Nanostructuring and surface hardening of structural steels by ultrasonic impact-frictional treatment

Abstract

Layered metal composites with high resistance to brittle fracture at low temperaturesAbstract. With two structural steels (the steels 50 and 09G2S) as examples, the paper studies the effectiveness of a new method of ultrasonic impact-frictional treatment (UIFT) for the hardening and nanostructuring of the surface layer with the variation of the tilt angle of the vibrating indenter and the treatment environment. It is demonstrated that treatment with tool tilt angles different from 90° and with the absence of a contact liquid results in the formation of a nanostructured surface layer with increased microhardness.

The effect of ultrasonic impact-frictional treatment on the surface roughness and hardening of 09Mn2Si constructional steel

“…В отличие от стандартной УЗУО, ультразвуковая ударно-фрикционная обработка (УЗУФО) [14,15] проводится по методу наклонного удара индентора под углом к обрабатываемой поверхности, меньшим 90°, в отсутствии смазки, что обеспечивает усиление фрикционного взаимодействия индентора с металлом и соответствующее увеличение сдвиговой составляющей пластической деформации. Идея ударно-фрикционной обработки заключается в совмещении значительных степеней пластической деформации металла за счет больших давлений при высокоэнергетическом ультразвуковом ударном воздействии и активизации ротационной моды пластического течения за счет сдвиговых деформаций при фрикционном воздействии.…”

“…Идея ударно-фрикционной обработки заключается в совмещении значительных степеней пластической деформации металла за счет больших давлений при высокоэнергетическом ультразвуковом ударном воздействии и активизации ротационной моды пластического течения за счет сдвиговых деформаций при фрикционном воздействии. Это способствует реализации условий, близких к сдвигу под высоким давлением и, как следствие, измельчению зерна вплоть до субмикро-и наноуровней [15].…”

“…Такой характер изменения микротвердости при разных нагрузках на индентор микротвердомера свидетельствует о локализации интенсивного упрочнения лишь в тонком приповерхностном слое при проведении УЗУФО с относительно небольшим отклонением оси инструмента от нормали. В работе [15] в результате УЗУФО в аргоне при угле α = 80° отмечали увеличение микротвердости поверхности стали 09Г2С до 415 HV0.025, что существенно ниже упрочнения рассматриваемой стали при углах обработки α = 60 -50° (см. Рис.…”

“…Значительный вклад фрикционного воздействия в упрочнение при УЗУФО проявляется в росте микротвердости поверхности более чем в 3 раза по сравнению с твердостью недеформированной стали и более чем в 2 раза по сравнению с микротвердостью после УЗУО в смазке. Повышенное упрочнение стали 09Г2С с исходной феррито-перлитной структурой в результате УЗУФО можно объяснить в первую очередь более эффективным измельчением зерен феррита вплоть до субмикро-и нанокристаллического состояний [15] и ростом плотности дислокаций, т. е. активизацией зернограничного и дислокационного механизмов упрочнения.…”

“…Интенсивная пластическая деформация при высокоэнергетическом ультразвуковом ударном воздействии вызывает также фрагментацию и частичное деформационное растворение (диссоциацию) цементитных пластин перлитных колоний в приповерхностном слое стали с исходной феррито-перлитной структурой [15,18]. Высокая цикличность деформационного нагружения при ультразвуковых обработках способствует развитию указанных процессов, которые протекают в структуре пластинчатого перлита даже в условиях многоциклового усталостного нагружения при напряжениях, меньших предела текучести материала [19].…”