Obrabotka Metallov 2015 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (68) 2015 103 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 4. Циклическая долговечность стали 40Х13, об- работанной интенсивными потоками ионов азота: 1 – исходное состояние (закалка); 2 – обработка ионами азота при 670 К; 3 – то же при 770 К лости для модифицированного и немодифици- рованного материала. В частности, в области малоцикловой усталости выносливость имплан- тированной азотом стали 40Х13 не превышает уровня ее выносливости в исходном неимплан- тированом состоянии. При анализе причин увеличения многоци- кловой усталости, модифицированной низко­ энергетическими ионами азота стали, необходи- мо принимать во внимание, что в области малых амплитуд переменных напряжений циклическая долговечность в значительной степени опреде- ляется кинетикой зарождения усталостных ми- кротрещин. При этом образование усталостных микротрещин обычно начинается с поверхност- ных слоев, отличающихся низкой сдвиговой устойчивостью вследствие пониженного уровня энергии межатомных связей, а также высокой плотности вакансий и подвижности дислокаций [13]. Формирование при азотировании модифи- цированного поверхностного слоя, находящего- ся в состоянии сжатия и обладающего высоки- ми прочностными характеристиками, блокирует процессы перемещения дислокаций и замедля- ет образование усталостных микротрещин на поверхности стали при относительно низких амплитудах деформации испытаний (рис. 4). По мере накопления числа циклов нагружения и увеличения длины усталостных микротре- щин возрастает концентрация напряжений в их устьях. При достижении трещинами некоторого критического размера они разрушают модифи- цированный слой и формируют магистральную усталостную трещину. Увеличение амплитуды циклических деформаций сопровождается на- растанием интенсивности пластических сдви- гов в неупрочненных подповерхностных слоях, что способствует быстрому накоплению в них усталостных повреждений и снижению уровня сжимающих напряжений, действующих в моди- фицированном слое. Поскольку концентрация напряжений в устьях микротрещин также воз- растает пропорционально амплитуде цикличе- ских деформаций [2, 14], то трещины быстро преодолевают упрочненный поверхностный слой и формируют магистральную трещину раз- рушения. При этом различие в циклической дол- говечности для модифицированной и немоди- фицированной стали нивелируется. Увеличение температуры ионной имплантации стали 40Х13 до 770 К сопровождается снижением уровня на- пряжений сжатия, действующих в модифициро- ванном слое, и приводит к некоторому пониже- нию характеристик выносливости стали (рис. 4). Вместе с тем циклическая долговечность моди- фицированной при 770 К стали 40Х13 замет- но превышает долговечность необработанного ионами азота материала. Подобные результаты были получены при исследовании сопротивле- ния усталостному разрушению модифицирован- ной ионами азота стали Х18Н10Т [15]. Таким образом, ионно-лучевое азотирование эффективно повышает циклическую долговеч- ность модифицированных хромистых сталей в области многоцикловой усталости за счет за- медления процессов образования и распростра- нения усталостных микротрещин. При этом на сопротивление многоцикловому усталостному разрушению большое влияние оказывает уро- вень действующих в поверхностных слоях на- пряжений сжатия. Наиболее высокие уровни напряжений сжатия достигаются в результате ионной обработки хромистых сталей при 670 К, обеспечивающей высокую концентрацию рас- творенного в матричной фазе азота. Выводы Исследовано структурно-фазовое состояние и циклическая долговечность обработанной интенсивными потоками азота при 670 и 770 К