ВВЕДЕНИЕ Эксплуатационные свойства – это совокупность характеристик материала, которые определяют его работоспособность в процессе эксплуатации изделия [1]. Обеспечивают требуемые эксплуатационные свойства различными способами, в том числе технологическими [2]. Существует много примеров повышения эксплуатационных свойств, за счет применения тех или иных технологий. Так, объемным скоростным нагревом ТВЧ стали 20Х13 удалось создать структуру, состоящую из равномерно распределенного в мартенсите повышенного количества(18…20 %) остаточного аустенита, что привело к повышению долговечности при действии контактных нагрузок до 6 раз [3].Применение обработки поверхности ультразвуковой прокаткой нержавеющейстали привело не только к измельчениюеё зерна, и увеличению до трех раз микротвердости, но и существенному росту коррозионной стойкости [4].Приведенные примеры говорят о высокой перспективности применения технологических способов для повышения эксплуатационных свойств. Однако, как показывает практика, разработка новых технологий направлена на повышение одного-двух эксплуатационных свойств изделия. Для повышения комплекса эксплуатационных свойств, как правило, изделие подвергается нескольким технологическим операциям, что значительно увеличивает себестоимость и снижает производительность обработки [5]. Поэтому, важной является задача обеспечения в обрабатываемом материале комплекса эксплуатационных свойств за одну технологическую операцию.Технология волнового деформационного упрочнения (ВДУ) разработана изапатентована в 1997 г. профессорамиКиричеком А.В., Соловьевым Д.Л.,Лазуткиным А.Г. [6, 7]. ВДУ относится к динамическим (ударным) способам поверхностного пластического деформирования. Особенность технологии заключается в передачи энергии A в очаг деформации через промежуточное звено – волновод, длина L2 которого в3 – 5 раз меньше длины бойка L1, наносящего удары (рис. 1). Для устранения отскока после удара и более полной передачи энергии в очаг деформации, волновод предварительно статически поджимается к инструменту с силой Pст. В результате удара, в очаге деформации формируется пролонгированный ударный импульс, состоящий из головной и хвостовой частей. Большая длительность ударного импульса и передаваемая энергия, в очаг деформации, позволяют достичь КПД используемой ударной системы ВДУ свыше 65 %. В результате обработки в обрабатываемом материале может быть обеспечена степень упрочнения до 150 % и глубина до 15 мм. Так как ВДУ обладает большим количеством управляемых технологических факторов, то есть возможность обеспечения дозированного упрочнения поверхностного слоя, приводящего к созданию равномерного чередования в поверхностном слое чередования твердых и вязких составляющих – гетерогенной структуры [8 – 10]. Равномерность упрочнения в результате ВДУ управляется сочетанием подачи обрабатываемого материала S, мм/мин, частотой ударов f, Гц и комплексного технологического параметра, учитывающего физико-механические характеристики обрабатываемого материала σ, мм – ширину отпечатка, формируемого в результате удара инструмента для ВДУ. Практическим описанием совокупности характеристик данных параметров является коэффициент перекрытия пластических отпечатков К. В случае нанесения ударов инструмента в одно и тоже место, без смещения обрабатываемого материала, К = 1. При нанесении отпечатков ударов инструмента, края которых граничат друг с другом, не перекрываются, К = 0. Формируемые области на поверхности обрабатываемого материала, упрочненные в результате ВДУ с разными величинами коэффициента перекрытия, представлены на рис. 2.Формируемые гетерогенные структуры ВДУ с различными величинами коэффициента перекрытия К представлены на рис. 3 [11].  Ранее, ряд исследователей подтвердил перспективность применения гетерогенной структуры для повышения эксплуатационных свойств материалов. Так, в работах [12, 13] удалось повысить в 2 – 3 раза контактную выносливость зубчатых колес, за счет нанесения лаковых масок на рабочие поверхности и формирования в них гетерогенной структуры химико-термической обработкой. Варьируя режимами лазерной закалки, в работе [14], в поверхностном слое создано чередование областей с разной твердостью, приведших на 30…50 % к повышению усталостной долговечности выступов и впадин резьб.Учитывая широкие возможности ВДУ по управлению технологическими параметрами обработки и перспективности применения гетерогенной структуры для повышения эксплуатационных свойств целью данной работы является исследование влияния волнового деформационного упрочнения на комплекс эксплуатационных свойств в обрабатываемом материале за одну технологическую операцию, а также исследование взаимосвязи между режимами ВДУ и рядом эксплуатационных свойств. Материалы и методы Для установления взаимосвязей с волновым деформационным упрочнением определены следующие эксплуатационные свойства: сопротивление контактному выкрашиванию; циклическая прочность в условиях знакопеременных нагрузок, коррозионная стойкость. Выбор данного перечня эксплуатационных свойств связан с наличием запроса от научных и инженерно-технических работников, а также других участников реальных производственных процессов. Сопротивление контактному выкрашиванию (СКВ) ΔI является комплексным параметром, учитывающим изменение в процессе испытаний размеров следов дорожек катания шаров, и площадей, возникших на них выкрашиваний. Для экспериментальной оценки взаимосвязей ВДУ с сопротивлением контактному выкрашиванию взяты образцы из сталей 45, 40Х и 35ХГСА с исходной микротвердостью2000…2200 МПа. Выбор материала обусловлен тем, что сталь 45 является эталонной в машиностроении, а стали 40Х и 35ХГСА используются для создания тяжелонагруженных деталей машин, работающих в условиях контактных циклических нагрузок. Образцы представляют собой пластины толщиной 20 мм, которые упрочнялись с различной удельной энергией ударов (5 < а < 7 Дж/мм) и с различными значениями коэффициента перекрытия К. В качестве инструмента использовались стержневые ролики диаметром 10 мм [15].Исследование СКВ проводилось на экспериментальном стенде, размещенном на сверлильном станке (рис. 4).Испытания проводились следующим образом. Через конус 4 верхняя пластина с упрочненными образцами за счет вертикального перемещения шпинделя станка поджималась к нижней через шары 3, установленные в сепараторе 2. Сила поджатия пропорциональна силе нажатия на рукоятку ручного перемещения шпинделя станка, которая регулируется подвешиваемыми к ней грузами. При включении вращения шпинделя с заданной частотой, шары совершают круговое обкатывающее движение по поверхности верхней 6 и нижней 5 пластин с упрочненными образцами. В зону контакта шаров с испытуемой поверхностью может осуществляться регулярный подвод смазки, например, индустриального масла. При достижении заданного числа циклов контактного нагружения испытания завершаются, упрочненные образцы извлекаются из пластин 5 и 6 и подвергаются лабораторным исследованиям. После испытаний оценивались размеры следов дорожек катания шаров и площадь возникших на них выкрашиваний на неупрочненных и упрочненных с различной равномерностью упрочнения и делались заключения о сформированных величинах СКВ в материале (рис. 5).Оценка влияния ВДУ на циклическую прочность проводилась в условиях знакопеременных нагрузок на серво-гидравлической испытательной машине Torsion 10 кНм, которая может выполнять статическое и усталостное нагружение кручением с помощью высокомоментного гидромотора (рис. 6). В результате экспериментов исследовалось поведение материала, работающего в области малоцикловой усталости (не более 5×104 циклов) в условиях симметричного нагружения при циклическом скручивании. Оценивали число циклов нагружения до разрушения. Материалами для образцов служили сварные пластины из стали 30ХГСА. Выбор материала связан с его широким применением для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. ВДУ проводилось с энергией 150 Дж с частотой ударов 10 Гц и с режимами, обеспечивающими перекрытие отпечатков ударов инструмента с коэффициентом К = 0,3. Выбор данного значения коэффициента перекрытия К обоснован данными предварительных экспериментов, как наиболее эффективное значение для условий циклического нагружения [7]. В качестве инструмента, при ВДУ использовался стержневой ролик диаметром 10 мм и шириной 40 мм.До настоящего времени нет единого мнения о влиянии поверхностного пластического деформирования на коррозионную стойкость [16 – 19]. Как правило, исследуются потенциальные возможности повышения данного эксплуатационного свойства новыми технологиями. Исследование влияния ВДУ на коррозионную стойкость проводилось на установке для проведения коррозионных испытаний в соляном тумане S1000 (рис. 7). Эксперимент проводился согласно ГОСТ 28207-89, ГОСТ 9.908-85 на стали 30ХГСА. Потеря массы образцов после испытаний на коррозионную стойкость оценивалась на весах CE224−C. В качестве инструмента для ВДУ применялся стержневой ролик диаметром10 мм. Обработка с отличающимися коэффициентами перекрытия пластических отпечатков, частотой ударов 9…14 Гц, и удельной энергией удара, варьируемой в диапазоне от4 до 8 Дж/мм, обеспечивает разную величину деформации обработанного материала.Так, при исследовании влияния коэффициента перекрытия на ΔI было установлено, что у стали 45 максимальные значения ΔI = 4…6 наблюдались при значении К = 0,4 (см. рис. 8, а). Наиболее эффективные значения ΔI у сталей 40Х и 35ХГСА были достигнуты при К = 0,3 и составили соответственно 2…2,3 и 2,1…2,8(см. рис. 8, б, в) [15]. Влияние величины удельной энергии удара на сопротивление контактному выкрашиванию на всех исследуемых сталях показало, что с увеличением а, диапазон эффективных значений ΔI смещается в сторону меньшего значения коэффициента перекрытия, что связано с увеличением зоны деформируемого металла под единичным отпечатком. Исследование влияния ВДУ нациклическую прочность в условияхзнакопеременных нагрузок. Режимы циклических испытаний пластин из стали 30ХГСА составили: нагрузка 190 Н×м, частота нагружения 0,15 Гц. Так, при циклическом испытании пластин из стали 30ХГСА без швов и упрочнения, появление первых трещин настало при 1700 циклах, а при 4100 наступило разрушение. У сварных пластин без ВДУ первые трещины возникли после 2150 циклов, а разрушился образец при 5950 циклах нагружения. Испытания пластин со сварным швом, обработанным ВДУ, показали образование трещин после 3110 циклов нагружения, а на 9900 цикле возникло разрушение материала. На основании анализа результатов экспериментов установлено повышение прочности сварных швов, работающих в условиях знакопеременных нагрузок после их упрочнения волной деформации для стали 30ХГСА в 1,7 раза по сравнению со сварными образцами без упрочнения и в 2,4 раза, с материалами без сварки и упрочнения (рис. 9). Также отмечено, что ВДУ способствовало увеличению отношения допустимого числа циклов нагружения к числу циклов, при которых появилась первая трещина – t. Так, для сварных швов после ВДУ, у образцов из стали 30ХГСА значение t составило 3,2. Тогда как у образцов со сварными швами без ВДУ t = 2,7, а у материалов без сварки и упрочнения t = 2,4. Таким образом, наличие обработки ВДУ способствует повышению в несколько раз числа циклов до разрушения упрочненных сварных швов, после появления первых трещин. Исследование влияния ВДУ накоррозионную стойкость Неупрочненные образцы из стали 30ХГСА имели твердость HV равную 1540 МПа, потери в результате исследований коррозионной стойкости составили 6,7×10-5 г/мм3 (рис. 10). После упрочнения с K = 0,3 в поверхностном слое наблюдались степень и глубина упрочнения, соответственно, 38 % и 7 мм, а потери равнялись 4,7×10-5 г/мм3. При упрочнении с K = 0,6 в поверхностном слое установлены степень упрочнения равная 43 %, а глубина упрочнения7 мм. Потери в результате исследований коррозионной стойкости составили 4,5×10-5 г/мм3.Выводы 1. Установлена перспективность повышения комплекса эксплуатационных свойств за одну технологическую операцию, посредством волнового деформационного упрочнения.2. Установлено, что технология ВДУ за счет наличия большого числа управляемых технологических параметров может формировать в поверхностном слое регулярно чередующиеся области с твердыми и вязкими участками – гетерогенной структурой, позволяющей повысить эксплуатационные свойства обрабатываемого материала.3. Установлено, что сформированная гетерогенная структура с равномерностью упрочнения 0,3 ≤ К ≤ 0,4 способна повысить сопротивление контактному выкрашиванию рассматриваемых сталей в 1,8 – 6 раз.4. Установлено, что образцы со сварными швами, обработанные ВДУ, испытанные в условиях знакопеременных нагрузок, позволили повысить циклическую прочность в 1,7 раза по сравнению со сварными швами без упрочнения и в 2,4 раз с исходным материалом.5. Установлена возможность повышения коррозионной стойкости исследуемых материалов после ВДУ на 30…32 % по сравнению с неупрочненным материалом.6. Установлен универсальный режим ВДУ (удельная энергия 2,5…6 Дж/мм; частота9…14 Гц; коэффициент перекрытия 0,3…0,4), позволяющий за одну технологическую операцию повысить комплекс технологических свойств упрочняемого материала.