Введение к работе
Актуальность темы. Циклическое нагружение сооружений и конструкций, при котором развиваются усталостные явления, способные привести к разрушению, является наиболее часто встречающимся. Обширный материал, полученный с использованием современных структурных методов исследований, свидетельствует о сложной природе усталости, ее зависимости от многих факторов.
Повышение усталостного ресурса нержавеющих сталей связывают с применением концентрированных потоков энергии, модифицирующих поверхность материалов. Одним из перспективных методов, обладающих большими возможностями контроля подводимой энергии и перевода материала в неравновесное состояние, является электронно-пучковая обработка (ЭПО),
обеспечивающая высокие (до 10 град/с) скорости нагрева и охлаждения поверхностного слоя и формирование предельных градиентов температуры (до
10 град/м). В результате в поверхностном слое создаются условия формирования субмикро- и нанокристаллических структурно-фазовых состояний.
В связи с вышеизложенным исследования природы повышения усталостного ресурса после обработки высокоинтенсивными электронными пучками являются актуальными.
Настоящая работа проводилась в соответствии ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контрактно 02.740.11.0538 и соглашение № 14.В37.21.0071).
Цель работы: установление закономерностей и природы формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры нержавеющей стали 20Х23Н18, подвергнутой ЭПО и последующему многоцикловому усталостному нагружению до разрушения.
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
-
Установление закономерностей эволюции структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры и поверхности разрушения стали 20Х23Н18 при усталостном нагружении до разрушения.
-
Проведение послойного электронно-микроскопического анализа структуры, фазового состава и дефектной субструктуры аустенитной стали после ЭПО в различных режимах.
-
Анализ структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры стали, формирующихся в поверхностном слое толщиной до -80 мкм после ЭПО и последующих усталостных испытаний до разрушения.
-
Выявление факторов, ответственных за повышение усталостной долговечности стали после ЭПО.
Научная новизна. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии впервые показано, что при электронно-пучковой обработке стали 20Х23Н18 формируется градиентное структурно-фазовое состояние, характеризующееся закономерным изменением фазового состава и параметров дефектной субструктуры (скалярная плотность дислокаций, ширина изгибных экстинкционных контуров и плотность концентраторов внутренних
напряжений, плотность микродвойников и размеры областей разориентации) по мере удаления от поверхности облучения.
Выявлены и подвергнуты анализу основные факторы, определяющие усталостную долговечность стали 20Х23Н18 в исходном состоянии и после ЭПО. Установлено, что увеличение усталостного ресурса после ЭПО обусловлено подавлением процесса формирования областей с критической структурой, не способной к дальнейшей эволюции и являющейся местом образования субмикротрещин.
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 в увеличении ресурса усталостной работоспособности стали при электронно-пучковой обработке в -2,1 раза; установлении физических причин, способствующих этому. Экспериментальные результаты, полученные в работе, и их анализ могут явиться основой разработки метода повышения ресурса усталостной выносливости стальных изделий электронно-пучковой обработкой.
Выявленные закономерности формирования и эволюции структуры, фазового состава и дефектной субструктуры использованы для установления режимов ЭПО, максимально повышающих усталостный ресурс.
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения.
Практическая значимость подтверждена актами апробирования результатов работы в промышленности.
Личный вклад автора состоит в обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками стали 20Х23Н18, проведении многоцикловых усталостных испытаний, анализе данных фрактограмм поверхности разрушения и картин дислокационных субструктур стали, в обработке полученных данных, сопоставлении полученных результатов с результатами других авторов, формулировании выводов и положений, выносимых на защиту, написании и подготовке статей к публикации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
закономерности изменения структуры, фазового состава, дефектной субструктуры аустенитной стали 20Х23Н18 при многоцикловом нагру-жении до разрушения;
-
результаты послойного электронно-микроскопического анализа дефектной субструктуры и фазового состава, формирующихся в поверхностных слоях после ЭПО в различных режимах;
3) градиентный характер эволюции структурно-фазовых состояний и де
фектной субструктуры стали, облученной электронными пучками в
различных режимах, при многоцикловом нагружении до разрушения.
4) Основные факторы повышения усталостного ресурса стали после ЭПО.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная
работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: 52, 53 международных научных конференциях «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Уфа, 2012; VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 2012; II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», Новосибирск, 2012; XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; VI евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», Москва, 2012; XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2012; VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2012; научных чтениях им. И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2012; XX Республиканской научно-практической конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2012; Юбилейных XX Петербургских чтений по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; XI International conference on nanostructured materials, Rodos, Greece, 2012; научной сессии НИЯУ МИФИ-2013 «Инновационные ядерные технологии. Высокие технологии в медицине», Москва, 2013.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 25 работах, в том числе в 9 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 1 монографии, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, основные выводы, список литературы из 128 наиме-
нований, приложение, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 2 таблицы.
