SU1275050A1

SU1275050A1 - Method of strengthening steel articles

Info

Publication number: SU1275050A1
Application number: SU853863747A
Authority: SU
Inventors: Ирина Ивановна Усольцева; Геннадий Алексеевич Кулаков; Василий Васильевич Федоров
Original assignee: Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.В.В.Куйбышева
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1986-12-07

Abstract

Изобретение относитс к механической и термической обработке конструкционных сталей, имекицих структуру мартенсита, и может быть использовано при упрочнении изделий, работающих при циклических нагрузках . Цель изобретени - повышение усталостной долговечности. Способ включает закалку от с охлаждением в селитре при 240-280&deg;С, отпуск при 290&deg;С, поверхностный наклеп . После наклепа изделие подвергают циклическому нагружению с амплитудой напр жений выше предела усталости материала содновременным изменением амплитудно-зависимого внутреннего трени (АЗБТ). Прекращают циклическое нагружение по достижении максимальной величины тангенсов угла наклона кривой АЗВТ, определ емой максимальной плотностью подвижных дефектов структуры материала. 2 ил.;The invention relates to the mechanical and heat treatment of structural steels with the structure of martensite, and can be used in the strengthening of products operating under cyclic loads. The purpose of the invention is to increase fatigue life. The method includes quenching from cooling in nitrate at 240-280 ° C, tempering at 290 ° C, and surface hardening. After work hardening, the product is subjected to cyclic loading with an amplitude of stresses above the material fatigue limit with a simultaneous change in amplitude-dependent internal friction (AZBT). The cyclic loading is stopped upon reaching the maximum value of the tangents of the angle of inclination of the ASWT curve, which is determined by the maximum density of moving defects in the structure of the material. 2 or;

Description

Изобретение относится к механической и термической обработке конструкционных сталей, имеющих структуру мартенсита, в частности к упрочнению деталей, работающих при циклических нагрузках.The invention relates to the mechanical and heat treatment of structural steels having a martensite structure, in particular to the hardening of parts operating under cyclic loads.

Цель изобретения - повышение усталостной долговечности.The purpose of the invention is to increase fatigue life.

Сущность изобретения заключается в том, что циклическое нагружение при напряжениях выше предела усталости приводит к разупрочнению металла и образованию различного рода дефектов: микротрещин, полос скольжения и других, которые являются очагами преждевременного разрушения'. Низкотемпературный отпуск способствует диффузионному перераспределению дефектов в энергетически выгодные положения и залечиванию микротрещин. Перед циклическим нагружением произво дят поверхностное пластическое деформирование, тем самым создают барьер для выхода дефектов на поверхность, Локализованные под поверхностным слоем дефекты не взаимодействуют с внешней средой и отличаются от поверхностных наиболее благоприятными условиями для протекания процессов микросдвигового диффузионного залечивания, которые в поле остаточных напряжений растяжения под поверхностным слоем идут по механизму восходящей диффузии.The essence of the invention lies in the fact that cyclic loading at stresses above the fatigue limit leads to softening of the metal and the formation of various kinds of defects: microcracks, slip bands and others, which are the foci of premature failure '. Low-temperature tempering facilitates the diffusion redistribution of defects into energetically favorable positions and the healing of microcracks. Before cyclic loading, surface plastic deformation is performed, thereby creating a barrier for defects to reach the surface. Defects localized under the surface layer do not interact with the environment and differ from surface ones in the most favorable conditions for microshift diffusion healing processes, which in the field of residual tensile stresses under the surface layer follows the mechanism of upward diffusion.

Эффект микросдвигового диффузионного залечивания обеспечивается выбором оптимальных режимов деформационного и температурного воздействий и структурным состоянием, т.е.* степенью дефектности структуры материала, Одним из условий ускоренного процесса залечивания дефектов и повышения эффекта упрочнения является наличие повышенной концентрации точечных дефектов (вакансий, атомов внедрения). Согласно предлагаемому способу это достигается циклическим деформированием при напряжениях выше предела усталости, В этом случае происходит открепление дислокаций от атомов примесей, генерирование новых дислокаций, вакансий и других дефектов. По достижении стадии насыщения (завершение процесса аккумуляции пластической деформации) основная масса материала подготовлена для интенсивного протекания процесса диффузионного микросдвигового залечивания, Эта стадия характеризуется наибольшей для данного материала и условий нагружения плотностью подвижных дислокаций и повы5 шейной концентрацией вакансий и точечных дефектов. Кроме того, за счет остаточных напряжений растяжения под поверхностным слоем процессы микросдвигового залечивания идут по механизму восходящей диффузии.The effect of microshift diffusion healing is ensured by the choice of optimal modes of deformation and temperature effects and the structural state, i.e. * the degree of defectiveness of the material structure. One of the conditions for the accelerated process of healing defects and increasing the hardening effect is the presence of an increased concentration of point defects (vacancies, interstitial atoms). According to the proposed method, this is achieved by cyclic deformation at stresses above the fatigue limit. In this case, dislocations are detached from impurity atoms, new dislocations, vacancies, and other defects are generated. Upon reaching the saturation stage (completion of the accumulation of plastic deformation), the bulk of the material is prepared for the intensive process of diffusion microshear healing. This stage is characterized by the highest density of mobile dislocations for this material and loading conditions and an increased concentration of vacancies and point defects. In addition, due to residual tensile stresses under the surface layer, the processes of microshear healing follow the ascending diffusion mechanism.

Это структурное состояние может быть определено пс кривой амплитуднозависимого внутреннего трения (АЗВТ). Наибольшая величина тангенса угла наклона АЗВТ tg oL соответствует структуре с максимальным количеством подвижных дислокаций. Последующий отпуск в области диффузионной подвижности дефектов при температуре, пропорциональной энергии активации самодиффузии_f способствует перераспределению дислокаций и точечных дефектов, приводящему к релаксации перенапряжений и залечиванию микро25 нарушений сплошности материала. При этом также повышается структурная однородность и улучшаются физикомеханические свойства материала. Сочетание поверхностного пластического 30 деформирования, циклического нагружения при напряжениях выше предела усталостности до структурного состояния материала, которое характеризуется максимальной плотностью подвижных дефектов, и отпуск приводят к повышению усталостной долговечности и расширению возможностей упрочнения металлов.This structural state can be determined by the ps curve of amplitude-dependent internal friction (AFC). The largest value of the tangent of the angle of inclination of the ABCT tg oL corresponds to a structure with a maximum number of mobile dislocations. Subsequent tempering in the region of diffusion mobility of defects at a temperature proportional to the activation energy of self-diffusion _f contributes to the redistribution of dislocations and point defects, which leads to relaxation of overvoltages and healing of micro25 discontinuities in the material. At the same time, structural homogeneity is increased and the physicomechanical properties of the material are improved. The combination of surface plastic deformation 30, cyclic loading at stresses above the fatigue limit to the structural state of the material, which is characterized by the maximum density of mobile defects, and tempering increase fatigue life and expand the hardening capabilities of metals.

На фиг, 1 представлена кривая из40 менения тангенса угла наклона АЗВТ в зависимости от относительного числа циклов нагружения (кривая 1); на фиг. 2 - зависимости долговечности от длительности нагружения (кривая . 45 1 ~ для образцов, прошедших поверхностное деформационное упрочнение, кривая 2 - для образцов по известному способу, кривая 3 - для образцов по предлагаемому способу).In Fig. 1, a curve is presented of a change in the tangent of the angle of inclination of the ABCT as a function of the relative number of loading cycles (curve 1); in FIG. 2 - dependence of durability on the duration of loading (curve. 45 1 ~ for samples that have undergone surface strain hardening, curve 2 - for samples by a known method, curve 3 - for samples by the proposed method).

Способ осуществляют следующим образом,The method is as follows

Закалку на мартенсит и низкотемпературный отпуск осуществляют согласно режимам: температура закалки 55 800-940°С, охлаждение на воздухе, в масле или селитре, температура отпуска 200-300°С (в зависимости от обрабатываемого материала).Quenching for martensite and low-temperature tempering is carried out according to the following modes: tempering temperature 55 800-940 ° С, cooling in air, in oil or nitrate, tempering temperature 200-300 ° С (depending on the processed material).

ЕE

Чистовую механическую обработку можно проводить любым способом (тонкое точение, шлифование и т.д,).Fine machining can be carried out in any way (thin turning, grinding, etc.).

Поверхностный наклеп обрабатываемых деталей можно проводить также любым способом (алмазное выглаживание, пневмодинамическое упрочнение и т.д.').Surface hardening of the workpieces can also be carried out by any method (diamond smoothing, pneumodynamic hardening, etc. ').

После поверхностного наклепа деталь подвергают циклическому деформированию при напряжениях выше предела усталости по схеме: растяжение сжатие или знакопеременный изгиб. Контроль структурного состояния материала осуществляют по пмплитудной зависимости внутреннего трения. После достижения в подповерхностном объеме материала структурного состояния с наибольшей плотностью подвижных дефектов, соответствующего наибольшему значению tgо/ АЗВТ, проводят отпуск при температуре, рассчитанной по формуле Т = A + BE, где А = 270 + 10 К , Б = 5_Х»0,2 К моль/ккал, Е - энергия активации самодиффузии, ккал/моль.After surface hardening, the part is subjected to cyclic deformation at stresses above the fatigue limit according to the scheme: tensile compression or alternating bending. The structural state of the material is controlled by the amplitude dependence of internal friction. After reaching the structural state in the subsurface volume of the material with the highest density of mobile defects, corresponding to the highest value of tgo / AZVT, leave at a temperature calculated by the formula T = A + BE, where A = 270 + 10 K, B = 5 _X 0, 2 K mol / kcal, E is the activation energy of self-diffusion, kcal / mol.

Время отпуска, скорость нагрева и охлаждения аналогичны соответствующим характеристикам в известных операциях .The tempering times, heating and cooling rates are similar to those in known operations.

Пример. Способ опробован на круглых усталостных образцах 07,5мм из стали, Все образцы подвергают изотермической закалке на мартенсит и низкотемпературному отпуску по режиму: закалка от 900°C, охлаждение в селитре или щелочи при 24028О°С, выдержка 1 ч, отпуск при 290°C, выдержка 3 ч, Затем образцы подвергают пневмодинамическому упрочнению по режимам: давление 3,50,5 ати, диаметр шаров 2-3 мм, время обработки 30 мин.Example. The method was tested on 07.5 mm steel round fatigue samples. All samples were subjected to isothermal quenching on martensite and low-temperature tempering according to the regime: quenching from 900 ° C, cooling in nitrate or alkali at 24028 ° C, holding for 1 h, tempering at 290 ° C , holding for 3 hours, Then the samples are subjected to pneumodynamic hardening according to the regimes: pressure 3.50.5 ati, diameter of balls 2-3 mm, processing time 30 min.

Для определения усталостной долговечности образцов проводят восемь . _г испытаний по схеме: изгиб с вращением при напряжениях 850 МПа, Устанавливают усталостную долговечность образцов после ПДУ, при вероятности Р=50% принимают за базовую N^=117489 ₅₀циклов, Для того, чтобы установить момент отпуска, шесть образцов подвергают циклической наработке с поэтапным замером АЗВТ через каждый 5000 циклов до разрушения, АЗВТ констроли-$$ руют на установке крутильного маятника, Кривая изменения тангенса углаEight are carried out to determine the fatigue life of the samples. _{g of the} test according to the scheme: bending with rotation at voltages of 850 MPa, Set the fatigue life of the samples after the remote control, with a probability of P = 50%, take ₅₀ cycles as the base N ^ = 117489, In order to establish the moment of tempering, six samples are subjected to cyclic running with step-by-step measurement of AZVT every 5000 cycles to failure, AZVT controls - $$ tune at the installation of a torsion pendulum, Angle tangent change curve

75050 ⁴ наклона АЗВТ в зависимости от относительного числа циклов нагружения :N/N представлена на фиг. I .75050 ⁴ tilts of AZVT depending on the relative number of loading cycles: N / N is shown in FIG. I.

Из фиг. 1 видно, что наибольшая 5 величина тангенса угла наклона АЗВТ tgcLсоответствует циклической наработке N=0,17 N_t.From FIG. 1 it can be seen that the largest value 5 of the tangent of the angle of inclination of the ABCT tgcL corresponds to the cyclic operating time N = 0.17 N _t .

Девять серий по восемь образцов в каждой подвергают циклическому наЮ гружению при напряжениях 850 МПа с количеством циклов (0,05+0,5) N*. После этого образцы подвергают отпуску при 563-653 К в пределах зоны температур, найденной по формуле 15 Т - А+ BE, где Е=71,7-63,1 ккал/моль. Перед отпуском проводят контроль тангенса угла наклона АЗВТ,Nine series of eight samples in each are subjected to cyclic loading at stresses of 850 MPa with the number of cycles (0.05 + 0.5) N *. After that, the samples are subjected to tempering at 563-653 K within the temperature zone found by the formula 15 T - A + BE, where E = 71.7-63.1 kcal / mol. Before vacation, control the tangent of the angle of inclination AZVT,

Обработанные таким образом об20 разцы испытывают на усталость при напряжениях 850 МПа до разрушения, В результате для шести серий образцов, обработанных по оптимальному режиму, долговечность увеличивают в 2-2,3 раза. Результаты сравнительных испытаний представлены на фиг. 2.The samples treated in this way are tested for fatigue at stresses of 850 MPa before failure. As a result, for six series of samples processed in the optimal mode, the durability is increased by 2–2.3 times. The results of comparative tests are presented in FIG. 2.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет повысить усталостную долго30 вечность обрабатываемых деталей в 1,4 раза, что существенно повышает долговечность агрегатов в целом. Способ можно применить для повышения усталостной долговечности тяжелонагруженных деталей машин.Using the proposed method in comparison with the known one allows to increase the fatigue longevity30 of the workpiece by 1.4 times, which significantly increases the durability of the units as a whole. The method can be applied to increase the fatigue life of heavily loaded machine parts.

Claims

ND -4 SL The invention relates to the mechanical and heat treatment of structural steels having a martensite structure, in particular to the hardening of parts operating under cyclic loads. The purpose of the invention. - fatigue life durability. The essence of the invention is that the cyclic loading at stresses above the fatigue limit leads to the weakening of the metal and the formation of various types of defects: microcracks, slip bands and others, which are centers of premature failure. Low-temperature tempering contributes to the diffusion redistribution of defects in energetically favorable positions and to the healing of microcracks. Before cyclic loading, surface plastic deformation is produced, thereby creating a barrier dp for the defects to reach the surface. The defects localized under the surface layer do not interact with the external environment and are different from the surface ones by the most favorable conditions for micro-shift diffusion healing processes, which in the field of residual tensile stresses along the surface layer follow the upward diffusion mechanism. The effect of micros shift diffusion healing is provided by the choice of the optimal modes of deformation and temperature exposure and the structural state of the system. the degree of imperfection of the structure of the material. One of the conditions for an accelerated process of healing of defects and an increase in the effect of hardening is the presence of an increased concentration of point defects (vacancies of implanted atoms). According to the proposed method, this is achieved by cyclic deformation at stresses above the fatigue limit. In this case, dislocations are detached from impurity atoms, new dislocations, vacancies, and other defects are generated. Upon reaching the saturation stage (completion of the plastic deformation accumulation process), the bulk of the material is prepared for the intensive process of diffusion microshedic healing. This stage is characterized by the greatest for this material and loading conditions by the density of mobile locations and increased concentration of vacancies and exact defects. In addition, due to the residual tensile stresses under the surface layer, microsheat healing processes follow the mechanism of upward diffusion. This structural state can be determined by the p-curve of amplitude-dependent internal friction (AZVT). The largest tangent of the angle of the AZVT tg oL corresponds to the structure with the maximum number of mobile dislocations. Subsequent tempering in the region of the diffusion mobility of defects at a temperature proportional to the activation energy of self-diffusion contributes to the redistribution of dislocations and point defects, leading to relaxation of overvoltages and healing of micro-disruptions in the continuity of the material. This also increases structural uniformity and improves the physical and mechanical properties of the material. The combination of surface plastic deformation, cyclic loading under the stress of fatigue limit to the structural state of the material, which is practiced by the maximum density of mobile defects, and tempering lead to an increase in the fatigue durability and empowerment of metal strengthening. Figure 1 shows the curve of the change in the tangent of the angle of inclination of the AFCT versus the relative number of loading cycles (curve 1); Fig. 2 shows the dependences of durability on the duration of loading (curve. 1 - for samples subjected to surface strain hardening, curve 2 - for samples by the known method of curve 3 - for samples according to the proposed method). The method is carried out as follows. Quenching for martensite and low-temperature tempering is carried out according to the rechims: quenching temperature 8DO-940 C, cooling in air, in oil or nitrate, tempering temperature ZOO-SOO C (depending on the material being processed) Finishing machining can be carried out in any way (fine turning, grinding, etc.). Surface hardening of machined parts can also be carried out by any method (diamond smoothing, pneumodynamic hardening, etc.). After surface work hardening, the part is subjected to cyclic deformation under stresses above the fatigue of the scheme: tension, compression or alternating bending. The structural condition of the material is monitored by the internal workout dependency. After the structural state of the subsurface volume of the material has the highest density of imperfections corresponding to the lowest value of tg ~ 1 AZWT, tempering is performed at a temperaturef calculated by the formula T А + BE, where A 270 + 10 K, B 5 0.2 K mol / kcal, E is the activation energy of self diffusion, kcal / mol. The tempering time, heating and cooling rates are similar to the corresponding characteristics in the known options. Example. The method was tested on circular fatigue specimens of 07.5 m of steel. All specimens are subjected to isothermal quenching for martensite and non-temperature tempering according to the mode: quenching from, cooling in nitrate or alkali at 240280 С, holding 1 h, tempering at 290 ° С, holding 3 h Then the samples are subjected to pneumatic dynamic hardening according to the following modes: pressure 3.50, 5 MPa, diameter of balls 2-3 mm, treatment time 30 min. To determine the fatigue life of the samples, eight tests were carried out according to the following scheme: bending with rotation at voltages x 850 MPa. Set the fatigue life of the samples after the remote control, with a probability of being taken as the base N 117489 cycles. In order to establish the tempering time, six samples are subjected to a cyclic time-up with a step-by-step measurement of the AFT every 5000 cycles until destruction. AZVTs are monitored on a torsion bar installation. The curve of the change in the tangent of the angle of inclination of the ACVT as a function of the relative h is weak loading cycles: N / N j. presented in FIG. one . From FIG. 1, it is seen that the greatest tangent of the angle of inclination of the ATDC tgdL corresponds to the cyclic operating time, 17 Nj. Nine series of eight samples in each are subjected to cyclic loading at voltages of 850 Sha with the number of cycles (0.05-0.5) N. .. After that, the samples are subjected to tempering at 563-653 K within the temperature range found from T BU where 7-63.1 kcal / mol. Before the release, the tangent of the angle of the ACVT was monitored. The specimens thus treated were tested for fatigue at voltages of 850 until fracture. As a result, for six series of samples treated in the optimal mode, the durability is increased by 2-2.3 times. The results of the comparative tests are presented in FIG.

2. The use of the proposed method in comparison with the known one allows to increase the fatigue life of the machined parts by 1.4 times, which significantly increases the durability of the aggregates as a whole. The method can be applied to increase the fatigue life of tons of heavily loaded machine parts. The invention The method of hardening steel products mainly with the martensite structure, including quenching, low tempering, surface hardening and tempering, characterized in that, in order to improve fatigue life, after the surface work hardening, the product is subjected to cyclic loading with a tension length above the material fatigue limit, simultaneously the amplitude-dependent internal friction is measured and the cyclic loading is stopped when the maximum tangent of the amplitude curve angle is reached dependences of internal friction determined by the maximum density of mobile defects in the structure of the material.

oA