ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №1(27) 2014 37

УДК 62-1/-9

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОУПРОЧНЁННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ

ПУЛЬСИРУЮЩИМ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ

Д.А. Иванов1

Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),

191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21

В данной работе рассматривается влияние обработки пульсирующим газовым потоком на структуру

и механические свойства термически упрочненных изделий из конструкционных сталей.

Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, механические свойства, термообработка, конструк-

ционные стали.

IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES OF THERMALLY TOUGHENED

STRUCTURAL STEELS WITH ADDITIONAL PROCESSING OF PULSATING GAS FLOW D.A. Ivanov

St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU),

191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21. This paper examines the impact of the processing of pulsed gas flow on the structure and mechanical prop-

erties of thermally toughened products of structural steels.

Keywords: pulsating gas flow, mechanical properties, heat treatment, structural steel.

Детали машин и оборудования в про-

цессе эксплуатации зачастую подвергаются ра-

диальному биению и другим нагрузкам, имею-

щим динамический характер, поэтому упроч-

няющая обработка деталей машин должна по-

мимо достаточной статической прочности,

обеспечивать высокую устойчивость к ударным

нагрузкам. Наиболее распространённая упроч-

няющая обработка деталей машин из среднеуг-

леродистых легированных улучшаемых сталей,

таких, как сталь 40Х, представляет собой за-

калку на мартенсит с последующим высоким

отпуском при температуре 550 ÷ 680°C (улуч-

шение).

В результате подобной термообработки

структура стали будет представлять собой сор-

бит отпуска – дисперсную феррито-

цементитную смесь с зернистой формой кар-

бидных включений, которая призвана обеспе-

чить устойчивость изделия к динамическим

нагрузкам в сочетании с приемлемым для дета-

лей машин значением предела прочности и

условного предела текучести.

Актуальной является задача повышения

значений показателей ударной вязкости без

снижения показателей прочности термоулуч-

шенных конструкционных легированных ста-

лей, при решении которой целесообразно ис-

пользовать пульсирующий дозвуковой низко-

частотный газовый поток, как эффективное,

недорогое и экологически чистое средство воз-

действия на структуру, напряженное состояние

и механические свойства металлических изде-

лий [1 – 9].

Для оценки способности пульсирующе-

го газового потока оказывать влияние на свой-

ства легированных сталей в ненагретом состоя-

нии было проведено исследование механиче-

ских свойств стандартных разрывных и удар-

ных образцов, изготовленных из холодноката-

ной стали 40Х в состоянии поставки. Исследо-

вание производилось после газоимпульсной

обработки без нагрева в течение 35 минут до-

звуковым воздушным потоком, пульсирующим

с частотой ~ 550 Гц при звуковом давлении до

100 дБ.

Направление газоимпульсной обработ-

ки совпадало с направлением статического и

динамического нагружения. В результате га-

зоимпульсной обработки были получены более

высокие, в сравнении с состоянием поставки

значения предела прочности на 7,6%, условно-

го предела текучести на 46% и ударной вязко-

сти на 20%.

Численные значения показателей меха-

нических свойств представлены на гистограмме

рис. 1. При этом значение твёрдости не изме-

нилось, что является признаком отсутствия фа-

зовых превращений в стали.

Д.А. Иванов

38 СПбГЭУ

Перед исследованием была поставлена

задача повысить надёжность термоулучшенных

конструкционных сталей за счёт повышения

значений показателей ударной вязкости и пла-

стичности без снижения показателей прочно-

сти.

Рисунок 1. Сравнительные свойства стали 40Х в

состоянии поставки и после обработки пульси-

рующим газовым потоком в течение 35 минут

На рис. 2 приведена, гистограмма, ха-

рактеризующая свойства стали 40Х после за-

калки и стандартного высокого отпуска при

температуре 580°C и такой же термообработки

с последующей обработкой пульсирующим га-

зовым потоком в течение 35 мин без нагрева,

где В – временное сопротивление разрыву

(МПа); 2,0

– условный предел текучести

(МПа); KCU – ударная вязкость (МДж/м2); δ –

относительное удлинение (%); HRC – твёрдость

(безразмерные единицы Роквелла).

Технологически поставленная задача

решается следующим образом: термоулучшен-

ную (подвергнутую закалке и высокому отпус-

ку по стандартным режимам) конструкционную

сталь обрабатывают без нагрева пульсирую-

щим газовым потоком, обладающим скоро-

стью от 25 до 30 м/c, частотой колебаний от 600

до 1000 Гц и переменным звуковым давлением

от 80 до 90 дБ до 35 минут. В качестве газа ис-

пользуют воздух.

В ходе процесса обработки пульсирую-

щим газовым потоком, с течением времени,

механические волны, генерируемые пульсаци-

ями газового потока, оказывают существенное

воздействие на распределение и подвижность

дислокаций в стали, а также влияют на величи-

ну остаточных напряжений.

Рисунок 2. Сравнительные свойства за-

калённой стали 40Х с последующим высоким

отпуском и высоким отпуском с дополнительной

газоимпульсной обработкой без нагрева в тече-

ние 35 минут

Так, для стали 40Х после закалки и

стандартного высокого отпуска при температу-

ре 580° C и такой же термообработки с после-

дующей обработкой пульсирующим газовым

потоком в течение 35 мин без нагрева, были

получены несколько более высокие, в сравне-

нии со стандартным термоулучшенным состоя-

нием, значения предела прочности и условного

предела текучести, при значении относительно-

го удлинения выше более чем на 13% и удар-

ной вязкости выше на 20%.

Обработку пульсирующим газовым по-

током по приведённым режимам также приме-

няют к готовым термоулучшенным изделиям

без дополнительного нагрева.

Таким образом, в результате исследова-

ния был получен технический результат, а

именно повысить надёжность термоулучшен-

ных конструкционных сталей за счёт повыше-

ния значений показателей ударной вязкости и

пластичности без снижения показателей проч-

ности.

Повышение механических свойств термоупрочнённых конструкционных сталей …

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №1(27) 2014 39

В качестве высокопрочных (предел

прочности более 1600 МПа) материалов, ис-

пользуемых для изготовления деталей транс-

портных средств, бытовых машин и приборов

часто используются среднеуглеродистые леги-

рованные конструкционные стали, в том числе

сталь 40Х.

Термообработка на высокопрочное со-

стояние таких сталей, как 40Х заключается в

закалке на мартенсит с последующим низким

отпуском при температуре 150 ÷ 250° C. В ре-

зультате подобной обработки структура стали

состоит из мартенсита отпуска и вторичных

карбидов. Подобная структура не обеспечивает

высоких значений показателей ударной вязко-

сти, что делает сталь склонной к разрушению в

результате динамических нагружений. Кроме

того, невысокая температура нагрева при низ-

ком отпуске не обеспечивает достаточного

снижения уровня остаточных напряжений, что

негативно сказывается на надёжности материа-

ла.

Представляется актуальной задача по-

вышения значений показателей ударной вязко-

сти без снижения показателей прочности сред-

неуглеродистых легированных конструкцион-

ных сталей в высокопрочном состоянии, при

решении которой целесообразно использовать

пульсирующий дозвуковой низкочастотный

газовый поток, как эффективное, недорогое и

экологически чистое средство воздействия на

структуру, напряженное состояние и механиче-

ские свойства металлических изделий.

Перед проводимым исследованием сто-

яла задача повысить надёжность среднеуглеро-

дистых легированных конструкционных сталей

в высокопрочном состоянии за счёт повышения

значений показателей ударной вязкости и пла-

стичности без снижения показателей прочно-

сти.

Поставленная задача была решена сле-

дующим образом: среднеуглеродистую легиро-

ванную конструкционную сталь в высокопроч-

ном состоянии, достигнутом за счет закалки и

низкого отпуска по стандартным режимам, по-

мещают в рабочую камеру, где подвергают

воздействию при комнатной температуре пуль-

сирующего дозвукового воздушного потока,

который обладает частотой колебаний от 550

до 1000 Гц и переменным звуковым давлением

от 90 до 100 дБ в течение 30 ÷ 35 минут.

Обработка пульсирующим газовым по-

током способствует повышению подвижности

дислокаций в сталях, а также релаксации оста-

точных микронапряжений, что обеспечивает

рост ударной вязкости и пластичности без сни-

жения прочности.

Для стали 40Х после термической обра-

ботки на высокопрочное состояние путём за-

калки по стандартным режимам и низкого от-

пуска при температуре 200° C и аналогичных

закалки и отпуска с дополнительной обработ-

кой при комнатной температуре пульсирую-

щим дозвуковым воздушным потоком течение

35 минут были получены, в последнем случае,

значения показателя ударной вязкости KCU

выше более чем на 30% при несколько более

высоких, в сравнении со стандартной термооб-

работкой на высокопрочное состояние значе-

ниях предела прочности и условного предела

текучести.

На гистограмме рис. 3. приведены свой-

ства стали 40Х после закалки и стандартного

низкого отпуска при температуре 200° C и та-

кой же термообработки с последующим обду-

вом без нагрева пульсирующим дозвуковым

воздушным потоком в течение 35 минут.

Направление газоимпульсной обработки совпа-

дало с направлением статического и динамиче-

ского нагружения

Рисунок. 3. Сравнительные свойства за-

калённой стали 40Х с последующим низким от-

пуском и низким отпуском с дополнительной

газоимпульсной обработкой без нагрева в тече-

ние 35 минут

Таким образом, исследование позволи-

ло получить технический результат, а именно

Д.А. Иванов

40 СПбГЭУ

повысить надёжность среднеуглеродистых ле-

гированных конструкционных сталей в высо-

копрочном состоянии за счёт повышения зна-

чений показателей ударной вязкости и пла-

стичности без снижения показателей прочно-

сти.

Было проведено исследование влияния

газоимпульсной обработки с дополнительным

воздействием стальных пустотелых шариков на

структуру и свойства металлических материа-

лов при помощи стандартно закалённых образ-

цов из стали 40Х. Длина рабочей части образ-

цов составляла 55 мм, ширина – 4 мм, толщина

– 2 мм.

Вдоль плоской поверхности образца

размещались пустотелые стальные шарики, в

одном случае диаметром 2,4 мм, а в другом –

3,2 мм. Затем образцы устанавливались на вы-

ходе из резонатора установки плоскостью с

шариками навстречу газовому потоку (рис. 4),

фиксировались сверху металлическим кольцом

и осуществлялся обдув пульсирующим воз-

душным потоком частотой 1130 Гц и звуковым

давлением 120 дБ в течение 15 минут, сопро-

вождавшийся колебаниями стальных шариков

возле поверхности образцов и упругим взаимо-

действием с ней.

Общий принцип газоимпульсной обра-

ботки с дополнительным воздействием сталь-

ных пустотелых шариков следующий: вблизи

поверхности металлического изделия разме-

щают пустотелые стальные шарики, которые,

колеблясь в газовом потоке с частотой, сопо-

ставимой с пульсациями давления самого пото-

ка, упруго взаимодействуют с поверхностью

изделия, передавая последнему свою кинетиче-

скую энергию и вызывая распространение в

нем в дополнение к плоским, сферических ме-

ханических волн, оказывающих дополнитель-

ное влияние на микроструктуру и свойства.

Принципиальным отличием такой обра-

ботки от дробеструйной является отсутствие в

макропластической деформации поверхности

изделия, что делает данную технологию при-

годной для применения в отношении тонко-

стенных изделий и изделий с высокой чистотой

поверхности.

Сферические волны возбуждаются то-

чечным источником, представляющим собой

колеблющееся тело, размеры которого малы по

сравнению с расстоянием до рассматриваемых

точек среды и наиболее просто их возбудить с

помощью небольшой пульсирующей сферы.

При распространении сферической вол-

ны ее волновые поверхности представляют со-

бой систему концентрических сфер.

Интенсивность сферической волны

убывает обратно пропорционально квадрату

расстояния от источника и наибольшему воз-

действию будут подвергаться поверхностные

слои металлического изделия. На значительном

расстоянии от источника сферическую волну

можно рассматривать, как плоскую.

Поскольку сферические волны в нашем

случае генерируются большим количеством

источников, происходит наложение волн, что

усиливает воздействие на дислокационную

структуру металлического материала.

Результаты механических испытаний

показали, что наибольшая ударная вязкость за-

калённых стальных образцов наблюдается в

случае применения шариков диаметром 2,4 мм,

несколько ниже – при использовании более

крупных шариков диаметром 3,2 мм и еще не-

сколько ниже в случае газоимпульсной обра-

ботки без использования шариков. У закалён-

ного образца, не подвергавшегося газоимпуль-

сной обработке при динамическом воздействии

наблюдалось хрупкое разрушение с фрагмента-

цией на 3 части.

Рисунок 4. Подготовка образцов из стали 40Х к

газоимпульсной обработке с дополнительным

воздействием колеблющихся в пульсирующем

воздушном потоке пустотелых стальных шари-

ков диаметром 2,4 и 3,2 мм

На фотографии рис. 5 приведены изломы зака-

лённых образцов из стали 40Х после испытания

на динамический изгиб как без газоимпульсной

обработки, так и подвергнутого газоимпульс-

ной обработке с дополнительным воздействием

колеблющимися в пульсирующем воздушном

потоке стальными пустотелыми шариками

диаметром 2,4 мм.

Во втором случае заметно, что разру-

шению предшествовала пластическая деформа-

Повышение механических свойств термоупрочнённых конструкционных сталей …

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №1(27) 2014 41

ция, более значительная, чем обычно наблюда-

ется у образцов, подвергнутых не только закал-

ке, но и последующему низкому отпуску. Зна-

чение твёрдости исследуемых образцов состав-

ляло 54 единицы HRC. После газоимпульсной

обработки с дополнительным воздействием ко-

леблющимися стальными пустотелыми шари-

ками диаметром 2,4 мм значение твёрдости

снизилось до 51 единицы HRC. Потеря твёрдо-

сти в среднем 3 единицы HRC означает проте-

кание отпускных процессов, более интенсив-

ное, чем при газоимпульсной обработке зака-

лённых стальных образцов без использования

дополнительного воздействия шариками по

способу, описанному в источнике [6].

Рисунок 5. Сталь 40Х. Изломы образцов по-

сле испытания на динамический изгиб:

а) – закалка, б) – закалка и последующая га-

зоимпульсная обработка с дополнительным

воздействием колеблющимися в пульсирую-

щем воздушном потоке стальными пустотелы-

ми шариками диаметром 2,4 мм

Таким образом, обдув с дополнитель-

ным воздействием колеблющимися в газовом

потоке пустотелыми стальными шариками

диаметром 2,4 мм в течение 15 минут в боль-

шей степени способствует развитию отпускных

процессов в закаленном изделии и повышению

его надежности, чем обдув без использования

шариков той же продолжительности.

В случае газоимпульсной обработки с

дополнительным воздействием колеблющими-

ся в газовом потоке пустотелыми стальными

шариками, применяемой к изделиям, обладаю-

щим значительной поверхностью, шарики раз-

мещаются в несколько рядов.

Основываясь на приведённых данных

можно сделать вывод о достаточной эффектив-

ности использования газоимпульсной обработ-

ки как дополнения стандартной закалки дета-

лей транспортно-технологических машин, бы-

товых машин и приборов из легированных

среднеуглеродистых улучшаемых сталей, в том

числе, с высоким или низким отпуском.

Литература

1. Иванов Д.А. Влияние дозвукового пульсирующе-

го водовоздушного потока на напряженное состоя-

ние сталей при термообработке // Технико-

технологические проблемы сервиса. – СПб., 2007,

№1, с. 97-100.

2. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочно-

сти материалов за счет воздействия пульсирующих

дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Мо-

нография. – СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. – 123 с.

3. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и ти-

тановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-

воздушном потоке // Технико-технологические про-

блемы сервиса. – СПб., 2008, №2, с. 57-61.

4. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке

в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-

душном потоке // Технико-технологические про-

блемы сервиса. – СПб., 2010, № 11, с. 50-53.

5. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочно-

сти металлических материалов путём их обработки

нестационарными газовыми потоками без предвари-

тельного нагрева // Технико-технологические про-

блемы сервиса. – СПб., 2011, №4, с. 24-29.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование га-

зоимпульсной обработки в процессе термического

упрочнения деталей бытовых машин // Технико-

технологические проблемы сервиса. – СПб., 2012, №

4, с. 33-37.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструк-

тивной прочности машиностроительных материалов

в результате сочетания термической и газоимпульс-

ной обработки // Двигателестроение. – СПб., 2012,

№3, с. 12-15.

8. Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обра-

ботки на структуру и механические свойства норма-

лизуемых сталей // Технико-технологические про-

блемы сервиса. – СПб., 2013, № 3, с. 19-22.

9. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоим-

пульсной обработки на структуру, свойства и

напряженное состояние металлических изделий //

Технология металлов. – М., 2013, № 11, с. 30-33.

1Иванов Денис Анатольевич – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механи-

ка" СПбГЭУ, тел. +7 981 764 08 22, е-mail: tm_06@mail.ru

а)

б)