Надежность и долговечность режущего инструмента в значительной мере определяется качеством его термической обработки [3, 4]. Качество термической обработки однозначно характеризуется структурой и физико-механическими свойствами. Термическая обработка быстрорежущих сталей требует точного выполнения режимов, а результаты ее зависят от многих факторов [1]. Оперативное обнаружение изменений структуры и оценка свойств позволяет осуществить отработку режимов для обеспечения необходимых механических характеристик. В настоящее время наиболее эффективным для оперативного изучения физико-механических свойств материалов является метод акустической эмиссии (АЭ).
Исследования проводились с использованием оригинального аппаратно-программного комплекса «АКЕМ», который подробно описан в работе [2].
Эксперименты проводились на серии стандартных плоских образцов с использованием штатного нагружающего устройства универсальной установки АЛАТОО ИМАШ20-75 с максимально возможной нагрузкой 5000Н. Образцы имели сечение в рабочей зоне 1×1,5 мм и были изготовлены из прутков стали Р6М5 и Р18 диаметром 60…90 мм путем резки на диски толщиной 1, 5 мм и последующим фрезерованием контура по шаблону. Для исключения влияния поверхностных дефектов на процесс деформации рабочая часть образца полировалась электрохимическим методом. Скорость нагружения образцов в данной серии экспериментов составляла 0,8 мм/мин. Кривая деформации регистрировалась также при помощи штатных устройств данной установки. Параллельно с записью кривой деформации велась непрерывная регистрация сигналов АЭ с использованием оригинального компьютерного комплекса для сбора, обработки и анализа сигналов АЭ. При этом широкополосный датчик АЭ с полосой 0,2 МГц был установлен на площадке специально разработанных захватов в непосредственной близости от зоны деформации. Образец крепился в захватах нагружающего устройства установки через тензобалку. Величина силовой нагрузки после преобразования тензодатчиком записывалась по координате Y самопишущего потенциометра. Величина перемещения правого захвата отслеживалась упругим элементом, на котором крепился тензопреобразователь. Величина перемещения записывалась по координате X самопишущего потенциометра. Акустический датчик устанавливался на площадке специального захвата. Усиление электрических сигналов АЭ осуществлялась согласованным предварительным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления и порогом дискриминации. В усилителе имелась система фильтров и выделения огибающей регистрируемых электрических сигналов АЭ. Усилитель питался от автономного блока питания. Аналоговый сигнал огибающей поступал на стандартный аналогово-цифровой преобразователь типа L-154. Далее цифровая информация записывалась на ПЭВМ на физическом уровне. Дальнейшее формирование файлов информации, их обработка, анализ и вывод необходимых параметров АЭ на дисплей компьютера обеспечивался оригинальным программным комплексом [2].
Визуально-оптические исследования поверхности образцов из стали Р6М5 и Р18 в зоне разрушения и поверхности излома позволили установить следующее.
По виду и характеру разрушения все образцы можно подразделить на ряд групп. Первая группа включает образцы после отжига. Ко второй группе относятся образцы после отжига и шлифовки. В третью группу входят образцы после различных видов закалки и отпуска.
Вид и характер разрушения всех образцов соответствует основным концепциям физической мезомеханики пластической деформации и разрушения твердых тел, о чем свидетельствует фрагментация материала на мезоуровне в виде апельсиновой корки». Это происходит во время возможного перемещения объемных структурных элементов различного масштаба (субзерен, зерен, их конгломератов, протяженных блоков материала) в деформируемом твердом теле. Описанная стадия классифицируется как состояние предразрушения [6].
Образцы 1, 2 групп разрушаются вязко, причем наименьшая вязкость наблюдается у второй группы образцов. Третья группа образцов имеет хрупкий характер разрушения. Об этом же свидетельствует и анализ вида излома образцов. Так, если у 1 и 2 групп образцов в изломе наблюдаются характерные для вязкого разрушения признаки (скосы под углом 45° по кромке излома, «землистый», «рыхлый» вид излома), то такие особенности излома не наблюдаются у хрупко разрушившихся образцов третьей группы. Последние имеют противоположные признаки: отсутствие скосов по кромке, мелкозернистый характер излома, разрушение происходит по плоскости, перпендикулярной направлению приложения нагрузки.
Результаты экспериментов проводились по пяти основным акустическим параметрам, которые позволили в полной мере сформировать акустический образ исследуемого процесса разрушения образцов из сталей Р6М5 и Р18 при растяжении. К этим параметрам относятся: пиковая амплитуда сигналов, скорость счета (интенсивность), суммарный счет, суммарная энергия, параметр выделения сигналов от трещин на фоне общего потока информации.
Результаты исследований кинетики разрушения образцов позволили косвенно оценить влияние накопления и упорядочения структурной (кристаллической) неоднородности в различных условиях закалки быстрорежущих сталей и оптимизировать технологию закалки [5, 7]. Накопление событий и накопление энергии в особенности позволяет четко выявить разницу в накоплении и упорядочении структурной неоднородности в быстрорежущих сталях в зависимости от режимов термической обработки: отжига, видов закалки, количества отпусков. Особенно важно отметить, что установленные экспериментальным путем закономерности позволяют управлять накоплением и упорядочением структурной (кристаллической) неоднородности быстрорежущих сталей, а также прогнозировать их улучшающие свойства [8, 9]. В совокупности это позволяет высокоэффективно использовать такой инструмент из быстрорежущих сталей в высокоскоростных шпиндельных узлах [10].