Введение к работе
Актуальность работы
Пластичность при обработке давлением и сопротивление вязкому разрушению сплавов определяется в конечном счете их способностью к устойчивому пластическому течению под действием растягивающих напряжений без локализации деформации. Ранняя потеря устойчивости пластического.течения на макроуровне, например при прокатке или вытяжке, может быть причиной пониженной технологической пластичности сплавов, а на микроуровне - при развитии вязкой трещины, понижать сопротивление материала разрушению. С неустойчивостью пластического течения прямо связаны яЗления расслоения при прокатке, растрескивания при глубокой вытяжке, и обрывности при волочении. Поэтому оценка способности сплавов к устойчивой деформации и влияния на наа различных факторов является важной научной и практической проблемой.
Диапазон неустойчивости может меняться в очень широких пределах - от образования шейки при растяжении до возникновения полос сдвига и отдельных дислокационных скоплений в сильно деформированной -фрагментироааннсй структуре. Различны и причины возникновения неустойчивости, которые могут быть как "механичвскиии" - потеря несущей способности от недостатка упрочнения в слабом сечении, так и определяться структурными особенностями сплавов. Поэтому решение проблемы повышения пластичности и вязкости сплавов, связанной с разработкой и производством сплавов различного назначения и изделий из них, невозможно без понимания природы потери устойчивости течения и выявления фактороз, определяющих это явление.
Исследованию устойчивости пластического течения и разрушения на разных масштабных и структурных уровнях посвящены многочисленные работы, среди которых основополагающими язляются труды Н.Н.Давиценкоаа, Н.А.Шапошникова, П.Бриджмека, В.Бзкофена, В.Л.Колмогорова, Я.Б.Фридмвна, В.В.Рыбина, В.И.Трефилова и других. При этом а основа анализа процессов устойчивости деформаций лежит либо "механический" подход; основанный на изучении диаграмм иагруженмп и напряженно-деформированного состояния при различных видах деформации, либо "структурный подход" - изучения структурных механизмов деформации и разрушения при большой пластической деформации. Оба подхода предполагают пэрвичность "геометрической" потери устойчивости течения - образования шейки и дальнейшее развитие микро- м
макрораэрушения уже в зона неустойчивого течения. По данным многих авторов зародышевые микротрещины о фрагментированной структуре возникают при деформациях много больших равномерной деформации, то есть уже в зоне макрошейки. Вместе с тем, на практике момент потери устойчивости течения но всегда задан диаграммой деформации и наступает гораздо раньше, чем должно быть при "геометрическом" разупрочнении, по механизму, отличному от традиционного. Однако из-за недостатка экспериментальных данных возможность ранней потери устойчивости течения на дефектах структуры или второй фазе и условия реализации такого механизма долгое время были не выяснены.
Прямые экспериментальные доказательства существования такого механизма получены автором совместно с М.А. Штремелем при изучении процессов деформации двухфазных высокомарганцевых сталей в 1981 году. Образование микротрещин (пор) на стадии равномерной деформации наблюдали и другие авторы, но эти факты прямо не связывали с образованием шейки на образце.
Хотя технологическая пластичность, как способность материалов деформироваться без разрушения, определяется как свойствами самого материала, так и условиями деформирования, прежде всего схемой напряженного состояния в очаге деформации, в данной работе рассматриваются вопросы пластичности, связанные только со структурным состоянием материала.
Для определения способов повышения технологической пластичности и сопротивления разрушению необходимо сформулировать и классифицировать структурные средства управления процессами потери устойчивости течения и развития разрушения. При этом необходим простой в осуществлении и интерпретации результатов способ, позволяющий не только сделать оценку запаса пластичности и вязкости сплавов, но и выявить причину нарушения устойчивости пластического течения и структурные факторы, ограничивающие эти свойства.
Это на позволяет сделать ии чисто "механический" подход, ни чисто "структурный" подход.
В настоящей работе такой анализ выполнен при комплексном подходе к оцэнке запаса пластичности, основанном на совместном анализе диаграмм деформации, акустической эмиссии (АЭ) и изломов при одноосном растяжении на сплавах с разнообразной структурой: высокомарганцевых двухфазных сталях, цементованных слоях, циркониевых сплавах и композиционных сверхпроводниках.
- s-
Этин решались задачи разработки безникелевых хладостойких сталей, повышения трещиностойкости цементованных слоев, разработки и совершенствования технологии обработки циркониевых сплавов в производстве канальных и оболочечных труб атомных реакторов, совершенствования технологии изготовления многожильных технических сверхпроводников. Актуальность исследований вытекает из необходимости выяснения причин понижения пластичности и разрушения при производстве особо ответственных металлических полуфабрикатов из циркониевых сплавов, используемых в атомных реакторах, и сверпроводящих материалов, применяемых для создания магнитных систем в атомной наука и технике. Решение этих задач предусмотрено Федеральными целевыми программами "Топливо и энергия", "Актуальные направления физики конденсированного состояния" (подпрограмма "Сверхпроводимость"), международным проектом "Международный термоядерный реактор (ИТЕР)", а тахжз отраслевыми комплексными программами Минатома России, в рамках которых выполнялась настоящая работа.
Цель работы; изучение явлений потери устойчивости пластического течения и механизмов разрушения сплавов, выявление структурных факторов, контролирующих эти процессы, разработка структур с еысоксй пластичностью и сопротивлением разрушению и способов их получения а сплавзх разных классов, основанная на общем подходе к оценка пластичности из совместного анализа диаграмм деформации, акустической эмиссии и измерений изломов.
Оснопныэ заиэчи
-
Выязлекиа механизмов потери устойчивости течения м вязкого разрушения в сплавах разных классов.
-
Разработка и развития методов прямого наблюдения микро- и макроразрушения по измерениям акустической эмиссии, методов оценки вязкости по макрогосмэтрии изломов и измерения сопротивления разрушению при испытании малых образцов.
-
Выявление элементов структуры, лимитирующих устойчивость пластического течения, пластичность и сопротивление разрушению. Установление количественных взаимосвязей между ними для сплзэоз разных классов.
-
Определение путей и способов управления пластичностью и сопротивлением разрушению черзд структуру сплавов.
Научная новизна
1. На основе анализа диаграмм деформации и измерений акустической
эмиссии при образовании и развитии шейки при растяжении, измерения
внешнего профиля шейки, поля деформаций и распределения пор в ее
разрезах, рельефа "дна* чашки вязкого излома для сплавов разных классов
(мартенсит-аустенитных сталей, сплавов Zr-2.5%Nb и ,
композиционных сверхпроводников типа Nb-бронза) установлено
существование двух общих альтернативных способов потери устойчивости
течения, ограничивающих равномерную пластичность, и соответственно двух
цепочек событий, сопровождающих развитие нестабильности:
а) потеря устойчивости течения из-за 'геометрического разупрочнения"
при равномерной деформации, численно равной показателю упрочнения
(Єр=П) - "длинная" шейка - зарождение трещины на ее оси в месте
максимального удлинения - формирование излома чашкой с "плоским" дном;
б) зарождение трещины ("внутренняя шейка") при Є<ЄР - потеря
устойчивости течения при ер<п - рост и слияние пор - "короткая" шейка и
глубокая чашка (максимум удлинения на ее периферийной части).
Реализация того или иного способа определяется показателем деформационного упрочнения Г) и иными параметрами состояния сплава.
2. Предложен общий подход к оценке запаса пластичности сплавов
различных классов путем сопоставления, максимально возможной
равномерной деформации (6р=П), предсказываемой из диаграмм деформации
при одноосном растяжении, и измеряемых значений, изучения механизма
зарождения и кинетики развития шейки по акустической эмиссии и выделения
фрактографивй элементов структуры, ответственных за эти процессы.
3. Выделены основные структурные факторы, ограничивающие
пластичность и сопротивление разрушению сплавов: количество и
стабильность аустенита - "вторичного'(ревертированного) в' мартенсит-
аустенитных сталях и остаточного в цементованных слоях; степень
рекристаллизации и текстура матрицы в сплаве Zr-2.5%Nb; размер и
распределение частиц интерметаллидов в сплаве ;
пластичность и толщина матричных перемычек в композиционных
сверхпроводниках типа Nb-бронза. Установлены количественные взаимосвязи
между элементами структуры, параметрами диаграмм равномерной
деформации и характеристиками сопротивления разрушению сплавов.
Сформулированы общие принципы и показаны разные для различных сплавов способы управления пластичностью и вязкостью через их структуру.
-
Показано, что общей причиной расслоения при разрушении разных сплавов является "наведенная анизотропия" пластичности и вязкости (вытяжка в шейке границ зерна, охрупченных примесью или неметаллическими включениями в сталях, переориентировка и вытяжка в строчку частиц гидридов или интерметаллидов в сплавах циркония). Определены условия расслоения разных сплавов.
-
Показано, что работа разрушения мартенсит-аустенитных структур может меняться в широких пределах при неизменном типа излома (вязкого, квазискола, зернограничного). Работа вязкого разрушения и квазискола линейно растет с увеличением предела текучести и падает с увеличением показателя упрочнения. При одинаковой диафамме деформации разница в составе фаз может изменять работу вязкого разрушения. Установлено существование единого для всех мартенсит-аустенитных структур (в стали Г7Х2МФ) критерия хладноломкости (перехода от вязкого разрушения к квазисколу) - комбинированного по напряжению и деформации.
Впервые прямыми измерениями установлено, что "обычная" для стали концентрация сурьмы (0,001-0,003%) существенно понижает сопротивление зернофаничному разрушению.
-
Обнаружена потеря устойчивости течения при растяжении от скоплений крупных (0.4-1.2 мкм) или от строчек мелких (до 0.3 мкм) частиц интерметаллидов в сплаве . Наибольшая пластичность и сопротивление разрушению сплава достигаются равномерным распределением в рекристаллизованной матрице мелких частиц ( либо в полигонизованной матрице - без частиц). Критическое раскрытие трещины и ударная вязкость линейно возрастают с уменьшением расстояния между частицами (при их постоянной объемной дола).
-
Прямым сопоставлением размеров гидридов на шлифе и излома установлено существование двух механизмов вторичного гидридного растрескивания в сплавах циркония: либо разрушение отдельных гидридов в пластической зоне магистральной трещины, либо множественное разрушение гидридов и слияние двух-трех гидридных трещин. При реализации второго механизма статическая, трещиностойкость сплава с гидридами выше. Определено критическое межгидридное расстояние для смены механизма вторичного гидридного растрескивания при разной прочности матрицы в зависимости от размеров и ориентировки гидридов.
8. Показана пропорциональность пиковой амплитуды акустической
эмиссии (АЭ) и площади трещины для поштучно опознаваемых внутренних
трещин при постоянных условиях измерений неразонансным датчиком, что
позволяет измерять размеры трещин, регистрировать их развитие и оценивать
масштаб зон неустойчивости течения и разрушения. Сформулированы
основные принципы построения АЭ-аппаратуры для количественного изучения
процессов разрушения. . _
Практическая реализация результатов работы
Предложенные в работе общий подход к анализу запаса пластичности и сопротивления разрушению, и способы управления этими свойствами реализованы при создании состояний высокой пластичности и трещиностойкости в сплавах разных классов.
1. Изучение деформации и разрушения мартенсит-аустенитных структур
позволило уточнить состав и режим термообработки высокомарганцевой
хладостойкой стали типа Г7Х2МФ. Предложенная сталь 10Г7Х2МФ для
деталей буровых установок для регионов Сибири и Крайнего Севера в 1980 г.
прошла опытно-промышленное опробование на Востокмашзаводе МЦМ СССР
при изготовлении хвостовиков буровых штанг станков ПР-30.
-
Уточнен режим окончательного отжига холоднодеформированных канальных труб из сплава Zr-2.5Nb, обеспечивающий повышение сопротивления разрушению труб, а также воспроизводимости механических свойств. Установлены количественные взаимосвязи между размерами макроэлементов изломов разных типов и характеристиками разрушению, что позволяет оценивать уровень и анизотропию вязкости по изломам. Разработаны методики определения характеристик трещиностойкости на малых образцах. Эти результаты использованы для оценки сопротивления разрушению труб и других изделий из циркониевых сплавов и совершенствования технологии их обработки на предприятиях Минатома России.
-
На основе анализа изменения структуры и механических свойств при деформационно-термической обработке показана возможность повышения технологической пластичности и сопротивления разрушению сплава Zr-1.3Sn-1Nb-0.4Fo за счет повышения дисперсности и однородности распределения частиц интерметаллидиых фаз при обработке с р-закалкой. Результаты изучения влияния структуры на деформацию и разрушение сплава использованы при совершенствовании технологии'производства тонкостенных оболочечных труб и других изделий из этого сплава на предприятиях Минатома России. Рекомендована схема деформационно-термической обработки сплава, обеспечивающая повышение технологической пластичности и сопротивления
разрушению. На основе проведенных совместно с ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара исследований при непосредственном участии автора разработана и запатентована технология получения изделий из циркониевых сплавов (Российский патент Na 2032760, Европейский приоритет Na 94927429.4, приоритет Японии № 521961/94, приоритет США № 08/335,864).
-
Результаты исследования трещинообразования при деформации композиционных сверхпроводников, методы оценки повреждаемости и остаточного запаса пластичности проводников по АЭ-измерениям использованы' при разработке технических сверхпроводников различного назначения на основе интерметаллида Nb3Sn, ниобий-титанового сплава НТ-50 и ВТСП-керамик в рамках федеральной целевой программы "Актуальные направления физики конденсированного состояния" (подпрограмма "Сверхпроводимость") и международного проекта ИТЕР.
-
Результаты изучения информативности параметров акустической эмиссии при оценке кинетики и размеров зон разрушения и неустойчивого течения легли в основу нескольких поколений акустико-эмиссионных приборов и методик АЭ-измерений. Созданные АЭ-приборы и методики используются в МИСиС при исследовании процессов деформации и разрушения при напружений по различным схемам (растяжение, изгиб и кручение) сплазов разных классов, а также для технологического контроля повреждаемости при волочении композиционных сверхпроводников во ВНИИНМ им. А.А. Бочвара и на фирме Intermagnetic General Corporation, Ватебури (США).
Апробации работы и публикации Результаты работы доложены и обсуждены на следующих Международных конференциях: 11-й Международный Симпозиум ASTM "Цирконий в атомной промышленности", Гармиш, Германия, 1995 г.; Международная конференция по "Прикладной сверхпроводимости", Бостон, США, 1994г.; Международная Европейская конференция по "Прикладной сверхпроводимости "EUCAS'95", Эдинбург, Англия, 1995 г.; Международная конференция "Новые материалы и технологии в металлургии", София, Болгария, 1990 г.; V Международная конференция "Материаловедение и материалы, полученные в условиях газового противодействия", Варна, Болгария, 1988 г.; Международная конференция "Технологические процессы и оборудование для эффективного использования металлических материалов", Албена, Болгария, 1989 г.; 1-я Международная конференция "Интерприбор-90", Москва, 1990г.;
на всесоюзных конференциях "Физика разрушения", Киов, 1980 и 1989 г.; t-ой всесоюзной научной конференции "Структура и свойства границ зерен",
Уфа, 1983 г.; ІУ-ой Всесоюзной конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий", Запорожье, 1989 г.,- 11-ом Всесоюзном Симпозиуме по механике разрушения, Житомир, 1985 г.; на. Всесоюзной конференции "Интєркристаллитная хрупкость сталей и сплавов", Ижевск, 1989г. и др.
Основное содержание диссертации опубликовано в 31 статье и 14 докладах; получен один Российский патент и приоритеты в Европе, Японии и США.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения и четырех разделов, содержит 213 страниц машинописного текста, 108 рисунков, 23. таблицы и библиографический список из 272 источников.
Похожие диссертации на Структурные факторы управления пластичностью и сопротивлением разрушению сплавов
