum- modified layer. The finishing UIT applied to the ESA-modified layers in- creases the fatigue durability of the 20 GL steel because of the roughness re- duction (lowering the superficial stress raisers), the formation of residual compressive macrostresses, and the creation of dislocation-cell structures (increasing the number of microstructural stress raisers). Both factors lead to the reduction in probability of both the strain localization and the early nucleation of fatigue cracks. Key words: ultrasonic impact treatment, electro-spark alloying, dislocation- cell structure, fatigue durability. Показана возможность повышения механических свойств стали 20ГЛ за счёт электроискрового легирования (ЭИЛ) никелевым или молибденовым электродами её поверхности и многофакторного положительного влияния финишной ультразвуковой ударной обработки (УЗУО). Показано, что от- дельно применённая УЗУО ведёт к росту микротвёрдости и повышению усталостной прочности стали 20ГЛ на базе 106 циклов в условиях ампли- тудных циклических нагрузок в пределах 360–400 МПа. Поверхностный слой после ЭИЛ молибденом демонстрирует микротвёрдость вдвое выше, чем исходный и легированный никелем образцы стали 20ГЛ, что связано с твёрдорастворным упрочнением и многофазностью модифицированного молибденом слоя. Финишная УЗУО модифицированных ЭИЛ слоёв по- вышает усталостную долговечность стали 20ГЛ, прежде всего, за счёт снижения шероховатости, формирования остаточных макронапряжений сжатия и создания мелких дислокационных ячеистых структур. При этом увеличение числа микроструктурных концентраторов и уменьшение их мощности снижает вероятность локализации деформации и раннего зарождения усталостных трещин. Ключевые слова: ультразвуковая ударная обработка, электроискровое легирование, ячеистая структура, образование фаз, микротвёрдость, усталостная долговечность. (Отримано 6 липня 2016 р.; після доопрацювання — 24 січня 2017 р.) 1. ВСТУП Відомо, що методи поверхневої пластичної деформації (ППД) мають СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 191 комплексний позитивний вплив на структуру поверхневих шарів металевих матеріялів, що супроводжується підвищенням їх експлу- атаційних характеристик [1]. Це в повній мірі стосується ультразву- кового ударного оброблення (УЗУО) металевих поверхонь [2, 3]. В даний час актуальними є дослідження, направлені на розробку мето- дів поліпшення поведінки матеріялів в аґресивних середовищах, експлуатація в яких пов’язана як з виникненням нових, так і розви- ненням існуючих поверхневих пошкоджень. Вони викликають пришвидшену деґрадацію властивостей за рахунок корозійної втоми [4]. Одним з найбільш розповсюджених способів подовження строку служби сталевих виробів є нанесення тонких корозійностійких пок- риттів [5, 6]. Однак леґувальні елементи та методи їх нанесення та- кож вносять різні особливості в поведінку матеріялу, пов’язані із зміною його хімічних, фізичних і механічних властивостей. Тому застосуванню модифікованих поверхонь у виробах повинні переду- вати всебічні дослідження з наступним відпрацюванням технологій одержання оптимальних службових характеристик. Важливою задачею є з’ясування закономірностей структурних перетворень при насиченні поверхневих шарів леґувальними еле- ментами та дефектами різних масштабних рівнів і природи. В пер- шу чергу, це пов’язано з концентраторами напружень різних похо- джень, типу і потужности [7, 8], які визначальним чином вплива- ють на експлуатаційні характеристики виробів. Наприклад, вико- ристання електролітичних покриттів з хрому може викликати сут- тєве зниження втомних властивостей [9] через появу при нанесенні додаткової кількости дефектів типу пор і мікротріщин [10]. Для усунення зазначених недоліків використовують методи де- формаційної модифікації поверхні, такі як дробоструминне оброб- лення, обкатування роликами та багато ін. [11] або УЗУО [12, 13], які зменшують шерсткість поверхні та змінюють мікроструктуру приповерхневих шарів, знижуючи потужність концентраторів на- пружень у них при збільшені їх кількости та створюючи стискальні напруження, що загалом забезпечує підвищення ресурсу виробів. Дана робота присвячена вивченню впливу електроіскрового ле- ґування (ЕІЛ) ніклем та молібденом і подальшого УЗУО на структу- ру приповерхневих шарів та механічні властивості зразків ливарної сталі 20ГЛ, яка широко застосовується в транспортному машино- будуванні. Вибір зазначених леґувальних елементів обумовлений їх різною схильністю до утворення карбідів та інтерметалідних фаз з залізом, а також різними впливами на механізми пластичної дефо- рмації, зміцнення та корозійну стійкість. 2. МАТЕРІЯЛ І МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ В якості вихідного матеріялу використана сталь 20ГЛ в нормалізо- 192 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. ваному стані. Склад і механічні характеристики цієї сталі наведено в табл. 1. Для втомних досліджень готувалися зразки ґантельної форми з робочою частиною у вигляді циліндра змінного перерізу з мінімальним діяметром 4 мм, довжиною робочої частини 15 мм і радіусом кривизни звуження 30 мм згідно з ГОСТ 25.502-79 (рис. 1, a), які піддавалися стандартному термообробленню (витримці при 900С протягом 0,5 години з наступним охолодженням на повітрі). ЕІЛ та УЗУО проводилися на токарному верстаті, в умовах обер- тання зразка при переміщенні діючого обладнання вздовж його осі. Механічні властивості вихідного стану сталі після ЕІЛ ніклевим і молібденовим електродами, а також після УЗУО вивчалися при проведенні випробувань на втому та мікротвердість. ЕІЛ проводили з використанням стандартної промислової установки «Елітрон 22А» [14]. Схему процесу леґування показано на рис. 1, б. Зсув ано- ди, встановленої в супорті токарного верстата за умов ЕІЛ, здійсню- вався з поздовжньою подачею S  0,1 мм/об при швидкості обертан- ня шпинделя N  44 об/хв. Оброблення проводили за 2 проходи. Величина робочого струму становила 0,6–0,85 А, робоча частота (fA) і амплітуда (А) вібрацій аноди були 100  3 Гц і 0,5–0,6 мм, а тривалість і енергія електрич- них імпульсів дорівнювала 200 мкс та 1,0 Дж відповідно. При пері- одичному вивільненні електричної енергії, накопиченої конденса- тором 2, ґенеруються електроіскрові розряди 4 між двома електро- дами — катодою 1 (оброблюваним зразком) і анодою 3 з ніклю або молібдену технічної чистоти, які призначені для леґування повер- хні катоди. Обраний режим оброблення забезпечував товщину ле- ґованого шару в межах 25–40 мкм. Для здійснення УЗУО ударний інструмент ультразвукової уста- новки кріпився в супорті токарного верстата [12]. Швидкість обер- тання зразка при УЗУО становила N  132 об/хв., а поздовжня по- дача S  0,1 мм/об (рис. 1, в). При частоті коливань ультразвукового концентратора fUS  18,7 кГц бойок, розміщений між торцем конце- нтратора і зразком, здійснює багаторазове ударне навантаження поверхонь з частотою 1–3 кГц [3]. Така схема ударного оброблення, забезпечуючи зниження шерсткости поверхні зразка, викликає ТАБЛИЦЯ 1. Хімічний склад і механічні властивості сталі 20ГЛ. TABLE 1. Chemical composition and mechanical properties of steel 20GL. Mn, % Si, % S, % P, % Т, МПа В, МПа Е, ГПа  , % , % 1,2–1,6 0,2–0,4 0,04 0,04 275 540 205 0,28 18 25 Т — межа плинности, В — межа міцности, Е — модуль пружности,  — коефіцієнт Пуассона,  — відносне видовження,  — відносне звуження. СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 193 структурні зміни та формування значних стискальних залишкових макронапружень в його поверхневому шарі [13], товщина якого за- лежить від кінетичної енергії удару, яка задається потужністю ґе- нератора і амплітудою коливань ультразвукового концентратора. Характеристики опору втомі визначали за усередненими резуль- татами випробувань, проведених на комплексі «INSTRON 8802» при віднульовому циклічному розтягуванні до обраних амплітудних значень напружень А, які дорівнювали 365, 380 і 400 МПа, з часто- тою пульсацій 25 Гц на базі 106 циклів. Кожна партія зразків у вихі- дному стані і після різних поверхневих оброблянь (УЗУО, ЕІЛ   УЗУО) складалася з 5 штук. Мікротвердість вимірювали за допомо- гою приладу ПМТ-3 при навантаженні у 100 г на индентор Віккерса. Рентґенівські структурна та фазова аналізи проводили по стан- дартній схемі 2 на дифрактометрі ДРОН-3М з графітовим моно- хроматором в CuK-випроміненні. Макронапруження (R), сформо- вані після ЕІЛ і УЗУО, оцінювали з використанням sin2-методи. Рис. 1. Зовнішній вигляд зразка (а) і схеми процесів ЕІЛ (б) і УЗУО (в): 1 — зразок, 2 — ґенератор імпульсів, 3 — анода з ніклю або молібдену, 4 — іс- кровий електричний розряд, 5 — модифікований поверхневий шар, 6 — ультразвуковий ґенератор, 7 — п’єзокерамічний перетворювач, 8 — ульт- развуковий концентратор, 9 — бойок в ударній головці; fA, fUS, fI — часто- ти аноди, ультразвукового концентратора і ударів бойка. Fig. 1. General view of specimen (а) and schemes of the ESA (б) and UIT (в) processes: 1—specimen, 2—pulse generator, 3—anode made of nickel or mo- lybdenum, 4—electric spark discharge, 5—modified surface layer, 6— ultrasonic generator, 7—piezoceramic transducer, 8—ultrasonic horn, 9— pin in impact head; fA, fUS, fI are the frequencies of anode, ultrasonic horn and pin impacts, respectively. 194 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. Металографічні і електронно-мікроскопічні дослідження ієрар- хій структур зразків, а також поверхонь руйнування після випро- бувань на втому, проведені з використанням оптичної (Nehophot- 32), трансмісійної (JEM-CX100) і сканівної (JSM 6490LV) елект- ронної мікроскопії. Зразки для вивчення тонкої структури готува- лися з обережністю для виключення додаткового механічного впливу на структуру з використанням методики односторонньої хі- мічної (початкова стадія) і завершальної електролітичної поліров- ки при напрузі в інтервалі 90–100 В із застосуванням фторопласто- вого утримувача в охолоджуваному водою електроліті складу: 133 мл крижаної оцтової кислоти, 75 г хромового ангідриду та 10–20 мл дистильованої води. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТІВ Залежності змін мікротвердости HV поверхні зразків сталі 20ГЛ в нормалізованому стані до і після ЕІЛ, а також УЗУО різної тривало- сти наведено на рис. 2. Аналіза результатів свідчить про те, що у порівнянні з вихідним станом мікротвердість зразків зростає як пі- сля ЕІЛ, так і з ростом часу УЗУО. Збільшення твердости внаслідок ЕІЛ залежить від властивостей відповідних леґувальних елементів, а також фазового складу їх бінарних систем із залізом і вуглецем [15] (табл. 2). При УЗУО HV всіх зразків збільшується з поступовим виходом на поличку. Величина зміцнення, викликаного деформа- цією при УЗУО, також залежить від властивостей застосованих ле- ґувальних елементів, а саме, від їх кількости в твердому розчині та схильности до утворення карбідів і інших фаз із залізом. Якщо припустити, що поверхні модифікованих Ni або Mo зразків містять тільки їх шар, то доречним буде порівняти експериментально оде- ржані дані після УЗУО (рис. 2) і табличні значення мікротвердости деформованих ніклю та молібдену (табл. 2). Таке співставлення сві- дчить про те, що мікротвердість поверхні, яка модифікована Ni, пі- сля УЗУО незначно перевищує значення деформованого ніклю тех- нічної чистоти і всього на 25% більша за подібне зміцнення вихід- ного зразка. У той же час, у разі молібденового покриття реалізу- ється значно більше зміцнення. Значення HV поверхневого шару в цьому випадку істотно вище табличного для деформованого моліб- дену (табл. 2). Це може бути пов’язано з формуванням FeNi та FeNi3 ГЦК-фаз в збагаченому ніклем електроіскровому покритті, (рис. 3, а), з одного боку, та багатофазного стану в Fe–Mo-покритті (рис. 3, б), з іншого [16, 17]. Ґрунтуючись на даних рентґенівської фазової аналізи (рис. 3), можна зробити висновок, що в деформаційне зміц- нення Fe–Mo-покриття роблять внесок фази, утворені при ЕІЛ. Та- ким чином, зміцнення в даному випадку може відбуватися із залу- ченням різних механізмів, у тому числі твердорозчинного (-FeMo) СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 195 і дисперсійного (модель Орована), якщо в твердому розчині -FeMo знаходяться дисперсні виділення. Аналіза розподілу мікротвердости по глибині поверхневих шарів після ЕІЛ  УЗУО свідчить про те, що її максимальні значення спо- стерігаються на глибині 10–20 мкм від поверхні, перевищуючи зна- чення на поверхні на  10%. Це може бути пов’язано з релаксаційни- ми процесами в тонкому поверхневому шарі. При відстані більш ніж 20 мкм від обробленої поверхні HV починає знижуватися і наближа- ється до значень вихідного стану сталі 20ГЛ на глибині  40–50 мкм (після ЕІЛ Мо) або  70–80 мкм (після нанесення Ni). Різниця у тов- Рис. 2. Залежність зміни мікротвердости вихідного (1) і леґованих ЕІЛ Ni (2) і Mo (3) зразків сталі 20ГЛ від часу наступного УЗУО. Fig. 2. Dependences of changes in microhardness of initial specimen of steel 20GL (1) and specimens after electric-spark alloying (ESA) with Ni (2) and Mo (3) on the time of finishing UIT. ТАБЛИЦЯ 2. Властивості леґувальних елементів, використаних при ЕІЛ [15]. TABLE 2. Properties of alloying elements used at ESA [15]. Матеріял аноди Відпалений стан Деформований стан (е  0,5) Основні фази Ni і Mo в бінарній системі з залізом 0,2, МПа В, МПа В, МПа HV, ГПа Ni 247 333 590 1,9 -FeNi, с-FeNi3 [16] Mo 449 560 670 2,5 -FeMo, -FeMo, tr-FeMo, t-FeMo [17] 196 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. щині зміцнених шарів після УЗУО пов’язана з різною здатністю до деформації шарів, леґованих за умов ЕІЛ Мо чи Ni, які після ЕІЛ ма- ли майже однакову товщину ( 25 мкм), але різну твердість (рис. 2). У випадку леґування сталі 20ГЛ ніклем в модифікованому шарі спостерігаються дві ГЦК-фази: твердий розчин -FeNi та пермалой Рис. 3. Фраґменти –2-рентґенограм зразків сталі 20ГЛ після УЗУО (1) та після ЕІЛ ніклем (а) і молібденом (б) з наступним УЗУО (2). Рентґенограми 3 відповідають відпаленим зразкам ніклю (а) і молібдену (б). Fig. 3. Fragments of the –2 X-ray diffraction patterns for steel 20GL after UIT (1) and after ESA by nickel (a) and molybdenum (б) followed by UIT (2). Diffraction patterns 3 correspond to the annealed specimens of nickel (а) and molybdenum (б). СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 197 -FeNi3 (рис. 3, а). У випадку модифікації молібденом на рентґено- грамах виявлено широкі максимуми, які можуть бути утворені в результаті суперпозиції максимумів від набору різних фаз (рис. 3, б). У системі Fe–Mo можливе формування ОЦК-твердих розчинів Fe–Mo перемінного складу, що матимуть рентґенівські піки, роз- ташовані у різних кутових положеннях у відповідності зі зміною параметра ґратниці твердого розчину, який лінійно зростає зі збі- льшенням вмісту молібдену [16], а також цілого ряду зміцнюваль- них фаз ( (Fe2Mo),  (Fe7Mo6), R (Fe3Mo2),  (FeMo) фаз і (Fe,Mo)3C карбідів) [18]. Доречно також проаналізувати результати деталь- них рентґенівських досліджень фазового складу швидко загартова- них стрічок Fe–Mo, одержані в [17], оскільки умови їх одержання дещо подібні до умов утворення модифікованих шарів при ЕІЛ (швидке охолодження розплаву). Було встановлено, що при швид- кому охолодженні в стрічках спостерігається суміш чотирьох фаз. Крім твердого розчину перемінного складу загартовані стрічки міс- тили - (-Mо), - та - (Fe7Mo6)-фази. На вільній поверхні стрічок, тобто в умовах наближених до умов утворення поверхневого шару, одержаного в нашому випадку, спостерігалася найбільша об’ємна частка -фази (до 60%) та близько 10% - і -фаз, а решту складали ОЦК-тверді розчини Fe–Mo [17]. Зареєстровані в нашій роботі рент- ґенівські максимуми у модифікованому шарі Fe–Mo після ЕІЛ (рис. 3, б), очевидно слід, в першу чергу, пов’язувати з ОЦК-твердим роз- чином Fe–Mo, оскільки інтенсивність піків додаткових фаз, поло- ження яких вказані на відповідній дифрактограмі, знаходиться на рівні фону. У вихідному стані після нормалізації сталь 20ГЛ має сформовану зернисту структуру з розміром зерен від 3 до 15 мкм, де можна від- різнити феритну (світлі зерна) та перлітну складові (рис. 4, а). По- рівняльна аналіза результатів електронно-мікроскопічних дослі- джень внутрішньої структури приповерхневих шарів зразків вихі- дного стану до і після УЗУО показує, що їх феритна складова зазнає при деформації істотних змін (рис. 4, г). Вони пов’язані з утворен- ням добре сформованих комірчастих структур, середній розмір ко- мірок яких лежить в межах 0,25–1 мкм. Аналіза електронограми (рис. 4, д) свідчить про незначні кутові азимутальні дезорієнтації між комірками ( 1,5–5). Необхідно відзначити, що межі комірок, а також окремі дислокації всередині них блоковані дисперсними виділеннями (20–40 нм) цементитного типу. Висококутові межі зе- рен феритної складової, які добре проявляються у вихідному стані сталі 20ГЛ (рис. 4, в), після УЗУО в поверхневому шарі визнача- ються набагато гірше і найчастіше мають вигляд дисклінацій (обір- ваних залишків вихідних меж зерен різної довжини), які поступово переходять у межі комірок. У той же час перлітна складова зазнає значно менших змін, які полягають у появі дислокаційних скуп- 198 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. чень, що піддають фраґментації феритні прошарки перліту, а та- кож у частковому розчиненні окремих областей цементитних плас- тин перліту (рис. 4, е). Результати електронно-мікроскопічних досліджень структури поверхневого шару зразка сталі 20ГЛ після його ЕІЛ ніклем і пода- льшого УЗУО (час оброблення   30 с, ступінь деформації е  0,4) наведено на рис. 5. Основними елементами мікроструктурного ста- ну перехідної зони між модифікованим за допомогою ЕІЛ шаром і сталлю 20ГЛ є комірки розміром 0,5–3 мкм, азимутальна дезорієн- тація між якими лежить в межах 1,5–5 (рис. 5, б). В тілі комірок спостерігається підвищена до 109 см 2 густина дислокацій. В окре- Рис. 4. Металографічне (а) й електронно-мікроскопічні (б–е) зображення структури перлітної (б, е) та феритної (в, г) складових у вихідному стані сталі 20ГЛ (в, г) та після її УЗУО (г, е), де (д) — електронограма від облас- ти, наведеної на (г). Fig. 4. Optical (а) and transmission electron-microscopy (б–е) images of mi- crostructure of pearlite (б, е) and ferritic (в, г) constituents in initial speci- men of steel 20GL (в, г) and specimen after UIT (г, е), where (д) is electron- diffraction pattern obtained from the area shown in (г). СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 199 мих областях поверхневого шару присутні елементи структури з ГЦК-ґратницею, що підтверджується не тільки розрахунками еле- ктронограм (рис. 5, б), а й результатами рентґеноструктурної аналі- зи (рис. 3, а). Після наступного УЗУО густина дислокацій «лісу» зростає до 51010 см 2 (рис. 5, в). Дислокації є декорованими наноро- змірними виділеннями, що підтверджується наявністю відповід- них рефлексів і кілець на електронограмі (рис. 5, г). Аналіза результатів електронно-мікроскопічних досліджень внутрішньої структури поверхневих шарів зразків після ЕІЛ молі- бденом і наступного УЗУО, наведених на рис. 6, свідчить про те, що, як і у випадку з Ni, в поверхневому шарі до глибини 25–30 мкм в феритній складовій формується комірчаста структура з розмірами 0,5–2,5 мкм (рис. 6, а). В той же час, в перліті подібні структури ро- звинуті в значно меншій мірі при дещо вищій густині дислокацій (рис. 6, в). Як в феритній, так і в перлітній складових мікрострук- тури часто спостерігаються скупчення дислокацій, заблокованих дисперсними (до 80 нм) карбідними виділеннями. Вони чітко про- являються на темнопільних зображеннях (вказано стрілками на рис. 6, д, е), одержаних в рефлексах позначених стрілками 1 і 2 на Рис. 5. Електронно-мікроскопічні зображення структури поверхневого шару зразка сталі 20ГЛ після ЕІЛ ніклем і наступного УЗУО (а, в), де (б, г) — електронограми, одержані від ділянок, наведених на (а, в) відповідно. Fig. 5. TEM images of microstructure of surface layer of 20GL steel specimen after ESA with nickel followed by UIT (a, в), where (б, г) are electron diffrac- tion patterns obtained from the area shown in (а) and (в), respectively. 200 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. відповідній картині електронної дифракції (рис. 6, г). Проведені оцінки свідчать, що система більш слабких рефлексів на цій карти- ні електронної дифракції може відповідати -фазі (Fe7Mo6) [19]. Результати втомних випробувань зразків сталі 20ГЛ у вихідному стані, після УЗУО нелеґованих зразків та після ЕІЛ молібденом з Рис. 6. Електронно-мікроскопічні світлопільні (а, в) і темнопільні (д, е) зображення структури поверхневого шару зразка сталі 20ГЛ після ЕІЛ молібденом і наступного УЗУО та електронограми (б, г) від ділянок, наве- дених на (а, в). Темнопільні зображення д і е одержано з рефлексів, відпо- відно позначених стрілками 1 і 2. Fig. 6. TEM bright-field (а, в) and dark-field (д, е) images of microstructure of surface layer of 20GL steel specimen after ESA with molybdenum followed by UIT and electron diffraction patterns (б, г) obtained from the area shown in (а, в). Dark-field images (д) and (е) were obtained from the reflections indi- cated with arrows 1 and 2 in (г). СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 201 подальшою УЗУО наведено на рис. 7. Вибір у якості покриття Мо був обумовлений тим, що ЕІЛ молібденовою катодою значно підви- щує міцність поверхневого шару. Окрім цього, як показали попере- дні дослідження, ЕІЛ ніклем неґативно впливає на втомну довгові- чність зварних з’єднань низьколеґованих сталей [20]. Як видно з гістограми, довговічність у вихідному стані знижується із зростан- ням амплітуди циклічної деформації А. У порівнянні з вихідним станом зразки, оброблені тільки УЗУО, демонструють суттєво поліпшені втомні характеристики. Так, при амплітудних напруженнях в циклі А на рівні 365, 380 і 400 МПа спостерігається зростання довговічности зразків до 106 циклів без наявности втомних руйнувань. Довговічність зразків, після ЕІЛ   УЗУО, дещо нижча в порівнянні з нелеґованими зразками після УЗУО. Однак, при амплітудах напруження А  380 МПа і А  400 МПа має місце помітне зростання довговічности зразків після ком- плексного оброблення (ЕІЛ  УЗУО) порівняно із вихідними зраз- ками. Деяке зниження довговічности при ЕІЛ  УЗУО можна пояс- нити дуже складним фазовим складом поверхні зразків сталі 20ГЛ при ЕІЛ молібденом, на що вказують результати рентґенівських досліджень (рис. 3, б). При цьому виникають крихкі інтерметалідні фази (Fe7Mo6), що сприяють можливому зародженню втомних трі- щин на межах фаз або на зародкових тріщинах всередині крихких частинок, що знижує втомну міцність. Аналіза поверхонь руйнування (рис. 8, а–г) показала, що на зла- Рис. 7. Довговічність сталі 20ГЛ у вихідному стані (0), після УЗУО (1) та після ЕІЛ молібденом з наступною УЗУО (2). Fig. 7. Fatigue life time of steel 20GL in initial state (0), after UIT (1), and after ESA (with Мо) followed by UIT (2). 202 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. мі спостерігаються локальні зони підвищеної дефектности, в яких починається утворення втомних тріщин. Їх зародження у вихідних і модифікованих ЕІЛ зразках відбувається практично на поверхні, де концентраторами напружень є дефекти шліфування (мікроско- пічні риски), а також суттєве підвищення шерсткости після ЕІЛ з різноманітним фазовим складом, який може містити крихкі фази (рис. 8, а, б). Інша картина спостерігається в зразках, оброблених УЗУО, в яких відбувається збільшення розміру локальної зони під- вищеної дефектности [7, 21]. Це сприяє зміщенню зони зародження тріщини вглиб зразка — ближче до його центральної частини (рис. 8, в), що й приводить до підвищення кількости циклів навантажен- ня до руйнування. Рис. 8. Поверхні руйнування після випробувань на втому (А  380 МПа) зразків сталі 20ГЛ у вихідному стані (а), після ЕІЛ (Мо) (б) та після ЕІЛ (Мо) з наступним УЗУО (в), а також після УЗУО вихідного стану та випро- бувань при А  430 МПа (г). Fig. 8. Fracture surfaces after fatigue tests (А  380 MPa) of specimens of steel 20GL in initial state (а), after ESA (Мо) (б), after ESA (Мо) followed by UIT (в), and after UIT of specimen in initial state and tests at А  430 МPа (г). СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 203 Чисельні експерименти вказують на те, що внаслідок УЗУО в по- верхневому шарі виникають стискальні напруження і знижується шерсткість поверхні [3], що є основними причинами росту опору втомі. Це створює умови для зникнення або зменшення концентра- торів напружень, спроможних в умовах використаних амплітудних навантажень сприяти зародженню тріщини втоми. На рисунку 8, г показана поверхня руйнування вихідного зразка, підданого тільки УЗУО, який не зруйнувався після 106 циклів випробувань при А  365 МПа і був знову випробуваний при амплітудному напру- женні А, підвищеному до 430 МПа. Руйнування цього зразка відбулося після 1,3105 циклів наван- таження. Видно, що при таких високих напруженнях характер руйнування змінюється з втомного, яке містить одне чітко вираже- не місце зародження та росту тріщини, на квазикрихке руйнування з виявленням на більш рельєфній поверхні декількох, незалежно діючих тріщин, утворених завдяки поверхневим концентраторам (рис. 8, г). 4. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ Відомо, що експлуатаційні характеристики конструкцій залежать від наявности, потужности та місця розташування концентраторів напружень різного походження. Умовно їх можна поділити на тех- нологічні та структурні, що пов’язано, як з особливостями будови самої конструкції та її елементів, так і з ієрархіями мікроструктури матеріялу, з якого вони виготовлені. Найбільш небезпечними кон- центраторами є ті, що мають максимальну потужність і розташова- ні відповідно до епюр розподілу напружень в зонах їх максималь- них значень. В переважній більшості випадків такими зонами є по- верхні, ситуація вздовж яких може ускладнюватися при роботі конструкцій в агресивних середовищах, оскільки це може призво- дити до утворення нових поверхневих ушкоджень (концентраторів) або підсилювати наявні, погіршуючи службові характеристики конструкцій загалом [3, 4, 8]. Нещодавно було показано, що комбі- новане оброблення ЕІЛ  УЗУО підвищує не тільки корозійну стій- кість сталі 20ГЛ [22], а й її втомні характеристики [14]. Тобто, мо- жна очікувати, що втомні характеристики сталі 20ГЛ після ЕІЛ бу- дуть в основному залежати від властивостей і структури леґованого та деформованого при УЗУО поверхневого шару, а також зчеплення між ним і основним металом, яке при ЕІЛ є дуже високим, на від- міну від інших покриттів. Аналіза одержаних результатів разом з літературними даними дозволяє дійти висновку про багатофактор- ний вплив проведених комплексних оброблянь на властивості зраз- ків, які визначаються поведінкою виникаючих в них локальних концентраторів і швидкістю зростання напружень в їх вершинах 204 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. під впливом зовнішніх циклічних навантажень. Серед складових, що впливають на втому матеріялів з корозій- ними покриттями, є величини та знаки залишкових макронапру- жень, які формуються за рахунок інтенсивної пластичної деформа- ції при УЗУО. В даній роботі у поверхневих шарах стальних зразків після УЗУО зареєстровані залишкові макронапруження стиснення близького рівня (200 МПа після УЗУО, 210 МПа після ЕІЛ (Ni)   УЗУО та 240 МПа після ЕІЛ (Мо)  УЗУО). Ці поверхневі макро- напруження (S) на мікрорівні не можуть за визначенням пере- вищувати межу пружности матеріялу і є одною із постійних скла- дових в загальній сумі, що визначає сумарні діючі напруження (к) в вершинах кожного з концентраторів після відповідних оброб- лянь. Друга складова (м) та вся сума (к) залежать від величини та швидкости зміни докладеної макроскопічної сили при випробу- ваннях. Таким чином, сумарне напруження к  (S)  (м) (1) є відповідальним за визначення величини, знаку та швидкости зро- стання напружень в вершинах всіх діючих концентраторів, кіль- кість яких, згідно з [23], змінюється за параболічним законом по відношенню до швидкости деформації. Величини та швидкості змін напружень, що діють у вершинах концентраторів, відповідають не тільки за кількість діючих меха- нізмів релаксації, а й за чисельність та стан елементарних носіїв пластичної деформації (вакансій і дислокацій, комірок, в тому чис- лі і при змінах виду примежових проковзувань та руйнуваннях). Кількість носіїв, як і кількість концентраторів, змінюється за па- раболічним законом в залежності від швидкости зростання напру- жень (Vsr) [14, 23]. При цьому слід зауважити, що кожний з механі- змів релаксації та їх колективна дія пов’язані тільки з певними ін- тервалами швидкостей деформації і величин напружень. Зростання напружень зі швидкістю деформації розглядалося в моделю [23] з урахуванням особливостей змін мікроструктури, де показано, що величина Vsr в вершині одного концентратора прямо пропорційна моменту Fi макроскопічної сили F, спрямованої на його розкриття і обернено пропорційна кількості (N) концентраторів та їх гостроті (r): Vsr  f(Fi/N)  FL/(Nr), (2) де Fi  FL/r — момент сили F, L — довжина концентратора на- пружень,  — коефіцієнт, що враховує орієнтацію макроскопічної сили F по відношенню до напрямків розташування концентратора та дії в його вершині механізмів релаксації. СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 205 В нашому випадку як подрібнення зерен, так і формування дис- локаційної комірчастої структури (рис. 4, г, рис. 5, a, рис. 6, a) природно зменшує діючі напруження у вершинах структурних концентраторів за рахунок не тільки збільшення кількости, а й від- повідного зменшення їх потужности. Ці зміни ансамблю концент- раторів мають супроводжуватися збільшенням докладених макро- скопічних зусиль для досягнення умов запуску діючих механізмів релаксації в вершинах більшого числа концентраторів. Це стосу- ється будь-яких зовнішніх навантажень чи механічних випробу- вань, в тому числі і різноманітних випробувань на втому. Очевид- ним проявом описаних процесів є зростання значень мікротвердос- ти за умов появи в матеріялі розвинутої дефектної структури або подрібненого зерна, які забезпечують зростання кількости менш потужних мікроструктурних концентраторів напружень. З цієї точки зору у нашому дослідженні найбільш цікавим є випа- док леґування поверхневого шару молібденом, коли відбувається йо- го суттєве зміцнення в процесі УЗУО. Зростання мікротвердости (рис. 2) вказує і на пропорційне збільшення межі плинности. Тому було доречно з’ясувати вплив такого зміцнення після ЕІЛ Мо з на- ступним УЗУО на втомну довговічність зразків. Крім того, механічні характеристики істотно зростають завдяки леґуванню молібденом у порівнянні з вихідними і леґованими ніклем зразками. Можливості та внесок деформаційного зміцнення, в тому числі і при наявності різноманітного фазового складу в модифікованому молібденом шарі, в умовах формування певних структур контролюється однаковими механізмами пластичної релаксації. Вони починають працювати при досягненні в кожному випадку відповідних рівнів напружень в вер- шинах концентраторів. Суттєвих змін загальних закономірностей формування деформаційних структур в усіх розглянутих випадках в умовах збереження типу кристалічної ґратниці очікувати не слід, що підтверджується експериментальними даними. Таким чином, відповідно до вище зазначених міркувань втомна довговічність вихідних зразків сталі 20ГЛ може бути змінена шля- хом цілеспрямованого впливу, як на механічні властивості, так і на кількість та потужність технологічних і структурних концентрато- рів, розташованих на поверхні та у поверхневих шарах. Цей вплив має призвести до зниження величин і швидкостей зростання на- пружень в вершинах всього набору концентраторів в умовах змен- шення їхньої потужности при значному збільшенні загальної кіль- кости за рахунок подрібнення елементів структури. Одержані в роботі результати свідчать про те, що за допомогою УЗУО вдається досягти обох ефектів: збільшити в приповерхневих шарах загальну кількість структурних концентраторів малої поту- жности за рахунок появи нових елементів структури в вигляді ко- міркових меж, а також зменшити кількість та потужність тих тех- 206 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. нологічних і структурних концентраторів, котрі знаходилися в по- верхневих шарах зразків у вихідному стані. Процес появи більшої кількости структурних концентраторів малої потужности за наяв- ности дрібних зерен і формування деформаційних субструктур від- бувається на фоні зростання макроскопічного значення т та супро- воджується значним ускладненням процесу утворення комірчастих структур в середині дрібних зерен, що підтверджується експериме- нтально. 5. ВИСНОВКИ Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ, зокрема втомної міцности, за рахунок електроіскрового ле- ґування ніклевим або молібденовим електродами її поверхні та ба- гаточинникового позитивного впливу фінішного ультразвукового ударного оброблення. Встановлено, що окремо застосоване УЗУО веде до зростання мі- кротвердости та суттєвого підвищення втомної міцности сталі 20ГЛ на базі 106 циклів за умов циклічних навантажень в межах діючих амплітуд навантажень 360–400 МПа. З’ясовано, що за допомогою ЕІЛ сталі 20ГЛ вдається сформувати модифіковані шари з підвищеною твердістю, що обумовлено їх фа- зовим складом, та відповідними механізмами зміцнення, які зале- жать від використаного леґувального елементу. Поверхневий шар після ЕІЛ молібденом демонструє вдвічі вищу мікротвердість, ніж вихідний і леґований ніклем зразки сталі 20ГЛ, що пов’язано з тве- рдорозчинним зміцненням і багатофазністю модифікованого моліб- деном шару. Втомна довговічність леґованих молібденом зразків після УЗУО помітно зростає в діяпазоні амплітуд 380–400 МПа у порівнянні з вихідним станом. Фінішне УЗУО модифікованих ЕІЛ шарів на сталі 20ГЛ, окрім зниження шерсткости поверхні, яка сприяє заліковуванню або зна- чному зменшенню найбільш небезпечних поверхневих технологіч- них концентраторів, забезпечує в приповерхневих шарах форму- вання залишкових макронапружень стиснення та утворення дис- локаційних комірчастих структур, що збільшує загальну кількість мікроструктурних концентраторів, зменшує ймовірність локаліза- ції деформації та раннього зародження втомних тріщин. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. М. А. Балтер, Упрочнение деталей машин (Москва: Машиностроение: 1978). 2. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, J. Sound Vibrations, 308: 855 (2007). 3. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, Ultrasonic Impact Treatment—an Effec- СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ ПІСЛЯ ЛЕҐУВАННЯ ТА УДАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ 207 tive Method for Nanostructuring the Surface Layers of Metallic Materials. In: Handbook of Mechanical Nanostructuring (Weinheim: Wiley-VCH: 2015), p. 417. 4. І. М. Андрейко, В. В. Кулик, О. П. Осташ, Фіз.-хім. механіка матеріалів, 47, № 5: 35 (2011). 5. G. Contreras, C. Fajardo, J. A. Berríos, A. Pertuz, J. Chitty, H. Hintermann, and E. S. Puchi, Thin Solid Films, 355–356: 480 (1999). 6. N. Michailidis, F. Stergioudi, G. Maliaris, and A. Tsouknidas, Surf. Coat. Technol., 259: 456 (2014). 7. Т. Ю. Яковлева, Локальная пластическая деформация и усталость ме- таллов (Киев: Наукова думка: 2003). 8. M. El May, T. Palin-Luc, N. Saintier, and O. Devos, Int. J. Fatigue, 47: 330 (2013). 9. M. Korzynski, A. Pacana, and J. Cwanek, Surf. Coat. Technol., 203: 1670 (2009). 10. R. G. Bonora, H. J. C. Voorwald, M. O. H. Cioffi, G. S. Junior, and L. F. V. Santos, Procedia Eng., 2: 1617 (2010). 11. Г. Б. Лурье, Я. И. Штейнберг, Упрочняюще-отделочная обработка рабочих поверхностей деталей машин поверхностным пластическим деформиро- ванием (Москва: Машиностроение: 1971). 12. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. A, 437: 396 (2006). 13. D. A. Lesyk, S. Martinez, V. V. Dzhemelinskiy, А. Lamikiz, B. N. Mordyuk, and G. I. Prokopenko, Surf. Coat. Technol., 278: 108 (2015). 14. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, P. Yu. Volosevich, L. E. Matokhnyuk, A. V. Byalonovich, and T. V. Popova, Mater. Sci. Eng. A, 659: 119 (2016). 15. Л. В. Тихонов, В. А. Кононенко, Г. И. Прокопенко, В. А. Рафаловский, Механические свойства металлов и сплавов: Справочник (Киев: Наукова думка: 1986). 16. Binary Alloy Phase Diagrams (Eds. T. B. Massalski, H. Okamoto, P. R. Subramanian, and L. Kacprzak) (Materials Park, OH: ASM International: 1990). 17. T. A. Velikanova, M. V. Karpets, V. V. Kuprin, and M. A. Turchanin, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 49, Nos. 1–2: 86 (2010). 18. V. B. Rajkumar and K. C. Hari Kumar, J. Alloys Compd., 611: 303 (2014). 19. P. Galimberti, S. Lay, and A. Antoni-Zdziobek, Intermetallics, 22: 33 (2012). 20. Г. И. Прокопенко, Б. Н. Мордюк, В. В. Кныш, С. А. Соловей, Т. В. Попова, Техническая диагностика и неразрушающий контроль, № 3: 34 (2014). 21. В. Ф. Терентьев, Усталость металлических материалов (Москва: Наука: 2003). 22. Г. Прокопенко, Б. Мордюк, В. Мазанко, О. Карасевська, Т. Попова, Вісник Тернопільського національного технічного університету, № 3 (71): 170 (2013). 23. П. Ю. Волосевич, Успехи физики металлов, 12: 367 (2011). REFERENCES 1. M. A. Balter, Uprochnenie Detaley Mashin [Strengthening of Machine Details] (Moscow: Mashinostroenie: 1978) (in Russian). 2. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, J. Sound Vibrations, 308: 855 (2007). 3. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, Ultrasonic Impact Treatment—an http://ipm.lviv.ua/pcmm/pcmm-2011-5u.htm https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.03.054 https://doi.org/10.1002/9783527674947.ch17 208 Г. І. ПРОКОПЕНКО, Б. М. МОРДЮК, П. Ю. ВОЛОСЕВИЧ та ін. Effective Method for Nanostructuring the Surface Layers of Metallic Materials. In: Handbook of Mechanical Nanostructuring (Weinheim: Wiley- VCH: 2015), p. 417. 4. I. M. Andreiko, V. V. Kulyk, and O. P. Ostash, Mater. Sci., 47: 608 (2012). 5. G. Contreras, C. Fajardo, J. A. Berríos, A. Pertuz, J. Chitty, H. Hintermann, and E. S. Puchi, Thin Solid Films, 355–356: 480 (1999). 6. N. Michailidis, F. Stergioudi, G. Maliaris, and A. Tsouknidas, Surf. Coat. Technol., 259: 456 (2014). 7. T. Yu. Yakovleva, Lokal’naya Plasticheskaya Deformatsiya i Ustalost’ Metallov [Local Plastic Deformation and Fatigue of Metals] (Kiev: Naukova Dumka: 2003) (in Russian). 8. M. El May, T. Palin-Luc, N. Saintier, and O. Devos, Int. J. Fatigue, 47: 330 (2013). 9. M. Korzynski, A. Pacana, and J. Cwanek, Surf. Coat. Technol., 203: 1670 (2009). 10. R. G. Bonora, H. J. C. Voorwald, M. O. H. Cioffi, G. S. Junior, and L. F. V. Santos, Procedia Eng., 2: 1617 (2010). 11. G. B. Lurie and Ya. I. Shteinberg, Uprochnyayushche-Otdelochnaya Obrabotka Rabochikh Poverkhnostey Detaley Mashin Poverkhnostnym Plasticheskim Deformirovaniem (Moscow: Mashinostroenie: 1971) (in Russian). 12. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. A, 437: 396 (2006). 13. D. A. Lesyk, S. Martinez, V. V. Dzhemelinskiy, A. Lamikiz, B. N. Mordyuk, and G. I. Prokopenko, Surf. Coat. Technol., 278: 108 (2015). 14. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, P. Yu. Volosevich, L. E. Matokhnyuk, A. V. Byalonovich, and T. V. Popova, Mater. Sci. Eng. A, 659: 119 (2016). 15. L. V. Tikhonov, V. A. Kononenko, G. I. Prokopenko, and V. A. Rafalovsky, Mekhanicheskie Svoystva Metallov i Splavov: Spravochnik [Mechanical Properties of Metals and Alloys: Handbook] (Kiev: Naukova Dumka: 1986) (in Russian). 16. Binary Alloy Phase Diagrams (Eds. T. B. Massalski, H. Okamoto, P. R. Subramanian, and L. Kacprzak) (Materials Park, OH: ASM International: 1990). 17. T. A. Velikanova, M. V. Karpets, V. V. Kuprin, and M. A. Turchanin, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 49, Nos. 1–2: 86 (2010). 18. V. B. Rajkumar and K. C. Hari Kumar, J. Alloys Compd., 611: 303 (2014). 19. P. Galimberti, S. Lay, and A. Antoni-Zdziobek, Intermetallics, 22: 33 (2012). 20. G. I. Prokopenko, B. N. Mordyuk, V. V. Knysh, S. A. Solovey, and T. V. Popova, Tekhnicheskaya Diagnostika i Nerazrushayushchiy Kontrol, No. 3: 34 (2014) (in Russian). 21. V. F. Terentiev, Ustalost’ Metallicheskikh Materialov [Fatigue of Metallic Materials] (Moscow: Nauka: 2003) (in Russian). 22. G. Prokopenko, B. Mordyuk, V. Mazanko, O. Karasevska, and T. Popova, Visnyk Ternopil’skogo Natsional’nogo Tekhnichnogo Universytetu, No. 3: 170 (2013) (in Ukrainian). 23. P. Yu. Volosevych, Uspehi Fiziki Metallov, 12: 367 (2011) (in Russian). https://doi.org/10.1002/9783527674947.ch17 https://doi.org/10.1002/9783527674947.ch17 https://doi.org/10.1002/9783527674947.ch17 http://ipm.lviv.ua/pcmm/pcmm-2011-5u.htm http://ipm.lviv.ua/pcmm/pcmm-2011-5u.htm https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00672-0 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.10.049 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.10.049 https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.09.018 https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.09.018 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.12.022 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.12.022 https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.03.174 https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.07.119 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.07.049 https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.02.036 https://doi.org/10.1007/s11106-010-9206-8 https://doi.org/10.1007/s11106-010-9206-8 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.05.030 https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.10.019 http://patonpublishinghouse.com/eng/journals/tdnk https://doi.org/10.15407/ufm.12.03.367

Структура і властивості сталі 20ГЛ після електроіскрового леґування ніклем і молібденом та ультразвукового ударного оброблення

Institution

Similar Items