2
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание..................................................... 2
Введение....................................................... 6
Глава 1. СТРУКТУРНЫЕ И МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ ЭВОЛЮЦИИ СОСТОЯНИЯ СТАЛИ ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ.................................................... 13
1.1. Периоды и стадии усталостного нагружения................. 13
1.2. Факторы, влияющие на сопротивление металлов усталостному разрушению.................................................... 17
1.3. Способы повышения усталостной прочности................... 18
1.4. Электропластический эффект и его практическое применение ... 19
1.5. Эволюция структурно-фазовых состояний в металлах и сплавах при усталостном нагружении с импульсным токовым воздействием.................................................. 20
1.6 Структурные уровни пластической деформации................ 25
1.7 Выводы из литературного обзора и постановка задачи
исследования................................................... 29
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................. 33
2.1. Материал исследования.................................... 33
2.2. Методика усталостных испытаний .......................... 33
2.3. Метод препарирования образцов............................. 25
2.4. Методика металлографического анализа зсренной структуры стали......................................................... 35
2.5. Методика исследования стали путем использования просвечивающей дифракционной электронной микроскопии тонких фольг......................................................... 36
2.6. Методика исследования поверхности разрушения стали путем использования сканирующей электронной микроскопии............. 40
3
ГЛАВА 3. МАКРОМАСШТАБНЫЙ УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ 42 УСТАЛОСТИ..............................................
Выводы по главе 3....................................... 49
ГЛАВА 4. МЕЗОМАСШТАБНЫЙ УРОВЕНЬ СТРУКТУРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ (ЭВОЛЮЦИЯ СОСТОЯНИЯ ЗЕРЕННОГО АНСАМБЛЯ)..................................... 51
4.1. Зеренная структура стали в исходном состоянии..... 51
4.2. Зеренная структура стали на промежуточной стадии усталостного нагружения................................. 55
4.3. Зеренная структура стали в разрушенном состоянии... 58
4.4. Зеренная структура усталостно нагруженных образцов на
стадии электростимулирования............................ 61
4.5. Зеренная структура стали в разрушенном после электростимулирования состоянии......................... 64
4.6. Градиент зеренной структуры стали, формирующийся в условиях усталостных испытаний.......................... 68
4.6.1. Испытания по непрерывной схеме нагружения........ 68
4.6.2. Испытания в условиях промежуточного электростимулирования................................... 73
4.7. Корреляции и тенденции в поведении зеренного ансамбля
стали при усталостных испытаниях........................ 77
Выводы по главе 4....................................... 83
ГЛАВА 5. МИКРО- И НАНОМАСШТАБНЫЕ УРОВНИ РАЗВИТИЯ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОЙ СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ (ЭВОЛЮЦИЯ ФАЗОВОГО
СОСТАВА И ДЕФЕКТНОЙ СУБСТРУКТУРЫ) ..................... 86
5.1. Структура и фазовый состав стали перед усталостными испытаниями............................................. 86
4
5.1.1. Дефектная субструктура стали........................... 86
5.1.2. Частицы второй фазы.................................... 87
5.1.3. Дальнодействуюіцие поля напряжений..................... 90
5.2. Структурно-фазовое состояние стали на промежуточной стадии усталостного нагружения....................................... 92
5.2.1. Дефектная субструктура стали........................... 92
5.2.2. Частицы второй фазы.................................... 95
5.2.3.Дальнодействующие поля напряжений....................... 97
5.3. Структурно-фазовое состояние разрушенной стали........... 98
5.3.1. Дефектная субструктура стали.......................... 98
5.3.2. Частицы второй фазы.................................. 100
5.3.3. Дальнодействующие поля напряжений..................... 101
5.4. Количественные закономерности эволюции структурнофазового состояния стали в условиях непрерывного усталостного
нагружения................................................... 103
Выводы по главе 5............................................ 107
ГЛАВА 6. МИКРО- И НАНОМАСШТАБНЫЕ УРОВНИ РАЗВИТИЯ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ
ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАНИЯ (ЭВОЛЮЦИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ДЕФЕКТНОЙ СУБСТРУКТУРЫ)........................... 109
6.1. Электростимулированная модификация структуры и фазового состава стали............................................... 109
6.1.1. Электростимулирование исходной стали.................. 109
6.1.2. Электростимулирование стали на промежуточной стадии усталостного нагружения..................................... 112
6.2. Структурно-фазовое состояние стали, разрушенной в условиях электростимулирования на промежуточной стадии нагружения 117
6.3. Количественные закономерности эволюции структурнофазового состояния электростимулированной стали в условиях усталостного нагружения................................. 123
5
Выводы по главе 6.............................. 129
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................ 131
ЛИТЕРАТУРА..................................... 135
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................... 153
6
ВВЕДЕНИЕ
Под усталостью понимается процесс постепенного накопления повреждений металла или сплава под действием переменных напряжений, приводящий к изменению структуры, свойств и разрушению [1].
Одной из основных проблем расчета деталей машин, изделий и механизмов на прочность является предотвращение преждевременных разрушений вследствие действия периодически повторяющихся нагрузок, вызывающих явление усталости металла. Статистические исследования показывают, что ~90 % всех разрушений элементов конструкций и деталей машин в промышленности и на транспорте происходит в результате действия повторно-переменных нагрузок механического (механическая усталость) или температурного (термическая усталость) плана. Специфика поведения материала при данном способе воздействия заключается в том, что в нестационарных условиях в металле, в том числе и стали, легче возникают повреждения и разрушение происходит внезапно при действии нагрузок, значительно меньших по сравнению со стационарными и в условиях практически полного отсутствия макроскопической деформации. Неожиданное, в большинстве случаев, наступление заключительной стадии усталостного разрушения часто приводит к катастрофическим последствиям.
Усталостное разрушение металлов и сплавов изучается мировым сообществом уже не одно столетие, накоплен громадный экспериментальный материал, в основном касающийся кривых усталости и установлению безопасного напряжения, длительное циклическое приложение которого не вызывает разрушения материала. Однако многие вопросы поведении материалов промышленного назначения при циклическом нагружении остаются недостаточно изученными, т.к. на усталостное разрушение весьма часто оказывает влияние комплекс факторов (фазовый состав и дефектная субструктура материала, состояние поверхностного слоя, среда и температура
7
испытания, частота, периодичность и амплитуда действующей нагрузки и т.д.). С другой стороны, развитие науки и техники постоянно выдвигает новые требования к современным материалам, приводящие к расширению круга проблем, подлежащих немедленному исследованию. Применение новейших структурных методов анализа (электронной дифракционной микроскопии тонких фольг и реплик, растровой электронной микроскопии изломов) позволило значительно продвинуться в понимании природы усталостного разрушения металлов и сплавов, однако многоплановость, многофакторность данного явления вынуждает признать, что в настоящее время наука об усталости конструкционных материалов находится на стадии интенсивного накопления фактического материала, его осмысления и обобщения. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы.
Вопросы усталости и прочности являются предметом самого тщательного рассмотрения с точки зрения, как научных исследований, так и опытноконструкторских и технологических разработок. Усталостная прочность и долговечность являются важными критериями оценки работоспособности и ресурса многочисленных деталей и конструкций. Их роль особенно возрастает для современных высоконагруженных ответственных изделий, подвергающихся воздействию циклических нагрузок в области не только много-, но и малоцикловой усталости. Сложность оценки циклической прочности конструкционных материалов связана с тем, что на усталостное разрушение оказывают влияние много различных факторов (структура, состояние поверхностного слоя, температура и среда испытания, частота нагружения, концентрация напряжения, асимметрия цикла, масштабный фактор и ряд других). В общем случае процесс усталости связан с постепенным накоплением и взаимодействием дефектов кристаллической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дисклинаций, двойников, границ блоков и зерен и т.д.) и, как следствие этого, с развитием усталостых повреждений в виде образования и распространения микро- и макроскопических трещин.
8
Хотя со времени построения первой кривой усталости прошло более 140 лет и в настоящее время кривые усталости построены для всех известных конструкционных материалов, однако, все еще не удалось полностью решить проблему циклической прочности ни в области изучения физической природы этого явления, ни в области инженерного подхода к этому вопросу [2].
Сложность явления поведения металлов и сплавов при усталости подчеркнута в многочисленных монографиях в отечественной научной печати [3-14].
Прогресс в развитии современной техники неразрывно связан с повышением усталостной прочности материала. В настоящий момент времени существует ряд способов повышения усталостного ресурса, среди которых отдельное место занимают внешние энергетические воздействия (плазменная, радиационная, лазерная обработка, ионная имплантация, импульсные токи и т.д.)
Импульсные электрические токи занимают особое место среди этих внешних энергетических воздействий. В их приложении к усталостному нагружению лежит электропластический эффект, открытый более 40 лет тому назад [15,16].
Несмотря на обширный экспериментальный и теоретический материал физическая природа эффекта повышения усталостной прочности сталей и сплавов изучена еще недостаточно.
Цель работы - выявление на различных структурных и масштабных уровнях закономерностей и установление физической природы фазовых и субструктурных превращений, протекающих в стали аустенитного класса 08Х18Н10Т, подвергнутой многоцикловым усталостным испытаниям в условиях частичного восстановления ресурса работоспособности путем стимуляции импульсным электрическим током на промежуточной стадии нагружения.
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
9
1) на макромасштабном уровне (уровне образца в целом) - анализ поверхности усталостного разрушения стали и выявление закономерностей ее формирования;
2) на мезомасштабном уровне (уровне зеренного ансамбля) -исследование закономерностей формирования и эволюции зеренной структуры стали в зоне усталостного роста трещины;
3) на микро- и наномасштабном уровне (уровне дефектной субструктуры и состояния карбидной фазы) - качественные и количественные исследования фазового состава и дефектной субструктуры стали в исходном состоянии и его эволюции в процессе многоцикловых усталостных испытаний в схеме непрерывного нагружения и в условиях электропластифицирования на промежуточной стадии испытаний, анализ поведения элементов внедрения и замещения в условиях усталостного нагружения, основанный на качественных и количественных исследованиях состояния карбидной фазы
4) на всех рассмотренных выше структурно-масштабных уровнях -анализ факторов, определяющих усталостную долговечность стали в условиях непрерывного нагружения и в схеме с промежуточным электростимулированисм.
Научная новизна: впервые на макро,- мезо,- микро- и наноструктурных уровнях проведены сравнительные количественные и качественные исследования аустенитной стали 08Х18Н10Т в состояниях, реализованных в условиях непрерывной схемы усталостных испытаний и испытаний с промежуточным электростимулированием нагруженных образцов. Выявлены и подвергнуты анализу основные факторы, определяющие усталостную долговечность стали в условиях многоцикловых испытаний. Вскрыты механизмы, ответственные за повышение усталостной работоспособности стали, реазизующейся в условиях воздействия импульсным электрическим током. Выявлены положения, позволяющие повысить эффективность
10
обработки стали импульсным электрическим током (электропластификация стали).
Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, широким привлечением статистических методов обработки результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.
Научная и практическая значимость работы заключается, прежде всего в существенном увеличении усталостной долговечности аустенитной стали 08Х18Н10Т, обусловленном воздействием импульсным электрическим током на промежуточной, четко контролируемой, стадии нагружения. Выявлен комплексный характер изменения фазового состава и дефектной субструктуры стали, реализующийся на макро-, мезо-, микро- и наномасштабных уровнях в условиях непрерывного нагружения и в схеме нагружения с промежуточным электростимулированием.
Практическая значимость работы подтверждается актом апробирования ее результатов в промышленности.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в проведении экспериментов по многоцикловому усталостному нагружению с параллельным электростимулированием, получении данных оптических, электронно-микроскопических и других исследований, в обработке полученных результатов, формулировании выводов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Структурные и масштабные уровни реализации процесса многоцикловой усталости и разрушение аустенитной стали 08X18111 ОТ.
11
2.Эволюция фазовых и структурных состояний, выявленных на различных структурно-масштабных уровнях аустснитной стали, подвергнутой многоцикловым усталостным испытаниям.
3.Особенности и закономерности деформации аустснитной стали в условиях многоциклового усталостного нагружения до разрушения по непрерывной схеме и с промежуточным электростимулированием.
4.Взаимосвязанный характер развития усталости стали на различных структурно-масштабных уровнях.
5.Факторы, определяющие механизм пластифицирующего действия импульсного электрического тока при многоцикловых усталостных испытаниях аустенитной стали 08Х18Н10Т.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: X
международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов- ‘ДСМСМС-2005’», г. Екатеринбург, 2005; XI международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ'2005», г. Томск, 2005; XV Петербургских чтениях по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2005; Всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука-производство-технологии-экология», г. Киров, 2005; VI международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», г. Воронеж, 2005; XIII республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, г. Гродно, 2005; 14th year of the international conference on metallurgy and materials - «METAL 2005», Prague, CZ, 2005; VI международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», г. Санкт-Петербург, 2005; международном семинаре MHT-VIII («Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий»), г. Обнинск, 2005; VIII, IX
12
международных школах-семинарах "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах, г. Барнаул, 2005, 2006; 43 международной конференции «Актуальные проблемы прочности», г. Вологда, 2005; European congress on advanced materials and processes «EUROMAT - 2005», Prague, CZ, 2005; 3 Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов ФСМИС-Ш», г. Екатеринбург, 2005; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии,
управление, инновации и качество», г. Новокузнецк, 2006; XVIII уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Тольятти, 2006; Международной конференции «Прочность неоднородных структур» - Москва, 2006; 14th International conference on the strength of materials (ICSMA14) Xi’an, China; 2006; XVI Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов”, г. Самара, 2006; 9th International congress on fatigue «Fatigue 2006», Atlanta, USA; Четвертой Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2006; Международном семинаре MHT-IX «Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий-2007», г. Обнинск, 2007, XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТГ2007», г. Томск, 2007.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах, в том числе в 6 статьях в изданиях входящих в список ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 178 наименований, приложения; содержит 153 страниц машинописного текста, включая 18 таблиц и 93 рисунка.
13
ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ И МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ ЭВОЛЮЦИИ СОСТОЯНИЯ СТАЛИ ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
1.1 Периоды и стадии усталостного нагружения
В настоящее время различают многоцикловую усталость и малоцикловую усталость [17]. Согласно ГОСТа 23.207-78 [18] многоцикловая усталость - это усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании, а малоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упруго - пластическом деформировании [19-25]. Наиболее полно периоды и стадии усталости отражаются при построении кривой Веллера или кривой усталости. На рис. 1.1 представлена полная кривая усталости в диапазоне напряжений от временного сопротивления разрушению (предела прочности) до предела выносливости (предела усталости). Построение полных кривых усталости позволяет понять суть методов расчета несущей способности в каждой области кривой усталости и улучшить методику исследований при нестационарных циклических нагрузках [21,26-29]. В зависимости от типа используемых координат вид такой кривой может быть различным (рис. 1.2). В настоящее время в литературе имеются многочисленные данные о величине предела усталости и форме кривых Велера для разных металлов и сплавов, полученные в разных условиях. Вся полная кривая усталости разделяется на две основные области: малоцикловой и
многоцикловой усталости.
- Київ+380960830922