СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. РОЛЬ ЭВОЛЮЦИИ ДИСЛОКАЦИОННЫХ СУБСТРУКТУР В ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЕ
1.1. Поведение дислокационных субсгруктур при активной пластической деформации
1.2. Эволюция дислокационных структур при усталости.
1.2.1. Деформация и разрушение металлов и сплавов при усталости
1.2.2. Дислокационные субструктуры при усталости и влияющие на них факторы
1.2.3. Типы ДСС в ГЦК-чистых металлах сплавах и сталях 1.2.4.. Эволюция дислокационных субструктур при усталости до разрушения
1.2.5. Факторы, влияющие на формирование и эволюцию ДСС
1.2.6. Эволюция дислокационных субструктур при обработке металлов и сплавов давлением
1.2.7. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Материалы для исследований и методика усталостного нагружения
2.2. Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений
2.3. Материалы методика исследования проволоки при волочении и осадке.
2.4. Методы структурных, оптических и электронномикроскопических исследований и определения количественных характеристик
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ДСС ПРИ УСТАЛОСТИ СТАЛЕЙ
3.1. Сравнительный анализ эволюции ДСС в аустенитной стали 08Х18Н10Т при мало и большецикловой усталости
3.1.1. Исходное состояние ДСС
3.1.2. Типы ДСС, формирующиеся при многоцикловой усталости
3.1.3. Формирование и пути эволюции ДСС при малоцикловой усталости
3.2. Изменение ДСС при многоцикловой усталости аустенитной стали 45Г17ЮЗ
3.3. Пути эволюции ДСС в стали 60ГС2 с феррито-перлитной структурой
3.4.Эволюция ДСС в стали с мартенситной структурой при многоцикловой усталости Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНОФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ И ДСС ПРИ ВОЛОЧЕНИИ
4.1. Дефектная субструктура стали исходного состояния (катанка диаметром 6,5 мм)
4.2. Изменение дефектной субструктуры стали после промежуточной стадии волочения (проволока диаметром 5,8 мм)
4.2.1. Структурно-фазовое состояние прутка в целом (усреднение по объему прутка)
4.2.2. Градиент дислокационной субструктуры волоченного прутка
4.3. Дефектная субструктура стали на конечном этапе волочения (проволока диаметром 3,5 мм)
4.3.1. Структурно-фазовое состояние прутка в целом (усреднение по объему)
4.3.2. Градиент дислокационной дефектной субструктуры волоченого прутка
4.4. Корреляции и закономерности структурно-фазовых превращений, эволюции ДСС и механических свойств стали Св08Г2С при волочении
4.5. Пути эволюции ДСС при смене вида деформации: волочение-технологические испытания на осадку
Выводы по 4 главе Основные выводы ЛР1ТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЕ
5
ВВЕДЕНИЕ
Знание путей эволюции дислокаций и их субструктур (ДСС) и структурно-фазовых состояний при деформации лежит в основе установления физической природы прочности, пластичности и разрушения сталей и сплавов. Такие закономерности установлены для большинства известных материалов при обычных видах деформации в широком диапазоне скоростей и температур (активное нагружение сжатием, растяжением, ползучесть и т.д.).
Данные же по количественному анализу изменения типов ДСС в процессе усталостного нагружения и операций обработки металлов давлением (ОМД) в сталях различных структурных классов практически отсутствуют. Однако именно изменения ДСС позволяют оценить приближение наступления критической стадии разрушения при знакопеременном нагружении и предсказать его. Это особенно важно, поскольку эксплуатация многих ответственных деталей, конструкций и машин осуществляется в режимах усталостных нагрузок, что неотвратимо ведет к накоплению повреждений, исчерпанию ресурса и разрушению. Усталостное поведение стали и сплавов является одним из интенсивно изучаемых явлений в современной физике твердого тела. Различные по виду и степени пластические деформации в ходе технологических операций ОМД формируют различные типы ДСС, определяющие комплекс конечных механических свойств. Поэтому разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов формоизменения волочением и штамповкой должны базироваться на закономерностях эволюции ДСС и структурно-фазовых состояний при таких видах деформации.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной целевой Программой «Интеграция» на 2000-2004 г., грантами Министерства образования и науки по фундаментальным проблемам металлургии на 2004-2006 г., темами Сибирского государственного индустриального университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы: установление путей и закономерностей эволюции дислокационных субструктур в сталях различных структурных классов при мало и многоцикловых усталостных испытаниях до разрушении и в процессе волочения и осадки. Для достижения данной цели в работе решался ряд задач, основными из которых являлись следующие:
1. Сравнительный количественный анализ эволюции ДСС при мало и многоцикловой усталости до разрушения в зоне усталостного роста трещин сталей аустенитного (08Х18Н10Т, 45Г17ЮЗ), феррито-перлитного (60ГС2 отожженная) и мартенситного (60ГС2 закаленная) классов.
2. Установление вклада ДСС в механизмы разрушения при усталостном нагружении сталей различных структурных классов.
3. Установление количественных закономерностей изменения параметров ДСС в малоуглеродистых и низколегированных сталях (Сталь 20, Ст2кп, Св08Г2С), подвергнутых холодному волочению.
4. Установление путей эволюции ДСС при смене способа деформации.
5. Оценка дальнодействующих полей напряжений при волочении и установление их источников.
6. Выявление корреляций эволюции ДСС и механических свойств проволоки при волочении.
Научная новизна работы состоит в том, что
1. Впервые выявлены количественные закономерности изменения параметров и пути эволюции ДСС при мало и многоцикловой усталости сталей различных структурных классов и оценен их вклад в разрушение.
2. Установлены закономерности формирования и эволюции ДСС при волочении катанки и сварочной проволоки.
3. Изучено влияние смены типа деформации (волочение-осадка) и ее степени на пути эволюции ДСС в проволоке для изготовления крепежных изделий.
4. Проанализирована природа формирования градиентных ДСС на разных стадиях волочения.
Практическая значимость выполненных в работе исследований заключается в:
1. Формировании базы данных поведения ДСС при мало и многоцикловой усталости сталей разных структурных классов.
2. Установлении роли различных типов ДСС в усталостном разрушении сталей с различной структурой.
3. Установлении корреляции между параметрами ДСС и механическими свойствами сварочной проволоки при волочении.
4. Разработке технических рекомендаций совершенствования технологии волочения сварочной проволоки из стали 08Г2С.
Личный вклад автора состоит в проведении усталостных испытаний и волочения, получении данных оптических и электронно-микроскопических исследований, обработке полученных результатов и формулировании выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Совокупность экспериментальных результатов, полученных при анализе ДСС сталей аустенитного, мартенситного и феррито-перлитного классов, подвергнутых мало и многоцикловой усталости.
2. Пути и количественные закономерности эволюции ДСС в зоне усталостного роста трещины при усталостном нагружении и оценка вклада ДСС в разрушение.
3. Результаты исследования формирования и эволюции ДСС в малоуглеродистых и низколегированных сталях, подвергнутых холодному волочению и технологическим испытаниям на осадку.
4. Градиентный по сечению характер ДСС при волочении катанки и проволоки, дальнодействующие поля напряжений и их источники.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, использованием современных методов и методик исследования, большим объемом экспериментальных данных и их статистической обработкой, со-
8
иоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: XIII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Калуга 2004; 5-я Всероссийская конференция и выставка «Изделия и технологии двойного назначения, Москва 2004; 5 International conference «Fatigue Damage of structural Materials», Haynnis, USA, 2004; I и II Международные школы «Физическое материаловедение», Тольятти 2004, 2006; XV и XVI Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург 2005, 2006; VI Международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», Воронеж 2005; 44 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Вологда 2005; Международная конференция «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Киев 2005; XIII Республиканской научной конференции аспирантов, Гродно 2005; Третья Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург 2005; XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», Самара 2006; 4 Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка 2006; 9 International Fatigue Congress, Atlanta, USA, 2006; Международная конференция «Прочность неоднородных структур», Москва 2006.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах, список основных из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 182 наименований, содержит 143 страницы машинописного текста, включая 11 таблиц и 62 рисунка.
ч
Считаю своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры физики СибГИУ: научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Ю.Ф. Иванову, д.т.н., профессору, научному соруководителю В .Я. Целлер-маеру, к.ф.-м.н., доцентам В.В. Коваленко, С.В. Коновалову, д.ф.-м.н. заведующему кафедрой физики ТГАСУ профессору Э.В. Козлову и сотрудникам: д.ф.-м.н. профессору H.A. Коневой, к.т.н., с.н.с. H.A. Поповой ?а помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов работы, заместителю директора ИФПМ СО РАН д.ф.-м.н. профессору Л.Б. Зуеву за стимулирующий интерес к работе.
ГЛАВА I. РОЛЬ ЭВОЛЮЦИИ ДИСЛОКАЦИОННЫХ СУБСТРУКТУР В ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЕ.
Решение проблемы управления прочностью, пластичностью и долговечностью металлических материалов и изделий из них и разработка на этой основе новых технологических процессов формоизменения в значительной степени связаны с пониманием физической природы деформирования [1-5] . Согласно современным представлениям процесс пластической деформации реализуется на различных структурных уровнях, которые не функционируют изолированно, а взаимодействуют между собой, формируя общую картину упрочнения [6-10]. При восхождении по степеням иерархии структурных уровней происходит переход от отдельных дислокаций к дислокационным ансамблям, строение и свойства которых, т.е. тип дислокационной субструктуры, определяет многие факторы пластической деформации и разрушения. Для активной пластической деформации физическая природа ее стадийности и разрушения на основе анализа эволюции дислокационных субструктур (ДСС) изучена достаточно подробно [5,11-13].
Несмотря на более чем вековую историю изучения усталостных процессов в металлах проблема циклической прочности в области исследования физической природы этого явления полностью не решена. Накопленный огромный материал лишь подчеркивает сложность и многофакторность этого явления [14-20]. Совершенно очевидно, что для установления закономерностей накопления повреждений при усталости и физической природы явления на разных стадиях важное значение имеет знание эволюции ДСС, поскольку именно изменение ДСС позволяют оценить приближение наступления критической стадии разрушения и предсказать его.
Корректное описание процессов формоизменения сталей и сплавов также невозможно без знания количественных закономерностей эволюции ДСС. В ходе технологических процессов обработки металлов давлением материалы подвержены сложным видам и степени интенсивности пластическим деформациям, формирующим различные ДСС [5,21-23], что оказывает суще-
ственное влияние на сопротивление деформированию и разрушение материалов.
Поэтому исследование эволюции ДСС и фазового состава при циклических деформациях при усталости и ступенчатом формоизменении в операциях обработки металлов давлением, сопровождающихся постепенным накоплением дефектов и приводящих к протеканию процессов зарождения и развития микротрещин, является актуальным и представляет научный и практический интерес.
1.1. Поведение дислокационных субструктур при активной пластической дефор!мации
Дислокационная субструктура и ее эволюция при пластической деформации активно начала изучаться с 60-х годов прошлого столетия, то есть с начала эпохи просвечивающей электронной микроскопии. Обширная литература, имеющаяся по дефектной субструктуре, формирующейся при пластической деформации металлов и сплавов, частично обобщена в ряде монографий [1-8,24-32].
Уже после первых выполненных исследований были сделаны попытки выделить и определить некоторые виды расположения дислокаций [11-13]. Попытки классифицировать наблюдаемые ДСС не носили общего характера и ограничивались отдельными материалами. Так в [И] рассмотрена природа субструктурного упрочнения ГЦК материалов и характерные типы ДСС на разных стадиях активного деформирования. По мнению авторов [13] все наблюдавшиеся типы ДСС можно разделить на два больших класса: 1) класс неразориентированных и 2) класс разориентированных субструктур. В первых - дискретные разориентировки могут быть, но они не превышают 0,5°. Среди таких неразориентированных дислокационных субструктур выделим (рис. 1.1): 1) хаотическое распределение дислокаций; 2) скопление дислокаций; 3) однородная сетчатая субструктура; 4) дислокационные клубки; 5)
неразориентированные ячейки и 6) ячеисто-сетчатая неразориентированная субструктура. К разориентированным субструктурам (дискретные разориен-тировки на субграницах превышают 0,5°) относятся (рис. 1.2): 7) ячеистая с разориентировкой; 8) ячеисто-сетчатая дислокационная структура с плавными разориентировками;9) полосовая субструктура; 10) субструктура с многомерными дискретными и плавными разориентировками; 11) фрагментированная субструктура. Есть еще один класс субструктур, связанный с двойни-кованием и мартенситными превращениями. Начальную из этого класса субструктур - субструктуру с расщепленными дислокациями (12) - можно отнести к неразориентированным. Незавершенное двойникование приводит к субструктуре (13) с могослойными дефектами упаковки (ДУ). Они относятся к классу разориентированных. Также к разориентированным относятся двойниковая (4) и субструктура с деформационным мартенситом (15).
В зависимости от типа металла, состава сплава, энергии ДУ, состояния атомного порядка, степени деформации и температуры формируются различные типы ДСС. Анализ наблюдаемых субструктур показал, что при умеренных деформациях возникают неразориентированные субструктуры, при больших деформациях - разориентированные. В последних присутствуют оборванные границы различной степени совершенства, поэтому эти субструктуры, в отличие от чисто дислокационных, названы дислокационно-дисклинационными. Формирование того или иного типа ДСС зависит от многих факторов, основными из которых являются: 1) вид нагруженного состояния (стесненная или. нестесненная деформация), число действующих систем скольжения, факторы Шмида, ограниченность зоны сдвига; 2) температура и скорость деформации (подвижность вакансий, условия переползания и поперечного скольжения); 3) свойства дислокаций и твердого раствора (расщепленность дислокаций, энергия дефекта упаковки (ДУ), возможность осаждения вакансий, наличие атомного порядка в твердом растворе, торможение из-за наличия атомного порядка и атомами внедрения, возможность самоторможения дислокаций; 4) плотность дислокаций и относительная роль
- Київ+380960830922