» » Упрочнение при образовании поверхностного слоя интерметаллида
11.01.2015

Действие жидких металлов не всегда вызывает снижение усталостной прочности твердых металлов. Как показал М. И. Чаевский, в некоторых случаях выносливость материала в жидкометаллической среде повышается. Такой эффект наблюдался при циклическом деформировании углеродистых сталей и хромоникелевой аустенитной стали 1Х18Н9Т в жидком олове и эвтектике Pb—Sn.
На рис. 119 изображена диаграмма усталостной прочности при симметричном изгибе ст. 50 на воздухе и в эвтектическом сплаве Pb—Sn. Испытания проводили на цилиндрических образцах, гладких и с кольцевым надрезом. Температура во всех испытаниях была 400° С. Из рис. 119 видно, что под действием расплава эвтектики Pb—Sn усталостная прочность стали возрастает.
Упрочняющее действие жидкого металла обнаруживается при испытании гладких образцов и образцов с концентратором напряжения. Степень упрочнения последних, однако, больше. Так, максимальное увеличение условного предела выносливости в жидком металле достигает 60% при испытании образцов с концентратором напряжения и лишь 12% — у гладких.
Аналогичное соотношение величин эффекта упрочнения гладких и надрезанных образцов наблюдалось в опытаx и с другими марками углеродистых сталей, а также со сталью 1Х18Н9Т.
Упрочнение при образовании поверхностного слоя интерметаллида

М.И. Чаевским установлено, что повышение усталостной прочности материалов определяется образованием на поверхности образца слоя интерметаллического соединения. В случае контакта стали с оловом или с эвтектикой Pb—Sn таким соединением является, возможно, FeSn2. Размер элементарной ячейки кристаллической решетки интерметаллида FeSn2 больше размера ячейки решетки железа. Поэтому вновь образовавшийся поверхностный слой должен нести на себе сжимающие напряжения.
Существование сжимающих напряжений было подтверждено М. И. Чаевским опытами со стальными пластинами, на одну из поверхностей которых наносили жидкий металл. Нагревание этих пластин, сопровождающееся ростом слоя интерметаллического соединения, приводило к их изгибанию. Сжимающие напряжения в поверхностном слое определены также количественно методом разрезания колец, разработанным Н.Н. Давиденковым. Оказалось, что выдержка стального стакана с расплавом олова при температуре 400° С в течение 73 ч вызывает появление сжимающих напряжений до 20 кг/мм2.
Возникновение сжимающих напряжений в поверхностном слое образца при взаимодействии с жидким металлом подтверждается также фактом большего упрочнения надрезанных образцов, чем гладких. Именно такое соотношение эффектов было получено и при испытании на воздухе образцов, имеющих сжимающие напряжения в результате поверхностного наклепа.
Упрочняющее действие олова и эвтектического сплава Pb—Sn на сталь в условиях циклического деформирования наблюдается не при любой температуре. Опыты показывают, что с повышением температуры эффект упрочнения уменьшается, а затем уступает место эффекту снижения усталостной прочности. Например, испытанием образцов ст. 35 с концентраторами напряжения установлено, что предел усталости на базе 2*10в7 циклов при температуре 250° С в среде эвтектики Pb—Sn превосходит предел на той же базе в воздухе почти в полтора раза. Повышение температуры испытания приводит к непрерывному уменьшению отношения этих пределов, так что начиная с 500° С оно становится меньше единицы, т. е. выносливость стали в эвтектике Pb — Sn с этой температуры становится меньше выносливости на воздухе. Агрессивное воздействие, жидкого металла при высокой температуре объясняется в этом случае интенсивным процессом растворения.
Эффект упрочнения сталей при испытании на усталость и олове и эвтектике Pb—Sn наблюдается при нагружении образцов не только изгибом, но и кручением. Однако при втором виде нагружения степень упрочнения меньше, чем при первом. Это различие становится понятным, если учесть, что создание тем или иным способом (например, обкаткой роликами) поверхностного слоя с сжимающими напряжениями приводит к гораздо меньшему упрочнению при циклическом кручении, чем при изгибе на воздухе.
Усиление упрочняющего действия жидкой эвтектики Pb—Sn на ст. 50 при циклическом кручении можно получить, как показал эксперимент, если производить тренировку образца в жидком металле. Образцы вначале нагружались напряжением 15 кг/мм2, которое затем увеличивалось ступенями по 0,3/0,5 кг/мм2 через каждые 10 мин до окончательного значения при последующем испытании. Оказалось, что такая тренировка в жидком металле вызывает повышение предела усталости ст. 50 на 40%, а в воздушной среде — лишь на 10%. Возможно, существенную роль при этой тренировке играет увеличение времени выдержки образца в жидком металле при низких напряжениях, когда усталостного повреждения не происходит, а толщина пленки интерметаллида увеличивается. На важную роль времени в рассматриваемых опытах указывают также факты меньшего повышения усталостной прочности стали в эвтектике Pb—Sn, если образцы предварительно не облужены; уменьшения усталостной прочности образцов с надрезом в эвтектике при высокой амплитуде напряжения (см. рис. 119) и повышения выносливости при уменьшении частоты нагружения.
Рассмотрение рис. 119 показывает, что упрочнение при испытании на усталость в эвтектике Pb—Sn должно исчезнуть при некотором значении числа циклов до разрушения, превышающем базу данных опытов. Такой характер действия жидкого металла связан, по-видимому, с тем, что пленка интерметаллида, достигнув определенной толщины, разрушается. Более устойчивое упрочнение при циклическом кручении может быть достигнуто введением алюминия в жидкий сплавсвинца с оловом. Опыты со сталями ст. 50 и 20Х показали, что добавки к жидкому металлу 3,8% Al способствуют повышению его упрочняющего действия. Это также связано с образованием поверхностной пленки интерметаллического соединения. В системе Fe—Al известно несколько интерметаллидов: FeAl3, Fe2Al5, FeAl2, FeAl и Fe3Al. Возможно, один из них или несколько и образуют поверхностную пленку на стали при циклической деформации. Наличие такой пленки подтверждено микроструктурным анализом образцов после испытания на усталость. Ввиду растрескивания пленки на образцах, находившихся длительное время в испытании, а также ввиду ее интенсивного роста при высокой температуре способ упрочнения за счет введения алюминия в эвтектику Pb—Sn пригоден, по-видимому, для ограниченного времени эксплуатации материала.