Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурные превращения в сталях и сплавах, их влияние на прочностные характеристики и акустическую эмиссию. Объекты и методы исследования. 11
1.1. Фазовые превращения и процесс старения в сталях и сплавах, отвечающие за изменение их прочностных характеристик. 11
1.1.1. Фазовые превращения в сталях. 11
1.1.2. Факторы, влияющие на мартенситное превращение. 20
1.1.2.1. Влияние химического состава на кинетику мартенситного превращения в сплавах и сталях. 20
1.1.2.2. Автокаталитический эффект при мартенситном превращении. 24
1.1.2.3. Влияние пластической деформации и напряжений на мартенситное превращение. 26
1.1.3. Влияние мартенситного превращения на прочностные свойства сталей. 28
1.1.4. Влияние старения мартенсита на прочностные свойства сталей. 37
1.2. Акустическая эмиссия и ее особенности в сталях. 48
1.2.1. Источники акустической эмиссии в металлах и сплавах. 48
1.2.1.1. Дислокационные источники. 48
1.2.1.2. Двойникование. 50
1.2.1.3. Фазовые превращения. 50
1.2.1.4. Образование трещин. 51
1.2.1.5. Процессы трения. 52
1.2.2. Информационное содержание сигналов акустической эмиссии. 54
1.2.2.1 Активность и общее число импульсов. 54
1.2.2.2. Амплитуда и энергия. 56
1.2.2.3. Форма и частотный спектр сигналов. 57
1.2.3. Влияние различных факторов на акустическую эмиссию в металлах и сплавах. 61
1.2.4. Влияние температуры и механических воздействий на акустическую эмиссию в сталях и сплавах. 65
1.2.4.1. Влияние температуры испытаний на параметры АЭ. 65
1.2.4.2. Влияние отпуска на параметры АЭ. 68
1.2.4.3. Влияние термоциклирования образцов на параметры АЭ. 77
1.2.4.4. Влияние отпуска под нагрузкой на параметры АЭ. 77
1.2.4.5. Влияние деформационного старения мартенсита на АЭ. 78
1.2.5. Особенности метода акустической эмиссии. 79
1.3. Объекты и методы исследования. 81
1.3.1. Образцы и их обработка. 81
1.3.2. Установка для исследования процесса акустической эмиссии. 85
1.3.3. Обработка сигналов акустической эмиссии. 88
Глава 2. Влияние механико-термической обработки на прочностные характеристики аустенитной стали 12Х18Н10Т. 93
2.1. Влияние температуры отпуска под нагрузкой на прочностные характеристики стали 12Х18Н10Т, деформированной в жидком азоте. 95
2.2. Влияние величины нагрузки отпуска на прочностные характеристики стали 12Х18Н10Т, деформированной в жидком азоте. 99
Глава 3. Влияние механико-термической обработки на акустическую эмиссию в аустенитной стали 12Х18Ш0Т. 102
3.1. Влияние отпуска под нагрузкой на активность акустической эмиссии. 102
3.2. Влияние отпуска под нагрузкой на суммарную акустическую эмиссию. 106
3.3. Влияние отпуска под нагрузкой на энергию акустической эмиссии. 108
Глава 4. Корреляция механических параметров и параметров акустической эмиссии в аустенитной стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термической обработке. 111
Заключение. 115
Использованная литература. 117
- Фазовые превращения и процесс старения в сталях и сплавах, отвечающие за изменение их прочностных характеристик.
- Влияние температуры отпуска под нагрузкой на прочностные характеристики стали 12Х18Н10Т, деформированной в жидком азоте.
- Влияние отпуска под нагрузкой на активность акустической эмиссии.
- Корреляция механических параметров и параметров акустической эмиссии в аустенитной стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термической обработке.
Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема получения аустенитных коррозионно-стойких сталей, отличающихся хорошими прочностными характеристиками, является весьма актуальной в связи с широким применением их в производстве различного рода техники и строительных отраслях. Ее решение во многом зависит как от рационального внедрения легирующих элементов, так и от эффективного использования внутренних резервов материала. В промышленности применяются технологические схемы, в которых в той ИЛИ ИНОЙ последовательности сочетаются термическая обработка с механическими воздействиями. Комбинирование этих операций способствует более полной реализации потенциальных возможностей стали к упрочнению за счет мартенситного превращения, повышения плотности дефектов, интенсивной фрагментации зерен, образования высоко дисперсных карбидов и интерметаллидных частиц, сегрегации примесей, создания равномерного распределения дефектов и релаксации локальных внутренних напряжений в структуре материала. Несмотря на многообразие предложенных технологических процессов воздействия на структуру аустенитной хромоникелевоЙ стали, в научной литературе периодически публикуются результаты исследований, указывающие на новые способы обработки, в сравнении с которыми предлагаемый способ имеет ряд преимуществ.
При обработке аустенитных хромоникелевых сталей, включающей низкотемпературную пластическую деформацию и последующее деформационное старение в определенном интервале температур, выявлено протекание таких процессов, как мартенситное превращение по типу у—»ам, распад твердого раствора мартенсита (старение), а также обратное ам—»у-превращение. Использование указанных процессов с целью повышения прочностных характеристик направлено на выявление потенциальных
6 возможностей аустенитнои стали и составляет суть предлагаемого метода обработки.
В то же время определение наличия внутренних напряжений, и изучение их эволюция в процессе внешнего воздействия всегда была сложной экспериментальной процедурой, не дающей достаточной точности и не всегда отражающей реальной картины. Процессы локальной динамической перестройки внутренней структуры материала в результате различного рода внешних воздействий являются источниками акустической эмиссии, которую можно регистрировать с помощью современных приборов. Указанный процесс чувствителен к структурному состоянию материала и может являться способом определения наличия в нем внутренних напряжений, их величины, а также характера дефектов, влияющих на физико-механические свойства сплава. Все это создает условия для разработки оптимальных режимов механико-термического воздействия на материал.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы было установить взаимосвязь прочностных свойств и параметров акустической эмиссии аустенитнои хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термическому воздействию для достижения оптимального структурного состояния.
При этом ставились следующие задачи:
Определить влияние низкотемпературной деформации и отпуска под нагрузкой на механические характеристики аустенитнои стали 12Х18Н10Т.
Определить влияние деформационного старения пластически деформированной при низкой температуре стали на параметры акустической эмиссии.
Разработать методику регистрации сигнала акустической эмиссии в цифровом виде и создать пакет программ для его обработки.
Установить корреляцию механических характеристик и параметров сигнала акустической эмиссии в аустенитнои хромоникелевой стали и
7 изучить возможность применения процессов АЭ с целью выявления оптимальных режимов ее механико-термической обработки.
5. Предложить технологию обработки аустенитной стали в целях промышленного применения.
Научная новизна полученных результатов.
1. Предложен новый способ обработки стали 12X18Н1 ОТ, заключающийся в последовательности процессов: -термообработки по ГОСТ 5582-72; - пластическая деформация при температуре 77К с остаточной деформацией до 20%; -деформационное старение в оптимальной температурной области под напряжением, не превышающим предела текучести при выбранной температуре.
2. Показана эффективность использования акустической эмиссии в целях определения оптимальных режимов механико-термического воздействия на материал стали.
Результаты и положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования влияния пластической деформации при низкой температуре и отпуска под нагрузкой на механические характеристики аустенитной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.
Результаты исследования влияния деформационного старения пластически деформированной при низкой температуре стали 12Х18Н10Т на параметры АЭ.
Корреляционные взаимосвязи изменения механических характеристик и параметров АЭ в результате механико-термической обработки, отражающие процессы структурной перестройки, и как следствие, преобразования системы внутренних напряжений в стали.
Практическая значимость.
Полученные результаты экспериментальных исследований расширяют представления о процессах, протекающих в аустенитных хромоникелевых сталях, подвергнутых программному механико-термическому воздействию с целью повышения их прочностных характеристик.
Результаты предлагаемой механико-термической обработки соизмеримы с результатами, которые могут быть получены путем легирования редкоземельными элементами. Положительное решение о целесообразности применения предложенного метода обработки дает возможность рекомендовать его машиностроительным отраслям для внедрения в производственный технологический процесс.
Применение АЭ в качестве метода контроля внутреннего состояния аустенитных сталей позволяет определить оптимальные режимы его стабилизации в результате механико-термической обработки.
Апробация результатов работы.
Результаты, полученные в диссертации, были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях: Международная конференция «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (г. Таганрог, 2005); XVI Петербургские чтения по проблемам прочности (г. Санкт-Петербург, 2006); XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006).
Публикации.
Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 6 научных работах.
9 Личный вклад соискателя.
Основные результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Работа поддержана Минобразованием России и администрацией Белгородской области (грант № ГМ 07-03), Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант № ВКГ 030-05).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 150 наименований. Содержание работы изложено на 110 страницах, в 38 рисунках и 5 таблицах.
В первой главе приведен обзор литературы, отражающий современные представления о фазовых превращениях в сплавах и сталях и способах их применения с целью улучшения прочностных параметров сплавов и сталей за счет механико-термической обработки. Акцент в обзоре литературы сделан на характеристике мартенситного превращения и процессах старения мартенсита.
Рассмотрены основные источники акустической эмиссии. Дана классификация информативных параметров указанного процесса, анализ которых лежит в основе применяемого метода исследования влияния механико-термической обработки на состояние внутренней структуры стали. Рассмотрены особенности процесса акустической эмиссии в сталях.
Наряду с обзором литературы первая глава содержит описание материала и методики исследований.
Вторая глава посвящена выявлению зависимости поведения прочностных характеристик от параметров механико-термической обработки аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т.
Третья глава посвящена выявлению зависимости поведения параметров акустической эмиссии от условий механико-термической обработки аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т.
В четвертой главе проводится корреляция между изменением механических характеристик и параметров АЭ в результате механико-термической обработки.
В заключении даны основные выводы и результаты диссертационной работы.
Фазовые превращения и процесс старения в сталях и сплавах, отвечающие за изменение их прочностных характеристик
Основным компонентом стали является железо. Свойственный железу полиморфизм, заключающийся в способности кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны две кристаллические решётки: кубическая объёмноцентрированная (ОЦК) (а-железо, при более высоких температурах 5-железо) и кубическая гранецентрированная (ГЦК) (у-железо). Ниже 910С устойчиво a-Fe (а = 2,86645 Л при 20С). Между 910С и 1400С устойчива у-модификация (а = 3,64 ). Выше 1400С вновь образуется 5-Fe (а = 2,94 Л ), устойчивая до температуры плавления (1539С). a-Fe ферромагнитно вплоть до 769С (точка Кюри). Модификация y-Fe и б-Fe парамагнитны. Углерод образует с железом твердые растворы внедрения, в которых атом С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77 Ж), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26 ). Углерод и другие компоненты и примеси стали меняют положение критических точек на температурной шкале [1-3].
Растворимость углерода в a-железе весьма мала, этот раствор называется ферритом. Растворимость углерода в феррите 0,02% - 0,03% (по массе) при 723С, а при комнатной температуре 10-6% - 10 7%. В у-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в стали. Предел растворимости углерода в у-железе 2,01%, образующийся при этом раствор называется аустенитом. Содержание углерода в стали всегда превышает его растворимость в а-железе, поэтому избыточный углерод образует с железом химическое соединение - карбид железа Fe3C, или цементит [4, 5].
Аустенит является структурной составляющей углеродистых и легированных сталей и чугунов, возникающей при термической обработке сплавов, в углеродистых сталях в равновесном состоянии аустенит существует только при высоких температурах. По мере увеличения содержания углерода температура начала образования аустенита снижается и достигает минимума (723С) при концентрации углерода 0,8%, Металлографическое исследование при высоких температурах показывает, что аустенит имеет форму полиэдрических зерен, размеры которых увеличиваются в процессе выдержки при высоких температурах.
Рентгеноструктурным методом установлено, что в углеродистых сталях аустенит представляет твердый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки у-железа- В сталях, содержащих другие металлы кроме железа (легированные стали), атомы металлов замещают атомы железа в кристаллической решетке, и возникает твердый раствор замещения.
Влияние температуры отпуска под нагрузкой на прочностные характеристики стали 12Х18Н10Т, деформированной в жидком азоте
В процессе у—»а-превращения происходят существенные изменения в состоянии остаточного аустенита, вызванные пластической деформацией за счет объемных изменений и как следствие фазовым наклепом [13].
Повышение прочностных свойств образцов партии №1 в результате пластической деформации при 77К до 20% объясняется возникновением мелкодисперсной мартенситной фазы, повышением плотности дефектов в аустените, процессом наследования мартенситом структур деформированного аустенита [13, 16, 144, 145, 146]. Как уже отмечалось в - параграфе 1.1.3., в результате у—»а-превращения в стали образуется мартенситная фаза, представляющая собой многократно пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Значительные искажения образовавшейся а-решетки затрудняют движение дислокаций. В тоже время, деформация до 20% способствует повышению плотности дислокаций в аустените и образовавшемся мартенсите, что приводит к появлению ячеистых дислокационных сеток, также препятствующих движению дислокаций [29]. Повышению плотности дефектов в мартенсите способствует процесс наследования мартенситом структуры деформированного аустенита.
Отпуск под нагрузкой (ОПН), не превышающей условного предела текучести OQ2 при данной температуре старения в образцах предварительно деформированных в жидком азоте, способствует дальнейшему повышению прочностных характеристик (таблица 5, партия №3). Это связано с протеканием процессов деформационного старения мартенсита, увеличением содержания мартенситной фазы (-10%, таблица 5), релаксацией остаточных внутренних напряжений, возникших в результате образования мартенсита при низкотемпературной деформации [17, 50, 146-148]. Последний процесс является важным условием достижения конструктивной прочности стали, то есть получение такой структуры, которая обеспечивает равномерность распределения остаточных микронапряжений.
Влияние отпуска под нагрузкой на активность акустической эмиссии
Указанный характер поведения активности АЭ в упругой области в зависимости от напряжения ОПН в аустенитной нержавеющей стали вероятно связан с соотношением процессов деформационного старения мартенсита: формирования карбидов, увеличения плотности подвижных дислокаций и закрепления их атомами примесей, а также релаксации внутренних напряжений.
Переход в упруго-пластическую область, как уже отмечалось, приводит к смене механизмов деформации. В указанной области акустическая эмиссия может быть вызвана следующими процессами: переходом дислокаций через границы разрыва упругих модулей, развитием линий скольжения, двойникованием, относительным перемещением зерен, образованием и развитием микротрещин и другими процессами [93, 121, 127]. Особую роль здесь играет сложная морфология мартенсита и наличие межфазовых границ, вдоль которых сосредоточены значительные внутренние напряжения. Релаксация указанных напряжений в результате ОПН, по всей видимости, является причиной монотонного снижения активности АЭ, регистрируемой в упруго-пластической области, с ростом напряжения отпуска (рис. 33).
Установлено, что в результате деформационного старения при температуре 920К активность АЭ в пластической области резко снижается (рис. 34) в сравнении с величиной отвечающей более низким температурам ОПН (рис. 33,а).
Корреляция механических параметров и параметров акустической эмиссии в аустенитной стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термической обработке
В качестве источников АЭ могут служить преодоление скоплениями дислокаций различного рода барьеров, распространение полос Людерса в ходе трансляционного скольжения, разрушение частиц карбидной фазы, отслоение неметаллических включений, двоиникование, образование микротрещин и другие процессы.
Так как в результате механико-термической обработки содержание мартенситной фазы в стали 12Х18Н10Т составляет 80% - 90% (табл. 5), то наиболее вероятными источником АЭ в упругой области деформации являются дислокационные процессы и процессы растрескивания карбидов, формирующихся в результате деформационного старения мартенсита. Об этом свидетельствует величина, оцененной по формуле (6), средней энергии единичного импульса АЭ Wu составляющая 10"і6 Дж, которая лежит в интервале 10"10 - 10"19 Дж, соответствующем дислокационным процессам и процессам образования микротрещин.
По мере роста напряжения ОПН увеличивается содержание мартенситной фазы, в структуре стареющего мартенсита растет число подвижных дислокаций, происходит выделение углерода из твердого раствора в виде высокодисперсных карбидных частиц, а также оседание его на дислокациях. Эти и другие процессы приводят к релаксации внутренних напряжений путем микропластических сдвигов [146]. Временное снижение величины предела упругости (рис. 38) и предела текучести в случае напряжений отпуска 0.1о0,2 и 0.15а0,2 вероятно связано с увеличением числа подвижных дислокаций и недостаточным их закреплением атомами углерода, а также недостаточной релаксацией внутренних напряжений. Поведение указанных механических характеристик коррелирует с поведением некоторых параметров АЭ, а именно их зависимости от напряжения отпуска носят противоположный характер.
Похожие диссертации на Взаимосвязь между изменением прочностных свойств аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термическому воздействию, и акустической эмиссией
