Введение к работе
Актуальность темы. Среди различных способов упрочнения конструкционных материалов особое место занимает поверхностное наноструктурирование. Создание нанокристаллической структуры в тонком поверхностном слое позволяет существенно увеличить прочностные свойства (предел текучести, временное сопротивление, предел выносливости), коррозионную стойкость и другие эксплуатационные характеристики металлов и их сварных соединений. Технология поверхностного наиоструктурирования характеризуется относительной простотой и низкой себестоимостью. В отличие от методов интенсивной пластической деформации, при наноструктуриро-вании поверхностных слоев твердых тел нет жестких ограничений по их размерам и геометрической форме.
Механизм влияния поверхностного наиоструктурирования на макромеханичс-ские характеристики материала до сих пор остается неясным. Характер пластической деформации наноструктурньгх поверхностных слоев существенным образом зависит от строения границ зерен, их протяженности и атомной плотности, наличия нанопор и других свободных объемов и др. Большое значение имеет сопряжение крупнокристаллического материала и его нанокристаллического поверхностного слоя.
В рамках представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы поверхностный слой играет важную функциональную роль. Согласно [1], в поверхностных слоях развиваются каналированные потоки локальных структурных превращений в направлениях максимальных касательных напряжений. Данные потоки создают локальный изгиб образца. В результате на боковой грани образца возникает концентратор напряжений, который генерирует макрололосу сброса локализованной деформации, распространяющуюся через все его сечение. Данный нелинейный волновой процесс подробно изучен в [2]. Он обусловливает снижение макромеханических характеристик нагруженного материала. Однако систематических исследований возможностей управления каналированными потоками и способов их подавления до сих пор не проводилось.
В отличие от традиционных химико-термических методов поверхностного упрочнения, поверхностное наноструктурирование позволяет наглядно продемонстрировать эффект повышения макромеханических характеристик конструкционных материалов за счет блокирования распространения локализованных сдвигов в их поверхностных слоях. Данная концепция поверхностного наиоструктурирования, разработанная с учетом многоуровневого характера деформации и разрушения твердых тел, требовала экспериментального исследования.
Методы поверхностного наноструктурирования могут быть успешно использованы при создании перспективных жаропрочных и радиационно-стойких конструкционных материалов для ядерных энергетических реакторов. В данной работе исследована ферритно-мартенситная сталь ЭК-181 (16Х12В2ФТаР), разработанная в ФГУП ВІТИИИМ им. А.А. Бочвара. Благодаря выбранной системе легирования и режимам термообработки, сталь ЭК-181 является малоактивируемым дисперсно-твердеющим конструкционным материалом с высокими технологическими и механическими свойствами в широком диапазоне температур (300-700 С). Результаты сравнительного анализа механизмов деформации и разрушения данной стали, находящейся в исходном состоянии и имеющей нанокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое, могут быть использованы для дальнейшей модификации ферритно-
мартенситных сталей с целью расширения температурных и дозовых интервалов их применения.
Целью данной работы являлось исследование влияния наноструктурирования поверхностных слоев на механизмы деформации и разрушения образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181 с учетом самосогласования различных масштабных уровней. Дня достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
-
Провести поиск оптимального сочетания термической и ультразвуковой обработок, позволяющего получать нано(субмикро-)кристаллическую структуру в поверхностных слоях образцов стали ЭК-181.
-
Исследовать влияние состояния поверхностного слоя на характер многоуровневой деформации и разрушения образцов стали ЭК-181 в процессе одноосного растяжения в широком интервале температур (от -196 до 400 С).
-
Изучить возможность создания термически стабильных нано(субмикро-) структурных поверхностных слоев в образцах стали ЭК-181 путем сочетания ультразвуковой обработки и ионно-плазменного азотирования.
-
Исследовать влияние облучения низкоэнергетическими электронными и ионными пучками на структуру, фазовый состав и прочностные характеристики образцов стали ЭК-181.
Новизна работы. В работе впервые:
-
Исследованы микроструктура и фазовый состав поверхностных слоев образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181, подвергнутых различным сочетаниям ультразвуковой и термической обработок. Показано, что нано(субмикро-)кристаплическая структура а-фазы, формирующаяся в образцах стали ЭК-181 в результате закалки, ультразвуковой обработки и старения, обусловливает максимальное увеличение их предела текучести при одноосном растяжении.
-
Изучены закономерности пластической деформации на различных масштабных уровнях образцов стали ЭК-181, имеющих в поверхностных слоях ферритно-мартенситную и нано(субмикро-)кристаллическую структуру а-фазы. Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о перспективности многоуровневого подхода для анализа механизмов упрочнения твердых тел путем наноструктурирования их поверхностных слоев.
-
Исследована возможность поверхностного упрочнения образцов стали ЭК-181 путем закалки, ультразвуковой обработки, азотирования и высокотемпературного старения. Показано, что температура азотирования оказывает существенное влияние не только на структуру и фазовый состав поверхностных слоев стали, но и на процесс выделения частиц вторых фаз в объеме материала.
-
Показано, что облучение электронным пучком позволяет создать в поверхностных слоях стали ЭК-181 нано(субмикро-)кристаллические ферритные зерна. В результате бомбардировки пучками ионов циркония в поверхностных слоях стали ЭК-181 формируется многослойная композиция, состоящая из пленки оксидов циркония, слоя имплантированного циркония и переходной зоны, имеющей мар-тенситную структуру, обогащенную интерметаллидными фазами.
Научная и практическая значимость.
1. Установленные в работе особенности формирования нанокристаллической структуры в поверхностных слоях образцов стали ЭК-181 могут быть использованы при дальнейшей модификации ферритно-мартенситных сталей с целью расширения температурного диапазона их применения в энергетической технике.
-
Закономерности многоуровневого пластического течения образцов стали ЭК-181 с наноструктурированными поверхностными слоями должны учитываться при обосновании функциональной роли поверхностного слоя в процессах деформации и разрушения конструкционных материалов при различных внешних воздействиях.
-
Разработанный метод поверхностного упрочнения, основанный на совмещении термической обработки, ультразвукового воздействия и ионно-плазменного азотирования, обеспечивает высокие механические свойства образцов стали ЭК-181 как при комнатной, так и при повышенных температурах испытаний.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Влияние ультразвукового воздействия на структуру и характер выделения вторых фаз в поверхностных слоях стали ЭК-181 определяется последовательностью ультразвуковой и термической обработок, а также температурой и длительностью старения.
-
Распространение локализованных сдвигов в поверхностных слоях нагруженных образцов стали ЭК-181 обусловливает формирование «переплетающихся» рельефных складок за счет экструзии и интрузии поверхностных зерен. Наност-руктурирование блокирует распространение локализованных сдвигов вдоль направлений ттш в поверхностном слое образцов стали ЭК-181, обеспечивая повышение их макромеханических характеристик при одноосном растяжении.
-
Формирование шейки в образцах стали ЭК-181 начинается на стадии слабого деформационного упрочнения задолго до достижения предела прочности и обусловлено самосогласованным распространением двух макрополос локализованной пластической деформации. Интенсивная пластическая деформация внутри макрополос приводит к измельчению зерен, а также увеличению доли малоугловых границ по сравнению с окружающим материалом.
-
Поверхностное упрочнение стали ЭК-181 в результате обработки низкоэнергетическими электронными пучками связано с формированием нано(субмикро-) кристаллических зерен феррита. Наноструктурирование поверхностных слоев стали ЭК-181 путем бомбардировки ионами циркония обусловливает формирование градиентной структуры, состоящей из пленки оксидов циркония, слоя имплантированного циркония и переходной области, обогащенной интерметаллидными фазами.
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных различными современными методами исследования, систематическим характером проведения исследований и обработки результатов, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора заключается в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации, в проведении экспериментов и обработке эксиеримешальных данных. Диссертант лично проводил механические испытания, измерение микротвердости, анализ поверхности с использованием оптической, сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также принимал непосредственное участие в анализе и обработке экспериментального материала, полученного с использованием наноиндентора, рентгеноструктурного и микрорентгенос-пектрального анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии (обо-
рудоваїїие расположено в Центре коллективного пользования «Нанотех» Учреждения Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН и в Томском материаловедческом центре коллективного пользования ГОУ ВПО «Томский государственный университет»).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009), Всероссийской конференции «Материалы ядерной техники» (Краснодарский край, Туапсинский район, пос. Агой, 2005, 2010), Международной конференции «Физическая мезомеха-пика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (г. Томск, 2006, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Физика и химия вы-сокознсргетических систем» (г. Томск, 2007, 2008, 2009), International Conference on Fusion Reactor Materials (Nice (France), 2007, Sapporo (Japan), 2009), Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007), Всероссийской конференции «Наноструктурные материалы» (г. Новосибирск, 2007), Российском семинаре «Теория и многоуровневое моделирование дефектов, явлений и свойств материалов ядерной техники» (Москва, 2008), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (г. Томск, 2008), Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010), International Conference of Mesomechanics «Multiscaling of Synthetic and Natural Systems with Self-Adaptive Capability» (Taipei (Taiwan), 2010).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК, и 25 докладов в сборниках трудов конференций.
Структура работы. Текст диссертации состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 152 страницах, содержит 115 рисунков и 15 таблиц. Библиографический список включает 136 наименований.
