Введение к работе
Актуальность. В современных условиях требования к свойствам конструкционных материалов становятся все более жесткими. Особенно это касается материалов аэрокосмической техники, энергетики и других отраслей, отличающихся крайне неблагоприятными, экстремальными условиями эксплуатации ответственных деталей, элементов конструкций и агрегатов. Еще совсем недавно широко распространенное обязательное требование однородности структуры (почти любого изделия независимо от условий эксплуатации и характера нагрузки) представлялось очевидным и обоснованным. Однако во многих случаях наличие градиентной структуры позволяет материалу приобрести новые, ранее неизвестные свойства. Поэтому закономерен все возрастающий интерес к композиционным материалам и металлам с градиентной структурой (ГС). В последние годы сформировалось и продолжает бурно развиваться новое научное направление - исследование градиентных структурно-фазовых состояний (ГСФС) в твердых телах.
Градиентные структуры могут формироваться как в объеме (объемные ГС или ГСФС), так и на поверхности (поверхностные ГС или ГСФС) материала. К объемным относятся: сварные швы; диффузионные и ударно-взрывные соединения; продукты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза; зоны локализации деформации.
К поверхностным следует отнести ГС: возникшие при трении или окислении; сформировавшиеся в результате насыщения поверхности различными элементами внедрения (цементация, азотирование, борирование и т.д.) или элементами замещения (золочение, серебрение, хромирование, никелирование и т.д.); возникшие в результате поверхностного наклепа или других методов механического упрочнения поверхности; сформировавшиеся в результате ультразвуковой обработки поверхности; возникшие после воздействия ударных волн, электронных пучков, мощных ионных пучков, интенсивных плазменных потоков, вследствие лазерного воздействия или воздействия мощным СВЧ-излучением, а также в плазме газового разряда; сформировавшиеся в результате магнетронного напыления. Градиентные структуры возникают не только в результате различных видов воздействия на поверхность материала, но и при объемных способах обработки материала, например, при ковке, прокатке, волочении, штамповке и пр. Причем степень распространения градиентных структур в этом случае может быть даже больше, чем при поверхностном воздействии. Отметим, что при прокатке градиентные структуры возникают как в прокатываемом материале, так и в валках прокатного стана.
В этих структурах по мере удаления от поверхности изменяются такие характеристики, как фазовый состав, плотность дефектов и их организация (субструктура), размеры ячеек, фрагментов, субзерен и зерен. Одновременно в том же направлении изменяется концентрация легирующих элементов и примесей. По мере удаления от поверхности меняются температурно-скоростные условия фазовых превращений и, соответственно, степень завершенности этих превращений. При этом должны меняться эксплуатационные технологические характеристики такие, как твердость и прочность, пластичность и коррозионная стойкость, внутренние напряжения и плотность трещин и пр. Изменение их с расстоянием от поверхности может подчиняться различным законам, которые являются, как правило, следствием нелинейного поведения системы. Для нелинейных систем типичными являются градиентные структуры, в которых с расстоянием от поверхности могут изменяться не только величина градиента, но и его знак.
Необходимо отметить, что, несмотря на интенсивное изучение градиентных структур, представления о процессах их формирования и эволюции описаны недостаточно, а соответствующее научное направление находится на стадии интенсивного накопления и осмысления фактического (экспериментального) и теоретического материала. Такое обстоятельство сдерживает разработку и внедрение новых современных технологий. В связи с этим установление закономерностей и механизмов формирования градиентных структурно-фазовых состояний в сталях различных структурных классов и назначения определяет актуальность и перспективность исследований по данному направлению.
Объекты исследования: конструкционные и инструментальные стали различных структурных классов: 9ХФ, 9Х2ФМ, 08Х18Н10Т, 60ГС2, Fe-(29-32)% Ni, 09Г2С, У7А.
Предмет исследования: градиентные структурно-фазовые состояния (ГСФС) в сталях, полученные при деформации в условиях прокатки; при ударном нагружении; в условиях мало - и многоцикловой усталости с промежуточным импульсным токовым воздействием (и без него); при скоростной закалке из жидкого состояния (метод спинингования), при цементации; при формировании швов сварных соединений; в условиях обработки сильноточными электронными пучками.
Цель работы: выявление закономерностей и механизмов формирования градиентных структурно - фазовых состояний на разных структурных и масштабных уровнях в сталях различных структурных классов после различных видов воздействия.
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
-
исследование структурно-фазовых состояний, формирующихся в стали 9ХФ, подвергнутой цементации и деформации в процессе прокатки, и 9Х2ФМ, деформированной в результате ударного воздействия; выявление градиента характеристик, описывающих состояние материала в процессе структурных и фазовых изменений,
-
выявление градиента структурно-фазовых характеристик и установление закономерностей и механизмов формирования и эволюции зеренной и субзеренной структур, инициированных процессами многоцикловой (сталь 08Х18Н10Т и сталь 60ГС2) и малоцикловой усталости (08Х18Н10Т), а также в процессе усталости с импульсным токовым воздействием,
-
исследование структурно-фазовых преобразований, инициированных процессом закалки из жидкого состояния (спиннингования) сплава Fe - (29-К32) %Ni, выявление градиентной структуры материала и установление взаимосвязи между структурно-фазовым составом и механическими свойствами,
-
исследование структурно-фазовых превращений и выявление закономерностей, определяющих формирование структурно-фазового градиента в стали У7А в условиях воздействия низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком,
-
исследование структурно-фазовых состояний сварных соединений стали 09Г2С и установление закономерностей градиента структурно-фазовых характеристик металла в зависимости от метода, способа, режима изготовления и сроков эксплуатации сварного шва,
-
сравнительный анализ закономерностей и механизмов формирования градиентных структурно-фазовых состояний в сталях различных классов на различных макро-, мезо-, микро-, и наноскопическом структурных и масштабных уровнях.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их опубликования.
1. Установлен градиентный и изучен стадийный характер формирования структуры, фазового состава, дальнодействующих полей напряжений, возникающих при ударном воздействии и деформации при прокатке. Обнаружен для данных материалов градиент
скалярной плотности дислокаций, кривизны-кручения кристаллической решетки и внутренних полей напряжений феррита, среднего размера фрагментов, локального фазового состава материалов. Исследован градиент среднего значения, пластической и упругой составляющих кривизны-кручения кристаллической решетки и внутренних полей напряжений. Двухстадийная фрагментация пластинчатого перлита, выявленная на взаимосвязанных нано-, субмикро-, микро-, мезо- и макромасштабных уровнях, включает в себя: первичную фрагментацию, развивающуюся в результате дислокационного сдвига, накопления дислокаций в а - фазе перлитных колоний и образования поперечных дислокационных субграниц и являющаяся чисто дислокационным процессом, вторичную фрагментацию, состоящую в появлении, дополнительно к поперечным, продольных субграниц фрагментов и в разрушении пластин перлита в результате взаимодействия дислокаций с частицами цементита и углерода.
-
Выявлен усталостно-индуцированный градиент структурно-фазовых характеристик состояний, формирующихся при мало- и многоцикловой усталости по непрерывной схеме и с промежуточным импульсным токовым воздействием в сталях со структурой аустенита и мартенсита. На макро-, мезо-, микро-, и наноструктурных уровнях показан градиентный характер изменения средних поперечных и продольных размеров зерен; коэффициента анизотропии; величины угла рассеяния вектора структурной текстуры; размеров карбидной и углеродной строчечности; средней и парциальной скалярной плотности дислокаций; кривизны-кручения кристаллической решетки; линейной плотность пластин є-мартенсита, микротрещин, изгибных экстинкционных контуров, средних размеров частиц карбида ТІС; объемной доля структуры, содержащая микродвойники термического и деформационного происхождения. Установлены механизмы формирования градиентного строения и электропластификации сталей.
-
Установлен макро- и микроградиентный характер микрокристаллических структур сплавов Fe - (29-32)% Ni, полученных спиннингованием. Формирование градиента массовой доли легирующего элемента замещения на макроуровне является главной причиной неоднородного протекания мартенситного превращения в областях, прилегающих к контактной и свободной поверхности, и существенно сказывается на механических свойствах быстрозакаленных сплавов.
-
Установлен градиент характеристик (скалярной плотности дислокаций, кривизны-кручения кристаллической решетки структурных составляющих, величины внутренних полей напряжений, фазового состава) структурно-фазовых состояний в стали 9ХФ, подвергнутой газовой цементации, обусловливающий зонное расположение упрочненных и неупрочненных областей материала. В каждой из них выявлены сложные механизмы упрочнения. В наружной диффузионной зоне высокие поля напряжений и наличие трещин указывают на релаксацию напряжений путем трещинообразования. В промежуточной зоне действует механизм у—>а превращения, при котором дальнодействующие поля минимальны и высоки значения скалярной плотности дислокаций. Переходная зона характеризуется высокой прочностью благодаря высоким значениям плотности дефектов и пластичностью благодаря характеру дислокационной структуры, а также высокими значения дальнодействующих полей напряжений, локально достигающих 2/5 своих значений в зоне реакционной диффузии.
-
Проведены детальные исследования зеренной структуры, дефектной субструктуры и фазового состава сварного шва стали 09Г2С. Установлено, что независимо от метода (электрошлаковый и электродуговой), режима (автоматический и
ручной) и способа исполнения (горизонтальный и вертикальный) сварного шва в его объеме формируется градиентная структура, признаками которой являются: градиент размеров и объемной доли зерен феррита медленной и быстрой кристаллизации, градиент скалярной плотности дислокаций, градиент кривизны-кручения кристаллической решетки структурных составляющих стали. Установлено, что источниками дальнодействующих полей напряжений для стали являются: межфазные и внутрифазные границы раздела феррит/цементит и несовместность пластической деформации соседних зерен и упруго-пластической деформации ферритных и цементитных пластин перлитных колоний. Выявлены механизмы релаксации внутренних напряжений в структуре сварного шва - зарождение и развитие микротрещин и локальная пластическая деформация.
-
Выявлены закономерности структурных и фазовых превращений, протекающих в углеродистой стали У7А, обработанной интенсивным электронным пучком, на поверхности и в приповерхностном слое толщиной 0,2 - 0,5 мкм, в результате реализации механизмов жидкофазного (плавление материала в центре электронно-пучкового воздействия) и твердофазного (а —> у —> а превращения в зоне термического влияния) механизмов. Установлено, что по мере приближения к центру электронно-пучкового воздействия преобразование мартенсита закалки исходного состояния сопровождается формированием градиентной структуры макро- и микромасштабного уровней, определяемой полем градиента температур и характерной для разных стадий распада твердого раствора на основе а-фазы и преобразования дислокационной субструктуры: фрагментация и диспергирование кристаллов, формирование субзерен и зерен рекристаллизации, снижение значений скалярной плотности дислокаций в сетчатой дислокационной субструктуре, растворение частиц исходного глобулярного цементита с формированием переходных слоев толщиной 100 - 200 нм сложной структуры и фазового состава.
-
Установлены общие закономерности формирования градиентных структурно-фазовых состояний в сталях различных структурных классов, подвергнутых различным видам воздействия. Выявлен градиент структурно-фазовых характеристик, описывающих состояния исследованных материалов на макро-, мезо-, микро- и наноскопических структурно-масштабных уровнях.
Научная и практическая значимость результатов работы заключается в том, что на основе установленных закономерностей формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний в сталях на различных масштабных уровнях:
-
классифицированы источники дальнодействующих полей напряжений и установлен уровень локальных внутренних напряжений зарождения микротрещин при прокатке и ударных нагрузках в сталях 9ХФ и 9X2ФМ, составляющий (1,3-1,8) ов, а также сопоставлены ему максимально допустимые деформации: єтах=0,7 - при прокатке и єтах=5,7 при ударном нагружении,
-
диагностированы места зарождения и развития микротрещин, экстремальные точки в поведении материала и установлен пластифицирующий эффект электростимулирования, обеспечивающий существенное (~ в 1,5-1,7 раза) увеличение усталостной долговечности сталей 08Х18Н10Т (аустенитная структура) и 60ГС2 (мартенситная структура), при экспериментальном выборе параметров воздействия импульсным электрическим током на промежуточной точно контролируемой стадии усталостного нагружения,
-
на основе выявленного микро- и макроградиентного характера микрокристаллической структуры быстрозакаленного сплава Fe - (29-32)% Ni
установлена взаимосвязь механических характеристик с механизмами быстрой кристаллизации и атермического мартенситного превращения,
-
предложены оптимальные режимы химико-термической обработки стали 9ХФ, способствующие достижению коррозионных и прочностных свойств поверхностных слоев с повышенными эксплуатационными и технологическими характеристиками материала,
-
спрогнозировано поведение толстых сварных швов кожухов доменной печи в ходе эксплуатации в течение 3-х и 16-ти лет в зависимости от целенаправленного выбора метода, режима сварки и способа исполнения шва. Сопоставлены морфология формирующихся структур и качественные показатели сварного шва в зависимости от способа сварки и отдано предпочтение электродуговому ручному способу с вертикальным исполнением шва перед электрошлаковым автоматическим с горизонтальным исполнением шва,
-
создан банк данных по эволюции фазового состава и дефектной субструктуры стали У7А, позволивший в условиях импульсной электронно-пучковой обработки выявить физический механизм формирования градиента структуры и фазового состава при переходе от зоны воздействия пучка к зоне термического влияния в зависимости от градиента температур, а также концентраторы напряжений при таком энергетическом воздействии.
Достоверность выдвигаемых на защиту научных положений и полученных результатов, обоснованность и правомерность представленных выводов обеспечиваются на основе систематизации экспериментальных данных, комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием широко применяемых материалов, современных методов физического материаловедения, широким применением статистических методов обработки и представления результатов экспериментов в их взаимосвязи с известными закономерностями, фактами и результатами других авторов.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели, постановке задач исследования, выводов и положений, выносимых на защиту; в проведении усталостных испытаний на образцах из сталей различных структурных классов; в обработке и интерпретации результатов оптических, электронно-микроскопических и рентгенографических исследований; в выявлении и представлении закономерностей, механизмов формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний в сплавах на основе железа, а также в проведении обобщенного анализа экспериментальных результатов. Идеи и научные разработки, результаты научных исследований, изложенные в настоящей диссертации, являются итогом коллективной научной работы в рамках научных школ металлофизиков (ТГАСУ, г.Томск, проф. Козлов Э.В., проф. Конева Н.А., Иванов Ю.Ф.; СибГИУ, г.Новокузнецк, проф. Громов В.Е.). Они были получены лично автором, под его непосредственным руководством аспирантами и соискателями, либо при его консультативном участии и опубликованы в открытой печати в соавторстве с доктором физико - математических наук, профессором В. Е. Громовым (главы 3-11), доктором физико - математических наук, профессором Э. В. Козловым (главы 3-11), доктором физико - математических наук, профессором Н. А. Коневой (главы 5, 9), кандидатом технических наук, с.н.с. Н. А. Поповой (главы 3 - 9), доктором физико - математических наук, доцентом, в.н.с. Ю. Ф. Ивановым (главы 3-11), доктором физико - математических наук, профессором А. М. Глезером (глава 6), кандидатом технических наук С. Г. Жулейкиным (главы 3, 4, 7), кандидатом технических наук В. П. Гагаузом (глава 8), кандидатом технических наук, доцентом
М. П. Ивахиным, кандидатом технических наук, доцентом С. В. Коноваловым и кандидатом технических наук С. В. Воробьевым (главы 5, 9), а также в соавторстве и в результате работы с другими коллегами, в разное время занимавшимися научной работой на кафедрах физики СибГИУ и ТГАСУ, что подтверждается литературными ссылками на источники из перечня библиографического списка диссертации.
Настоящая работа проводилась в соответствии с Грантом Президента РФ по поддержке молодых российских ученых-кандидатов наук и их научных руководителей (шифр МК-3830.2004.8); с программой фундаментальных исследований «Повышение надежности систем: «машина-человек-среда» АН СССР на 1989-2000 г.г.; Федеральной программой «Интеграция» на 1997-2002 г.г. (направление 1.4. проект П0043 «Фундаментальные проблемы материаловедения и современные технологии»); Федеральной целевой программой «Интеграция» на 2002-2006 г.г.); Грантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии 1998-2001г.г. и 1996-2004 г.г.; Грантом Российского фонда фундаментальных исследований на 2005-2007; региональной научно-технической программой «Кузбасс» (1997-2000г.г.); ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.» (госконтракт П332); темами ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» .
Основные положения, выносимые на защиту.
1).Совокупность характеристик, описывающих градиентное структурно-фазовое состояние стали. Данные о типах структурно-фазовых градиентов, формирующихся в объеме и в поверхностных слоях сплавов на основе железа.
2).Совокупность экспериментальных результатов, полученных при исследовании структурно-фазовых состояний в сталях У7А (перлитная структура), 09Г2С (феррито-перлитная структура), 9ХФ (перлитная структура), 9Х2ФМ (перлитная структура), 08Х18Н10Т (аустенитная структура), 60ГС2 (мартенситная структура) и сплаве Fe - (29-32)%Ni.
3).Закономерности изменения характеристик зеренно-субзеренной и дефектной структур, фазового состава и внутренних полей напряжений, выявленные при анализе градиентных структурно-фазовых состояний в сталях различных структурных классов при различных видах воздействий.
4).Механизмы формирования градиентных структурно-фазовых состояний, реализующиеся в сталях, подвергнутых внешним воздействиям.
5). Структурно-масштабные макро-, мезо-, микро- и наноскопические уровни проявления градиента структурно-фазовых характеристик, реализующиеся в сталях, подвергнутых различным видам внешнего воздействия.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, симпозиумах, конференциях: научном семинаре кафедры материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета (5 мая 2011 г., проф. А.А. Батаев), научном семинаре физико-технического института Тольяттинского государственного университета (17 мая 2011 г., проф. А.А. Викарчук), Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», г. Томск, 2000 г., 2001 г.; Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», г. Киев (Украина), 2001 г., г. Санкт - Петербург, 2001 г., г. Москва, 2004 г., г. Вологда, 2005 г., г. Витебск (Беларусь), 2000 г., 2007 г., 2010 г.; «Euro met 2000: European metallographic conference and exhibition», Germany, 2000 г.; «Junior euromat 2000: europian conference», Switzerland, 2000 г.; IV Международном семинаре им В.А. Лихачева «Современные
проблемы прочности», г.Великий Новгород, 2000 г., 2003 г.; X International metallurgical
and materials conference «Metal-2001», Чехия, 2001 г.; New materials and technologies in
XXI-nd centure: proceethings of the sixth Sino-Russian international symposium on new
materials and technologies, Китай, 2001 г.; «Progress in metallography: special edition of the
practical metallography», Германия, 2001 г.; Межгосударственном семинаре
«Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных
технологий», г. Обнинск, 2001 г., 2005 г.; Бернштейновских чтениях
«Термомеханическая обработка металлических материалов», г.Москва, 2001 г.; Международном семинаре «Мезоструктура. Вопросы материаловедения», г. Санкт -Петербург, 2001 г.; IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург, 2002 г.; I Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», г. Москва,
2002 г.; Петербургских чтениях по проблемам прочности, г. Санкт - Петербург, 2002 г.,
2003 г., г. Томск, г. Санкт - Петербург, 2005 г.; г. Санкт - Петербург, 2010 г.;
Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика
Г.В.Курдюмова «Дефекты структуры и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2002 г.,
2010 г.; The 2-d Russia-Chineese school-seminar fundamental problems and modern
technologies of material science (FP.MTMS), г. Барнаул, 2002 г.; Ill Международной
конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений»,
г.Тамбов, 2003г.; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности
материалов», г.Тольятти, 2003 г.; 2 - nd International conference and exhibition on new
developments in metallurgical process technology, Riva del Garda, Италия, 2004 г.; Metal -
2004: 13 - th International metallurgical and materials conference, Чехия, 2004г.;
Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур.
Прост - 2004», г. Москва, 2004 г.; «Euromat 2005. The biennial meeting of the Federation of
European materials societies (FEMS)», г. Прага, Чехия, 2005 г.; IV Международной
конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2006 г.;
XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического
металловедения сталей и сплавов», г. Тольятти, 2006г.; Международной конференции
«Физика прочности и пластичности материалов», г.Самара, 2006 г., 2009 г.; IX
Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии», г. Астрахань, 2007
г.; XI международной конференции «Дислокационная структура и механические
свойства металлов и сплавов «ДСМСМС-2008», г. Екатеринбург, 2008 г.; Всероссийской
научно-технической конференции к 125-летию со дня рождения И.П.Бардина «Научное
наследие И.П.Бардина», г. Новокузнецк, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 монографий, включая главы монографий, 52 научных статьи, из них 39 в рецензируемых изданиях перечня ВАК Минобрнауки РФ, а также другие статьи и труды конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 11 глав, основных результатов и выводов, изложена на 470 страницах, иллюстрирована 264 рисунками, содержит 40 таблиц и библиографический список из 280 наименований.
