Исследование плазменно-закаленной колесной стали методом наноиндентирования

Механические свойства и поведение материала в нанообъеме существенно отличаются от определенных традиционными макроскопическими испытаниями. Цель работы — исследование плазменно-закаленной колесной стали с использованием метода наноиндентирования. Метод реализовывали с использованием нанотвердомера NanoHardnessTecter. Создаваемое в нанотвердомере электрическое поле давило на индентор, алмазный наконечник которого погружался в приповерхностный слой исследуемого материала. С помощью программного обеспечения определяли характеристики этого слоя. Знание физико-механических характеристик материала (твердости, модуля Юнга, упругого восстановления и др.), влияющих на износостойкость поверхностных слоев, позволяет оценить и выбрать оптимальную технологию модификации поверхности путем плазменной закалки. Отмечено, что объективность определения характеристик зависит от параметров применяемого измерительного оборудования и соблюдения требований по глубине отпечатка в зависимости от толщины закаленного слоя. Исследования проводили на образцах, вырезанных из обода и гребня железнодорожного колеса, подвергнутого поверхностной плазменной закалке, на установке УПНН-170 (Россия). Установлено, что твердость (по Виккерсу HV и H) обода больше, а модуль Юнга, напротив, меньше, чем соответствующие характеристики гребня. Кроме того, износостойкость закаленной конструкционной стали повышается после наноструктурирующей фрикционной обработки.

1. Фирстов С. А., Горбань В. Ф., Печковский Э. П. Установление предельных значений твердости, упругой деформации и соответствующего напряжения материалов методом автоматического индентирования / Материаловедение. 2008. № 8. С. 15 – 21.

2. Макаров А. В., Поздеева Н. А., Саврай Р. А. Повышение износостойкости закаленной конструкционной стали наноструктурирующей фрикционной обработкой / Трение и износ. 2012. Т. 33. № 6. С. 444 – 455.

3. Гоголинский К. В., Львова Н. А., Усеинов А. С. Применение сканирующих зондовых микроскопов и нанотвердомеров для изучения механических свойств твердых материалов на наноуровне / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 6. Т. 73. С. 28 – 36.

4. Tsui T., Pharr G., Oliver W., Bhatin C., White R., Anders S., Anders A., Brown I. Nanoidentation and nanoscratching of hard carbon coatings for magnetic disks / Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 383. 1995. P. 447 – 452.

5. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coatings approach to optimized tribological behaviour / Wear. 2000. Vol. 246. N 1 – 2. P. 1 – 11.

6. Чикова О. А., Шишкина Е. В., Петрова А. Н., Бродова И. Г. Измерение методом наноиндентирования твердости субмикрокристаллических промышленных алюминиевых сплавов, полученных динамическим прессованием / Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № 5. С. 555 – 560.

7. Головин Ю. И., Иволгин В. И., Коренков В. В., Коренкова Н. В., Рябко Р. И. Определение комплекса механических свойств материалов в нанообъёмах методами наноиндентирования / Конденсированные среды и межфазные границы. 2001. Т. 3. № 2. С. 122 – 135.

8. Гольдштейн М. И., Литвинов В. С., Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов. — М.: Металлургия, 1986. — 310 с.

9. Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. — СПб.: Политех. ун-т, 2013. — 403 с.

10. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / J. Mat. Res. 1992. Vol. 7. N 6. P. 1564 – 1583.

11. Головин Ю. И. Наноиндентирование и механические свойства материалов в наношкале (обзор) / ФТТ. 2008. Т. 50. № 12. С. 1113 – 2142.

12. Канаев А. Т., Орынбеков Д. Р., Канаев А. А., Тайманова Г. К. Повышение износостойкости и контактно-усталостной прочности колесной стали плазменным упрочнением / Вестник ЕНУ. 2015. № 4(107). С. 197 – 205.

13. Канаев А. Т., Алексеев С. В., Пальчун Б. Г. Модернизация структуры поверхностного слоя конструкционной стали плазменной струей / Вестник науки Казахского агротех. ун-та. 2015. № 3(86). С. 78 – 86.

14. Рыбин В. В., Малышевский В. А., Хлусова Е. И. Технология создания конструкционных наноструктурированных сталей / Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 6(648). С. 3 – 7.

15. Козлов Э. В., Попова Н. А., Конева Н. А. Фрагментированная структура, формирующаяся в ОЦК-сталях при деформации. / Известия РАН. Серия физическая. 2004. Т. 68. № 10. С. 1419 – 1427.

16. Тушинский Л. И. Структурная теория конструктивной прочности материалов. — Новосибирск: НГТУ, 2004. — 400 с.

17. Урцев В. Н., Горностырев Ю. Н., Корнилов В. Л., Шманов А. В. Наноинженерия в черной металлургии / Сталь. 2012. № 2. С. 130 – 131.