Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 2013 при усталости Бессонов, Даниил Александрович

Введение к работе

Актуальность

Создание новых объемно-легированных материалов, являющееся до сих пор основным способом повышения надежности и долговечности деталей механизмов и машин, становится все более проблематичным из-за дефицита и дороговизны легирующих добавок. В этих условиях оказывается экономически и технически целесообразным использование технологий, которые оказывают на поверхность функционально различные действия. Например, после оптимизации микрорельефа поверхностного слоя деталей методами механической обработки с целью ее упрочнения применяют обработку пучками ионов, импульсной плазмой, электронными пучками. При использовании таких комбинированных технологий зафиксировано повышение усталостной выносливости, коррозионной стойкости и износостойкости.

Электронно-пучковая импульсная обработка в настоящее время является одним из перспективных способов модифицирования структуры приповерхностного слоя изделий с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Тем не менее, до конца не выяснены физические механизмы, приводящие к данным эффектам.

В связи с вышеотмеченным, выполнение исследований, посвященных установлению методами современного физического материаловедения физических основ повышения усталостной долговечности сталей, обработанных импульсным электронным пучком, представляется актуальным и своевременным.

Цель работы. Исследование влияния электронно-пучковой обработки на формирование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали 20Х13, их изменение при многоцикловой усталости и выяснение физической природы повышения усталостного ресурса.

Для реализации цели в работе поставлены следующие задачи:

1. исследование структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали в закаленном состоянии и их эволюции в процессе усталостных испытаний в исходном состоянии и после электронно-пучковой обработки в различных режимах;

2. выяснение механизмов разрушения стали, обработанной электронными пучками в различных режимах, при многоцикловом усталостном нагружении;

3. выявление закономерностей формирования градиента параметров зеренной и субзеренной структуры стали 20Х13 в зоне разрушения при усталости;

4. анализ факторов, ответственных за повышение усталостной долговечности стали.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования влияния электронно-пучковой обработки в различных режимах на усталостную выносливость, структуру, фазовый состав и дефектную субструктуру стали 20Х13, подвергаемой многоцикловому усталостному нагружению.

Установлено, что воздействие низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками при обработке поверхности приводит к немонотонному изменению среднего размера зерен (уменьшение в 5-6 раз), формированию структуры ячеистой кристаллизации, растворению частиц карбидной фазы, снижению концентрации хрома в поверхностном слое.

Впервые показано, что при электронно-пучковой обработке стали формируется градиентная структура, характеризующаяся закономерным изменением фазового состава и параметров дефектной субструктуры по мере удаления от поверхности облучения. Установлено, что многоцикловые усталостные испытания не приводят к исчезновению градиентности.

Причиной разрушения обработанной электронным пучком стали 20Х13 в результате многоцикловых усталостных испытаний является присутствие глобулярных частиц карбида типа М₂зС₆ субмикронных размеров, а также формирование при электронно-пучковой обработке кристаллов є-мартенсита.

Установлено, что причинами повышения усталостной долговечности облученной стали является измельчение зеренной и субзеренной структуры, растворение частиц карбидной фазы в поверхностном слое, инициированное электронно-пучковой обработкой.

Научная и практическая значимость работы заключается в увеличении усталостной работоспособности стали 20Х13 при электронно-пучковой обработке в ~2 раза и установлении физических механизмов, способствующих этому. Полученные в работе экспериментальные результаты позволяют сформулировать рекомендации по внедрению метода повышения ресурса усталостной выносливости стальных изделий электронно-пучковой обработкой в промышленность.

В работе выявлен комплексный характер изменения фазового состава и дефектной субструктуры стали при электронно-пучковой обработке и многоцикловой усталости.

Результаты работы могут быть использованы студентами и аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния» и «Физическое материаловедение». Практическая значимость подтверждена справками об использовании результатов на предприятиях Кемеровской области.

Реализация результатов.

Различные металлические детали оборудования, подвергнутые электронно-пучковой обработке, используются в производственной деятельности предприятий ОАО «Новокузнецкий хладокомбинат», ООО «БалтСибТранс», ООО «Химуглепром+».

Достоверность результатов работы обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач и использованием апробированных методик современного физического материаловедения, анализом литературных источников, применением статистических методов обработки экспериментальных данных, корреляцией полученных результатов с результатами других авторов, справками об использовании результатов работы.

Личный вклад автора состоит в обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками стали 20Х13, 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, а также тезисов докладов научных конференций. Основные положения, выносимые на защиту:

4. 1. сформулированные причины разрушения стали 20Х13 с мартенситной структурой при многоцикловом усталостном нагружении;

   2. совокупность экспериментальных результатов о структурных и фазовых превращениях стали при электронно-пучковой обработке в различных режимах;

   3. установленный градиентный характер изменения параметров дефектной структуры и фазового состава стали, вызванный электронно-пучковой обработкой в различных режимах;

   4. формирование градиентов параметров дефектной структуры и фазового состава стали, предварительно подвергнутой электронно-пучковой обработке, после усталостного разрушения;

   5. установленная природа повышения усталостного ресурса электронно- пучковой обработкой.

   Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов», 2011, Обнинск; XIX республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов, 2011, Гродно; Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», 2011, Тольятти; Вторых московских чтениях по проблемам прочности материалов, 2011, Черноголовка; LI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2011, Харьков; V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 2011, Екатеринбург; II Всероссийская конференция «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций»,

   4. 5. 1. Новосибирск; IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 2011, Москва; ХХ Петербургских чтениях по проблемам прочности, 2012, Санкт-Петербург; LII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Уфа; XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2012, Самара; LIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Витебск; IV ежегодной конференции Нанотехнологического общества России,

         2. Москва.

         Работа выполнялась в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 годы» (проект 2.1.2/13482), Федеральной целевой программы «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.» (гос. контракты П332, 02.740.11.0538, соглашение № 14.B37.21.0071).

         Результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе, из которых 7 статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

         Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 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).

         Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, приложений, списка литературы из 164 наименований. Диссертация содержит 183 страницы машинописного текста, в том числе 8 таблиц и 92 рисунка.

         Похожие диссертации на Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 2013 при усталости

         Формирование и эволюция структуры, фазового состава и свойств сталей и сплавов в современных упрочняющих технологиях при прокаткеЕфимов, Олег Юрьевич

         

         Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства ультрамелкозернистого никеляСамигуллина Асия Айратовна

         

         Влияние условий термомеханической обработки на структуру и свойства углеродного волокнаЧуриков, Виталий Владимирович

         

         Влияние термической обработки на морфологию мартенсита и эволюцию дефектной структуры литой среднелегированной конструкционной сталиКлимашин Сергей Иванович

         

         Влияние гомогенизирующей термической обработки сплавов алюминия с германием, гафнием, кобальтом и железом в жидком состоянии на их структуру после кристаллизацииРожицина Елена Васильевна

         Формирование и эволюция структуры и фазового состава нержавеющей стали при электронно-пучковой обработке и многоцикловом нагружении до разрушенияСизов, Василий Васильевич

         

         Изменение механических свойств, состава и структуры нержавеющих сталей после больших доз облучения в исследовательских реакторах Голованов Виктор Николаевич

         Доменная структура и процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленокПахомов, Алексей Юрьевич

         

         Пути и закономерности эволюции дислокационных субструктур при усталости и волоченииГромова Анастасия Викторовна

         

         Закономерности эволюции структуры и фазового состава закаленной углеродистой стали при электростимулированной усталости Сучкова Елена Юрьевна