РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Исследуемые материалы
Исследованные в работе материалы можно условно разделить на несколько групп.
Материалы первой группы представляют собой аустенитные метастабильные стали системы легирования Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si. В данной группе хром и марганец обеспечивают матрицу из метастабильного аустенита, а углерод и титан использовались в основном для получения высокотвердой упрочняющей фазы TiC. Данная группа материалов представляет значительной интерес в виду высокой сопротивляемости метастабильного хромомарганцевого аустенита абразивному и ударно-абразивному изнашиванию. Однако в ряду аустенитных углеродистых износостойких сталей известны композиции, которые обладают склонностью к образованию трещин задержанного разрушения и отслаивания в зоне сплавления и проплавления. Химический состав исследуемых сталей приведен в таблице 4.2 и табл. Е.5, Е.6, Ж.3, Ж.4 приложений.
Другая группа - экономнолегированные стали системы Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si и Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si-Mo с мартенситной или мартенситно-бейнитной основой. Аналогично первой группе роль основного карбидообразующего элемента отведена титану, содержание которого изменяли в пределах 0...6%.
Еще одной группой, рассмотренной в работе, являются экономнолегированные износостойкие стали системы Fe-C-Cr-Ti-Si и Fe-C-Cr-Mn-Ti-Si дополнительно легированные бором.
2.2. Методы определения химического и фазового состава, структуры и физико-механических свойств
Образцы для приготовления металлографических шлифов вырезались из пластин с износостойким слоем в плоскостях перпендикулярной и параллельной оси валиков. Вырезку образцов производили тонкими абразивными кругами при обильном охлаждении водой, что исключало перегрев металла. Образцы, предназначаемые для металлографического исследования имели размеры приблизительно 15?15 мм с площадью поверхности около 2 см2. Для исследования изменения структуры приповерхностной зоны происходящих в процессе испытания на абразивное изнашивание, изготавливали наклонные, "косые" шлифы из цилиндрических образцов ?10 мм, испытанных на машине трения. Образцы заделывались в цилиндрическую оправку ?22 мм цементом эпоксидной смолы под углом 11°, что дает увеличение приблизительно в 6 раз (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Схема заделки образцов для получения наклонных шлифов
Подготовку поверхности образцов для травления выполняли согласно рекомендациям [85-87].
Шлифовку поверхности образцов проводили вручную на водостойкой шлифовальной шкурке с карбидом кремния разной зернистости: от Р180 до Р600. Тонкую шлифовку и полировку выполняли на алмазных пастах АСМ, начиная от пасты с размером абразивных частиц - 28...20 мкм, и заканчивая наиболее тонкой пастой с размером частиц менее 1 мкм. Полирование производили механически на листе бумаги, закрепленном на вращающемся круге, при скорости вращения около 300 об/мин. Обработку мелкой пастой выполняли на твердой подложке из плотного ватмана или картона, что позволило избежать интенсивного выкрашивания карбидных составляющих. Для удаления остающихся мелких царапин выполняли окончательную кратковременную полировку поверхности на сукне со средним ворсом. Шлифы, предназначенные для измерения микротвердости, подготавливались особо тщательно, т.к. способ подготовки шлифов влияет на глубину наклепанного слоя, а, следовательно, и на результаты измерения микротвердости. Для более полного удаления наклепанного слоя использовали попеременно операции травления и полировки.
Для травления шлифов использовали реактивы различного состава: растворы азотной кислоты в этиловом спирте (3, 5 и 12%-ные). Для выявления структуры металла аустенитного класса - раствор соляной кислоты в этиловом спирте (50 мл соляной кислоты, 50 мл этилового спирта) и реактив Вилелла (10 мл азотной кислоты, 20 мл соляной кислоты, 20 мл глицерина и 10 мл перекиси водорода) [85].
Тепловое травление выполняли следующим образом. Подготовленные полированные образцы слегка протравливали в растворе азотной или соляной кислоты для выявления общей структуры, затем нагревали до температуры 350...400?С до появления заметных на поверхности цветов побежалости (приблизительно 5 мин) после чего образцы извлекали на медную пластину и быстро охлаждали обдувкой воздухом. Для высоколегированного аустенитного металла температура нагрева на песчаной бане была несколько выше и составляла 400...580?С в зависимости от состава металла [88].
Химический состав металла определяли методами спектрального и химического анализов. Спектральный на квантометре "Спектровак-1000". Химический анализ: углерод - газообменным (ГОСТ 2604.1), кремний - весовым (ГОСТ 2604.3), марганец - объемным персульфатосеребряным (ГОСТ 2604.5), титан - фотометрическим (ГОСТ 2604.10).
Распределение легирующих элементов по фазам и в зоне сплавления определялось методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе JSM-820 фирмы "JEOL" с системой рентгеновского микроанализа LinkAN10/85S "Link Analytical". Метод электронно-зондового микроанализа (EPMA - electron-probe microanalysis) позволяет определять химический состав структурных составляющих сплава с локальностью анализа 1-3 мкм (при ускоряющем напряжении 20 кВ) и точностью анализа 1-5% отн.
Анализ проводился методом ZAF-коррекции с использованием следующих линий характеристического рентгеновского излучения: FeK?, CrK?, MnK?, TiK?, SiK?. Выявление структурных составляющих проводилось путем анализа трех различных областей: тело зерна светлой фазы, темная фаза расположенная по границам зерен, зерна, имеющие средний атомный номер, меньший такового у основной фазы.
Послойное содержание легирующих элементов и фазовый состав определяли на установке ДРОН-3 в излучении Ка-Со (монохроматизированном). Съемку производили по схеме Брегга-Брентано.
Для определения остаточных напряжений использовали рентгеновский метод sin2?, который обеспечивает наибольшую точность [89, 90]. В основу этого метод