zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-4-56-60zldm-1192Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИсследование плазменно-закаленной колесной стали методом наноиндентированияStudy of plasma-hardened wheel steel using nanoindentationКанаевА. Т.KanaevA. T.

Амангельды Токешович Канаев

010011, г. Нур-Султан, пр. Женис, 62

Amangeldy T. Kanaev

62 Zhenis prosp., Nur-Sultan, 010011

РамазановаЖ. М.RamazanovaZ. M.

Жанат Мусановна Рамазанова

010011, г. Нур-Султан, ул. Кажымукана, 11

Zhanat M. Ramazanova

11 ul. Kazhymukana, Nur-Sultan, 010011

БийжановС. К.BiizhanovS. K.

Серик Кажимович Бийжанов

010011, г. Нур-Султан, пр. Женис, 62

Serik K. Biizhanov 

62 Zhenis prosp., Nur-Sultan, 010011

bijanov@mail.ruКазахский агротехнический университет имени С. СейфуллинаКазахстанSeifullin agrotechnical universityKazakhstanНациональный центр космических исследований и технологийКазахстанNational Center for Space Research and TechnologyKazakhstan2020230420208645660Copyright © Канаев А.Т., Рамазанова Ж.М., Бийжанов С.К., 20202020Канаев А.Т., Рамазанова Ж.М., Бийжанов С.К.Kanaev A.T., Ramazanova Z.M., Biizhanov S.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1192

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.

The necessity and possibility of using nanoindentation in studying the physical and mechanical properties of plasma-hardened wheel steel are considered. The goal of the study is demonstration and substantiation of significant differences in the mechanical properties and behavior of the materials in nanoscale tests from those determined in traditional macroscopic tests. The method was implemented using a NanoHardnessTecter nanohardness tester. The electric field formed in the nanoscale hardness tester pressed on the indenter and the diamond tip of the indenter is immersed in the surface layer of the material under study. The characteristics of the surface layer are determined using the developed software. Knowledge of the physicomechanical characteristics of the material (hardness, Young’s modulus, elastic recovery, etc.) which affect the wear resistance of the surface layers, allows one to evaluate and select the optimal surface modification technology using plasma hardening. The credibility of determination depends on the parameters of measuring equipment and compliance with the requirements to the depth of the imprint depending on the thickness of the hardened layer. The studies were carried out on the samples cut from the rim and crest of a railway wheel subjected to surface plasma hardening on a UPNN-170 installation (Russia). It is shown that the hardness (according to Vickers HV and H) of the rim is greater, and Young’s modulus, on the contrary, is less than the corresponding characteristics of the crest. Moreover, the wear resistance of hardened structural steel increases after nanostructural friction treatment.

наноиндентированиетвердостьмодуль Юнгаупругое восстановлениеnanoindentationhardnessYoung’s moduluselastic recoveryReferencesФирстов 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.Firstov S. A., Gorban V. F., Pechkovsky E. P. Establishment of limit values of hardness, elastic deformation and the corresponding stress of materials by the method of automatic indentation / Materialovedenie. 2008. N 8. P. 15 – 21 [in Russian].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.Makarov A. V., Pozdeeva N. A., Savrai R. A. Improving the wear resistance of hardened structural steel by nanostructural friction treatment / Trenie Iznos. 2012. Vol. 33. N 6. P. 444 – 455 [in Russian].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.Gogolinsky K. V., Lvova N. A., Useinov A. S. The use of scanning probe microscopes and nanosolid testers to study the mechanical properties of solid materials at the nanoscale / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2007. Vol. 73. N 6. P. 28 – 36 [in Russian].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.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.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.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.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.Chikova O. A., Shishkina E. V., Petrova A. N., Brodova I. G. Measurement by hard nanoindentation of hardness of submicrocrystalline industrial aluminum alloys obtained by dynamic pressing / Fiz. Met. Metalloved. 2014. Vol. 115. N 5. P. 555 – 560 [in Russian].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.Golovin Yu. I., Ivolgin V. I., Korenkov V. V., Korenkova N. V., Ryabko R. I. Determination of the complex of mechanical properties of materials in nanovolumes by nanoindentation methods / Condens. Sredy Mezhfaz. Granitsy. 2001. Vol. 3. N 2. P. 122 – 135 [in Russian].Гольдштейн М. И., Литвинов В. С., Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов. — М.: Металлургия, 1986. — 310 с.Goldstein M. I., Litvinov V. S., Bronfin B. M. Metallophysics of High-Durable Alloys. — Moscow: Metallurgiya, 1986. — 310 p. [in Russian].Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. — СПб.: Политех. ун-т, 2013. — 403 с.Sosnin N. A., Ermakov S. A., Topolyansky P. A. Plasma technology. — St. Petersburg: Polytekhn. Univ., 2013. — 403 p. [in Russian].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.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.Головин Ю. И. Наноиндентирование и механические свойства материалов в наношкале (обзор) / ФТТ. 2008. Т. 50. № 12. С. 1113 – 2142.Golovin Yu. I. Nanoindentation and mechanical properties of materials in a nanoscale (review) / Fiz. Tv. Tela. 2008. Vol. 50. N 12. P. 1113 – 2142 [in Russian].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.Kanaev A. T., Orynbekov D. R., Kanaev A. A., Taimanova G. K. Improving the wear resistance and contact fatigue strength of wheel steel by plasma hardening / Vestnik ENU. 2015. N 4(107). P. 179 – 205 [in Russian].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.Kanaev A. T., Alekseev S. V., Palchun B. G. Modernization of the structure of the surface layer of structural steel by a plasma jet / Vestn. Nauki Kazakh. Agrotekhn. Univ. 2015. N 3(86). P. 78 – 86 [in Russian].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.Rybin V. V., Malyshevsky V. A., Khlusova E. I. Technology for creating structural nanostructured steels / Metalloved. Term. Obrab. Met. 2008. N 6(648). P. 3 – 7 [in Russian].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.Kozlov E. V., Popova N. A., Koneva N. A. Fragmented structure formed in bcc steels during deformation / Izv. RAN. Fiz. Ser. 2004. Vol. 68. N 10. P. 1419 – 1427 [in Russian].Тушинский Л. И. Структурная теория конструктивной прочности материалов. — Новосибирск: НГТУ, 2004. — 400 с.Tushinsky L. I. Structural theory of structural strength of materials. — Novosibirsk: NGTU, 2004. — 400 p. [in Russian].Урцев В. Н., Горностырев Ю. Н., Корнилов В. Л., Шманов А. В. Наноинженерия в черной металлургии / Сталь. 2012. № 2. С. 130 – 131.Urtsev V. N., Gornostyrev Yu. N., Kornilov V. L., Shmanov A. V. Nanoengineering in the steel industry / Stal’. 2012. N 2. P. 130 – 131 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.