автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование кинетики структурных изменений конструкционных материалов при нагреве и охлаждении методом акустической эмиссии для управления их свойствами

На правах рукописи

Кириков Антон Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИИ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 М0Я Ш

Комсомольск-на-Амуре - 2013

005538898

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре "Материаловедение и технологии новых материалов».

Научный руководитель: Муравьев Василий Илларионович доктор

технический наук, профессор, профессор кафедры «Технология сварочного производства» ФГБОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Официальные опнонеты: Верхотуров Анатолий Демьянович заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории оптимизации регионального природопользования Института водных и экологических проблем ДВО РАН (г. Хабаровск)

Штанов Олег Викторович кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе НТЦ Информационные технологии (г. Комсомольск-на-Амуре).

Ведущая организация: ФГБОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 12:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 при ФГБОУВПО «КнАГТУ» по адресу : 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201 корпус 3. Факс: 8(4217) 53-61-50; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

yS^—" АИ" ПР0НИН

Актуальность. Тенденции развития современного машиностроения выдвигают повышенные требования к массогабаритным показателям конструкций, что в свою очередь обуславливает повышенные требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов. Наиболее важной из которых считается надежность, которая достигается оптимальным сочетание высокой прочности стали, с сохранением достаточной вязкости разрушения.

Среди технологических приёмов упрочнения сталей без изменения их химического состава наибольшее распространение получили закалка, термомеханическая и пластическая деформация. Интенсивная пластическая деформация позволяет увеличивать прочность, но при этом в значительной степени снижается пластичность конструкционных материалов.

Применяемые традиционные режимы термической обработки типовых конструкционных сталей практически исчерпали потенциальные возможности оптимизации свойств, поскольку при повышенных значениях прочности наблюдается значительное снижение пластических характеристик.

Известно, что вблизи критических точек, на границах раздела в гетерогенных структурах, наблюдается ряд эффектов, вызванных ослаблением межатомных связей в кристаллической решётке, и проявляющихся в увеличении пластических свойств материала (субкритическая сверхпластичность), в упорядочивании дефектной структуры, улучшении свойств и надежности конструкций. Поэтому актуальным является проведение исследования в этой области современного материаловедения.

Метод акустической эмиссии является перспективным инструментом для решения задачи по установлению процессов, происходящих на границах раздела гетерогенных структур конструкционных материалов. Данный метод один из наиболее информативных, по сравнению с известными и позволяет проводить исследования в реальном времени в широком диапазоне скоростей нагрева и охлаждения, отличается низкой трудо- и ресурсо-ёмкостыо. До настоящего времени о применении этого метода для исследования кинетики структурных изменений в сталях при нагреве и охлаждении практически не известно.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках НИР «Разработка термических и деформационных технологий создание и обработки гетерогенных материалов на основе динамики структурных превращений и компьютерного материаловедения» в рамках гранта по программе «Стратегическое развитие ФГБОУ ВГ10 «КнАГТУ» на 2012-2016гг.», 2011-ПР 054, приказ №2280 от 27.07.2012.

Цель диссертационной работы: исследование кинетики процессов на границе раздела гетерогенных структур в сталях и сплавах методом АЭ для комплексного улучшения их эксплуатационных характеристик.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Произвести аналитическую опенку существующих методов исследования кинетики процессов, происходящих на границе гетерогенных структур, при нагреве и охлаждении конструкционных материалов.

2. Разработать методику определения возможности исследования процессов, происходящих в конструкционных материалах при нагреве и охлаждении.

3. Выявить параметры в наибольшей степени кореллирующие с процессами аустенитного, перлитного и бейнитного предпревращения.

4. Разработать методику определения точек фазовых переходов по сигналам акустической эмиссии.

Методы исследования: при выполнении данной диссертационной работы применялись как общеизвестные методики исследования кинетики гетерофазных процессов во время термической обработки сталей, так и специальные разработанные с участием автора. Из числа известных методов исследования фазовых превращений использовали структурный метод, на металлографическом микроскопе Planar MICRO 200, и дилотометриче-ский метод, на дилатометре марки NETZSCH DIL 402 PC. Помимо этого проводилось измерение твердости по методу Роквелла на твердомере ТН 300 и микротвердость на микротвердомере SHIMADZU HMV-2. Определение хим. состава материала производилось на оптико-эмиссионом спектрометре Bruker Q4 TASMAN 170.

Объекты исследования : конструкционные стали и сплавы.

Предметы исследования: процессы на границе раздела гетерогенных структур во время полиморфного превращения в сталях и сплавах, связь фазовых превращений с параметрами сигналов АЭ.

Научная новизна:

1. Применен метод АЭ для исследования кинетики процессов, происходящих на границе раздела гетерогенных структур (фазовых переходов) в сталях и сплавах, при высоких температурах.

2. Выявлены отличительные особенности АЭ сигналов, излучаемых различными типами структур сталей и сплавов на основании анализа параметров Акустической эмиссии - суммарная энергия, суммарный счёт, активность Акустической эмиссии, мощность Акустической эмиссии.

3. Определены корреляционные связи между длительностью выдержки сталей в условиях фазовых предпревращений и их структурой и свойствами.

Практическая ценность от реализации результатов работы:

1. Спроектирована, изготовлена и использована в исследованиях экспериментальная установка для изучения кинетики фазовых переходов методом АЭ.

2. Предложена методика определения границ фазовых переходов в сталях и сплавах с использованием АЭ метода.

3. Разработаны технологические приемы управления структурными изменениями и свойствами конструкционных сталей с использованием эффектов фазовых предпревращений.

4. Разработанные методики, исследований кинетики фазовых переходов, внедрены в учебный процесс на кафедрах «Материаловедение и технология новых материалов», «Технология сварочного производства» ФГБОУВПО «КнАГТУ».

5. Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс изготовления стальных конструкций на ЗАО «ЭКСПО» и ООО «Регионстрой».

Положения, выносимые на защиту:

1.Закономерности влияния кинетики процессов, происходящих на границе раздела гетерогенных структур, на параметры АЭ сигналов.

2. Методика определения фазовых переходов по параметрам АЭ.

3. Использование закономерностей процессов на границе раздела гетерогенных структур для улучшения механических свойств и надежности конструкционных материалов.

Личный вклад автора состоит: в постановке задач исследования; провидении экспериментальных исследований, обработке и анализе их результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009); на международном научно-техническом симпозиуме «Инновационные технологии в Машино- и приборостроении» (Омск, 2010); на International conference on «Modern materials science and nanotechnology» (Komsomolsk-on-Amur, 2010); на International conference on «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2011); на научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009); на всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» ( Новосибирск, 2009); на третьей всероссийской конференции молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2010); на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010» (Москва, 2010); на Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» ( Комсомольск-на-Амуре, 2011); на 41-ой научно-технической конференции аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов» (Комсомольск -на-Амуре,2011 на. XXI уральской школе металловедов-

термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы» (Магнитогорск, 2012); на международной научно технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России» (Москва, ВИАМ,2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе 8 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам: 2. Установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела гетерогенных структурах; 6. Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытания и определения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 6 таблицы, 86 рисунков, список литературы из 167 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, изложена научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая ценность и основные вопросы, рассмотренные в диссертации.

В первой главе рассмотрены основные положения теории фазовых превращений. Проанализировано влияние термической обработке на свойства стали. Проведена оценка современных достижений влияния фазовых превращений на свойства сталей. При этом показано, что ГОСТ на стали определяет требования к химическому составу сталей с допуском до 40% в отношении ряда легирующих элементов, что обуславливает значительное изменение температур критических точек образования и распада аустени-та. Поэтому традиционный подход к разработке режимов термической обработки предусматривает определение «с запасом» температуры нагрева, изотермических выдержек, длительности выдержек, скорости нагрева и охлаждения и других параметров. В результате это приводит к созданию структур с «усреднёнными» показателями, значительно отличающимися от требуемых. Так увеличенная температура под закалку и выдержка приводят к увеличению размера зёрен аустенита, увеличенная длительность изотермической выдержки при закалке приводит к частичному бейнитному превращению, в результате длительного отпуска резко снижается проч-

ность материала и вместе с тем низкими значениями свойств конструкций в особенности эксплуатационных. В этом плане решение проблемы увеличения надежности конструкций является актуальной.

Традиционные методы определения температур фазовых превращений малопригодны для решения поставленной задачи: магнитометрический метод не работает выше температуры точки Кюри; дюрометрический и структурные методы отличатся высокой трудоёмкостью, ресурсоемко-стью и длительностью исследований, а также не позволяют исследовать кинетику процессов фазовых превращений в реальном времени; дилатометрический метод не позволяет проводить исследования при высоких скоростях нагрева и охлаждения и т. д. Заслуживает внимание метод исследования, основной на анализе сигналов акустической эмиссии (АЭ), излучаемых в процессах на границах раздела гетерогенных структур.

Разработкой АЭ метода занимались Кайзер, Скофилд, Данегап, Пол-лок и др. В России работы по изучению и внедрению АЭ метода принадлежат В.А. Грешникову, Ю.Б. Дроботу, В.И. Иванову, H.A. Семашко, В.М. Финкелю, С.Ф. Филоненко, O.A. Бартеневу, В.А. Хамитову и др.

Поскольку, по данным ряда работ, метод АЭ применялся в основном для исследований низкотемпературного мартенситного превращения в I i -Ni сплавах, полутораокиси ванадия и некоторых других материалах, в настоящей работе начаты исследования влияния процессов на границе раздела гетерогенных структур сталей на параметры сигналов акустической эмиссии.

Во второй главе представлены традиционные и разработанные методы исследования, материалы, приборы и установки.

Исследования проводились на образцах из конструкционных сталей и сплавов: СтЗ, Ст5, 20, 45, Р18, ЗОХГСА, титановый сплав ВТ20 (Табл.1).

Табл. 1 — Химический состав исследованных образцов

Материал Химический состав, %

С Si Мп Ni Cr Си V Ti Mo Al Zr

СтЗ сп 0.18 0.19 0.45 — 0,04 0,13 0,02 — — — —

20 0.22 0,21 0,5 0,06 — 0,22 0,01 — — — —

Ст5сп 0,29 0.18 0,43 0,21 0,1 — — — — — —

45 0,44 0,25 0,56 — — 0,07 0.02 — — — —

ЗОХГСА 0,32 1,1 0,95 0,08 0,95 ... ... ... ... ... ...

ВТ 20 0,08 0,1 ... — ... — 1,8 87,2 0,9 6,3 2,1

Дилатометрические исследования проводились на цилиндрических образцах диаметром 7 мм и длиной 20 мм. Критические точки определялись для скорости нагрева 10 К/мин.

Исследования влияния фазовых переходов на параметры акустической эмиссии выполнялись следующим образом. Эксперименты проводились на плоских образцах размерами 2 х 15 х 500 мм. Во время нагрева образцы 3 (рис. 1а) загружались в муфельную печь 1 через асбестовые уплотнители 2 на глубину 200 мм. Ширина асбестовых уплотнителей - 40 мм. На холодном конце образцов закреплялся датчик акустической эмиссии 4. Для улучшения акустического контакта поверхность образцов под датчиком смазывалась техническим вазелином. Для исследования акустической эмиссии использовалось следующее оборудование (рис. 16): широкополосный преобразователь акустической эмиссии (1) типа GT-301 (Global test) с полосой пропускания 50 - 500 кГц; усилитель (2) с коэффициентом усиления Ки =500 и входным сопротивлением /? = 100kC)m; фильтр высоких частот (3) с граничной частотой 20 кГц и единичным коэффициентом усиления в полосе пропускания; 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (4) с частотой дискретизации /,=10 МГц и персональный компьютер (5).

Г ■■ \ t [ Um

t т

Рисунок 1. Экспериментальная установка (а); комплекс для исследования сигналов АЭ (б); форма сигналов АЭ (в).

Во время эксперимента производилась запись сигналов акустической эмиссии, а после его завершения - математическая обработка полученной информации. В ходе обработки АЭ информации рассчитывались следующие параметры каждого сигнала акустической эмиссии (рис. 1 в) : энергия (Е); спектральная плотность АЭ сигналов Р(0; относительная спектральная плотность АЭ сигналов (Р'(^)); суммарная энергия (Е^); суммарный счёт (ТМ^); активность АЭ (КС); мощность АЭ (Р).

Температура образцов определялась при помощи зачеканенных в них хромель-алюмелевых термопар. Температура образцов у асбестовых уплотнителей с наружной стороны печи во время нагрева не превышала

60°С. Для оценочного сопоставления сигналов акустической эмиссии с процессами фазовых превращений диаграммы охлаждения совмещены с диаграммами изотермического распада переохлаждённого аустенита (в связи с отсутствием необходимых термокинетических кривых).

В третьей главе Показано, что при нагреве материалы излучают акустически-эмиссионные (АЭ) сигналы (рис.2).

\ 05 а)

о.д 0.3 0.2 0.1 0.0

о

Рисунок 2. Дилатограмма (а) и графики Акустической эмиссии при нагреве отпущенной стали 20 (б-е).

Видно, что интервал аустенитного превращения сопровождается повышением активности и мощности Акустической эмиссии (АЭ), и незначительным всплеском энергии Акустической эмиссии. Остальные традиционные параметры Акустической эмиссии не чувствительны к процессам, происходящим при этом виде полиморфного перехода. Так для рассматриваемой стали 20 температуры критических точек равны 728°С и 846°С (рис. 2 а). Данный температурный интервал соответствует интервалу времени 25-43с. (рис.2 б). Из представленных данных видно, что в это же время повышается активность АЭ (рис.2 в) и мощность АЭ (рис.2 д). Так же

интервал фазового перехода отчетливо виден изменением спектра АЭ сигнала на спектрограмме (рис. 2 е).

а>|-л,% б)

Рисунок 3. Дилатограмма (а) и графики Акустической эмиссии во время нагрева закаленной Ст.З (б-е).

Вышеописанные закономерности можно объяснить следующим образом: нагрев образца происходит неравномерно, в результате термического расширения материала, в нем возникают механические напряжения. Эти напряжения приводят к активации процессов перемещения дислокации.

Помимо этого движения дислокаций возникает и вследствие преодоления ими потенциальных барьеров под действием нагрева. В свою очередь перемещение дислокаций сопровождаются излучением АЭ сигналов. Во время фазового перехода, как известно, происходят полиморфные превращения зарождения новых зерен и их дальнейшим ростом. Эти процессы так же сопровождаются генерированием АЭ сигналов.

При нагреве закаленной стали происходят процессы распада остаточного аустенита и мартенсита, которые сопровождаются повышением параметров АЭ (энергии активности и мощности) (см. рис.3). Отмечу, что в связи с высокой скоростью нагрева, разделить эти процессы во времени, используя традиционные параметры АЭ, затруднительно. В то же время, на спектрограмме отчетливо видны границы этих процессов (рисунок 3 е).

гои

1.|>ОГ.-П2-2.2(1П-П2 1 411Ы12-4.Ш1К-Ш

■ 2.2<ИЯ)2-2.К01М]2

Рисунок 4. Дилатограмма (а) и графики Акустической эмиссии во время нагрева титанового сплава ВТ 20 (б-е).

Так в температурном интервале 190°С-340°С наблюдается увеличение длины образца (рис. 3 а), что соответствует процессам распада остаточного аустенита. В это же время наблюдается повышение активности, энергии и мощности АЭ (рис. 3 в-д). В интервале 340°С-410°С (точки В2, ВЗ) наблюдается уменьшение длины образца, что соответствует процессу распада мартенсита (рис.3 а), приводящее к повышению ранее перечисленных параметров АЭ рис. 3 в-д). На спектрограмме отчетливо видны все описанные процессы (рис.3 е).

Описанные закономерности также справедливы и для других сталей. Так, во время нагрева, отпущенной стали 3 интервал аустенитного превращения сопровождается повышением энергии, активности и мощности АЭ. Кроме того, интервал аустенитного превращения характеризуется изменением спектрального состава АЭ-сигналов - в спектре сигнала уменьшается высокочастотная составляющая, с одновременным увеличением насыщенности низкочастотной составляющей.

У титанового сплава фазовый переход сопровождается снижением всех параметров АЭ (рисунок 4 б-д). При этом на спектрограмме, во время превращения, отмечается снижение интенсивности высокочастотных сигналов и повышение активности низкочастотной составляющей АЭ.

Рисунок 5. Диаграммы распада переохлажденного аустенита (а), параметры АЭ (б-д), стали 20 после охлаждения на воздухе с 900°С.

1 ооо б) 800

Отдельно исследованы процессы при охлаждении испытуемых материалов, при этом выявлены следующие закономерности излучения АЭ сигналов.

При медленном охлаждении интервал распада аустенита на ферри-тоцементитную смесь сопровождается повышением энергии, активности и мощности АЭ (рис.5). В интервале 5-25 сек., соответствующему темп. 790600 (рис.5 б) происходит перлитное превращение (рис.5 а). В этом же интервале времени наблюдается повышение активности АЭ в среднем в 6 раз (рис.5 г), при этом на графике отчетливо видно два всплеска активности, соответствующим процессам выделения ферритного и перлитного превращений. Описанные процессы сопровождаются повышением АЭ энергии (рис.5 в) и мощности (рис. 5 д). Примечательно, что процессы выделения феррита сопровождаются большой активностью и мощностью АЭ по сравнению с перлитным превращением.

Источниками звука регистрируемые в процессе исследования являются процессы образования зародышей новой фазы и роста кристаллов. Кроме этого, охлаждение образца происходит не равномерно, т.к. поверхность охлаждается быстрее, что приводит к возникновению сжимающих термических напряжений первого рода. Фазовые переходы вызывают возникновение напряжения второго рода. Под действие этих суммарных напряжений в металле возникает пластическая деформация, сопровождаемая перемещением дислокации, как следствие генерации звука.

Аналогичные зависимости

наблюдаются и для других исследованных сталей.

Как известно, мартенситное превращение протекает по без диффузионному, сдвиговому механизму. При этом время образования одного кристалла менее 0,1 мкс, а скорость роста превышает 103 м/с. То есть мартенситное превращение сопровождается одновременным смешением большого количества атомов, которое приводит к излучению акустической

энергии большой мощности. Так, при « 0 0.5" 1 1.5 tс; закалке стали 45 (рис. 6) на начальном Рисунок 6. Диаграммы охлажде-этапе охлаждения наблюдается повы- ния в воде стали 45 (а - в)

шение мощности и энергии АЭ из-за кипения закалочной среды (интервал 0-0,58 с.)

Интервал мартенситного превращения отличается излучением АЭ сигналов с энергией и мощностью примерно на два порядка выше, по сравнению с шумами от кипения закалочной среды. Отмечу, что значение АЭ энергии и мощности при мартенситном превращении превышает аналогичные показатели при других видах фазовых переходов, как минимум на два порядка. Описанные закономерности справедливы и при исследовании и других сталей и сплавов.

Выявлено, что параметры АЭ при нагреве и охлаждении определяются: термическими напряжениями 1-го рода, фазовыми переходами, шумами нагревательной среды и кипением закалочной жидкости.

Во время фазовых превращений полиморфного типа, в том числе мартенситного, происходит изменение типа кристаллической решетки. В результате мартенситного превращения удельный объём увеличивается на величину, составляющую порядка 4,1 %. Максимальные закалочные напряжения 2-го рода будут составлять порядка 8 600 МПа.

1 II }| 31 51 61 71 81 91 101 111 121 131 В,' 'Bj Номер импульса

Внутренние напряжения 2-го рода будут распределены по объёму материала неравномерно и иметь значение в пределах от 0 Па до 8,6 ГПа. Более того, распределение значений указанных фазовых напряжений по микрообъёмам материала носят случайный характер и описываются нормальным законом распределения.Термические напряжения 1-го и 2-го рода превышают предел текучести, то есть вызывают пластическую деформацию металла. А пластическая деформация обуславливает акустическую эмиссию. Кроме того изменение типа кристаллической решетки также сопровождается эмиссией звука.

Диаграммы АЭ эмиссии при отпуске представлены на рис.7.

Различимы следующие интервалы 0-25 сек. и 25-120, характеризующиеся повышением энергии активности и мощности АЭ, а так же изменением спектрального состава, приходящегося на температуры 50-150 и 150300. Как известно, в данном интервале температур протекают процессы распада мартенсита и остаточного аустенита. Важно, что спектр АЭ до распада мартенсита и после резко отличаются. Так, до точка В 1 АЭ сигналы имеют преимущественно низкочастотный спектр, а после, возникает два ярко выраженных всплеска в области спектра средних и высоких частот.

Четвертая глава посвящена применению метода акустической эмиссии для определения оптимальных режимов термической обработки и горячей листовой штамповки с целью улучшения механических свойств сталей и сплавов.

Режимы термической обработки стали ЗОХГСА.

Из представленных в табл. 2 и на рис. 8-9 данных видно, что оптимальная температура нагрева под закалку стали ЗОХГСА составляет 900°С, обеспечивая одновременно улучшение показателей прочности, предела текучести и пластичности.

Табл. 2 - Влияние температуры нагрева под закалку стали ЗОХГСА на механические свойства трубных образцов при их испытании на сплющивание.

Тнагр* С Механические ха рактермстики

HRC Ртр, кН Род, кН h тр,мм

800 40 4,26 3 6,04

860 54 4,54 4,59 5,05

890 55 6,29 5,9 5,06

900 58 6,72 6,4 5,11

930 55 5,96 5,96 4,88

Примечание: РХР — нагрузка в момент образования первой трещины; Рог-нагрузка, соответствующая предела текучести при испытании на сплющивание; ЬТр -деформация образца в момент образования первой трещины.

890°С 900°С 9.Ч0°С

Рис.8 Микроструктуры стали ЗОХГСА после закалки с разных температур нагрева.

in СИЯ

ШВРш ШЁШШ

890°С 9ПП°С 9Я0°С

Рисунок 9. Фрактограммы излома стали ЗОХГСА после закалки с разных темпеоатур нагрева.

Незавершенность аустенитного превращения при недогреве до температуры полного превращения приводит к снижению прочности на 30% и предела текучести на 50%, с увеличением пластичности на 20%. Рост аустенитного зерна при перегреве на 30°С приводит к снижению не только прочности и предела текучести, но и пластичности, для каждого показателя в среднем на 5%.

Режимы термической обработки стали Р18.

Исследованиями износостойкости и теплостойкости режущего инструмента из быстрорежущих сталей (табл.3) установлено, что максимальной износостойкостью и теплостойкостью обладает инструмент после нагрева под закалку до температур предплавления с последующей изотермической закалкой в интервале температур бейнитного предпревращения, исключающего само превращение.

Непрерывная закалка приводит к уменьшению прочности на 30%, теплостойкости на 10% и ресурса на 40% и к значительному хрупкому разрушению инструмента (до25%) по сравнению с вышеуказанной изотермической закалкой по разработанному режиму. Еще более низкие показатели механических свойств инструмента обеспечивает традиционная изотермическая закалка из области бейнитного превращения.

Табл. 3 - Влияние режимов изотермической закалки стали Р18 на ее свойства.

Режимы термической обработки Непр. закалка Изотерм, закалка, 5 мин Изотерм, закалка, 1 час

ств, МПа 1 975 2 865 2 567

ИКС (640°С) 54 59 53

Глубина отверстий, мм 160 271 143

Изменение ресурса сверл,% - +67 -10,5

Доля хрупкого разруш. сверел 25% — —

Режимы горячей листовой штамповки титановых сплавов.

Как видно из данных табл. 4, наилучшие механические свойства наблюдаются у заготовок, подвергавшихся окончательной штамповке в области существования а-фазы, а именно при температуре предпревраще-ния а—»р. Практически предел прочности у таких штамповок повысился на 8... 10 %, а характеристики пластичности - в 1,5...2 раза по сравнению со штамповками, деформированными как в области р -фазы, так и в области а-фазы.

Табл. 4 - Влияние температуры штамповки титанового сплава ВТ 20 на его свойства.

№ т °с А ШТ5 ^ Напр. выреза образца отн.проката Свойства

о„ МПа 5,% Х|/,% KCU, Дж/см2

1 1100°с вдоль 980 11 28 5

поперек 1000 13 36 5,5

вертикальное 950 12 28 5

2 970 °С вдоль 1070 18 43 6

поперек 1060 17 43 5,4

вертикальное 1080 16 41 6

3 920 °С вдоль 1000 13 42 5,7

поперек 990 14 37 5

вертикальное 970 15 34 4,9

Деформация в температурном интервале существования а-фазы, близкой к температуре полиморфного превращения а—>р, приводит к тому, что явных границ зерен исходной Р-фазы не наблюдается, структура характеризуется пластинчатым строением внутризеренной а-фазы с переходом к глобулярной, т.е. к образованию структуры, связанной с процессами рекристаллизации, коагуляции и глобуляризации.

Таким образом задача повышения мех свойств за счет эффектов фазовых предпревращений сводится к точному определению границ полиморфного превращений конкретных деталей.

Общие выводы по работе

1.Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что АЭ является перспективным методом определения критических точек фазовых превращений, который позволяет быстро детектировать аустенит-ное, перлитное и иные полиморфные превращения непосредственно в обрабатываемой детали в реальном времени практически без ограничений по температурам и скоростям нагрева и охлаждения. Это открывает возможности по созданию рациональных автоматизированных систем управления циклом термической обработки сталей и сплавов.

2. Установлена зависимость между исследованными видами полиморфных превращений и сигналов АЭ. А именно: указанные виды полиморфных превращений сопровождается увеличением активности, мощности и энергии АЭ в среднем на 2-а порядка по сравнению с сигналами до и после превращения. Аустенитное превращение сопровождается резким смещением спектра АЭ сигналов в низкочастотную область. Процессы распада остаточного аустенита при нагреве закалённых образцов вызывают «размытие» АЭ спектра в более широком диапазоне частот. Перлитное превращение сопровождается повышением активности АЭ и исключением из спектра АЭ сигналов низкочастотных составляющих. Полиморфное превращение в титановых сплавах вызывает резкое снижение активности АЭ сигналов.

3. Подтверждено, мощность АЭ представляется более информативным параметром, позволяющим не только определять границы фазовых превращений, но и оценивать тип источников сигналов АЭ (перлитное превращение, мартенситное превращение, термические напряжения, кипение закалочной среды и т.д.) : наибольшая мощность излучается во время закалки; на порядок меньшая — в результате кипения закалочной среды; на 3 порядка меньшая мощность соответствует процессам перлитного и аустенитного превращений.

4. Экспериментально доказано, что спектры АЭ сигналов от различных физических источников имеют характерные особенности : самый низкочастотный спектр характерен для АЭ сигналов, излучаемых кипением воды (максимум спектральной плотности сосредоточен вблизи частоты 50 кГц); процессы, возникающие в результате действия термических напряжений 1-го рода, генерируют АЭ с максимум спектральной плотности вблизи частоты 250 кГц; процессы прямого перлитного превращения сопровождаются АЭ с максимумом спектральной плотности вблизи частоты 420 кГц; во время мартенситного превращения излучаются АЭ сигналы с

максимумом спектральной плотности вблизи частот 500, 300 - 400 и 200 кГц; процессы образования аустенита сопровождаются ЛЭ с максимумом спектральной плотности в диапазоне частот 520 - 620 кГц. При этом спектры АЭ сигналов определяются не только видом термической обработки, но и маркой материала и режимом термообработки.

5. Температура нагрева под закалку оказывает значительное влияние на структуру и свойства сталей. Так изменение температуры нагрева под закалку стали 30ХГСА с 800°С до 930°С приводит к изменению механических изменений харакгеристик до 50 %. При этом наилучшие показатели прочности и пластичности достигаются с при закалке с температуры на 20 С превышающей точку Ас3.

6. Температурно-временные условия изотермической выдержки во время изотермической закалки быстрорежущей стали PI 8 оказывают значительное влияние на структуру и свойства материала. Так закалка с границей бейнитного превращения позволяет повысить прочность на 40%, твердость на 10%, вязкость разрушения, что в результате повышает ресурс режущего инструмента до 67% по сравнению с режимами термической обработки, регламентированных стандартами.

7. Эффективность горячей листовой штамповки титановых сплавов в значительной степени зависит от приближения температуры нагрева и температуры полиморфного превращения. Максимальный эффект достигается при совпадении указанных температур , при этом прочность повышается до 10 %, пластичность до 30%, ударная вязкость до 10%, по сравнению с режимами термической обработки, регламентированных стандартами.

8. Результаты работы прошли апробацию и практически применены в учебном процессе на кафедрах ТСП, МиТНМ, в ФГБОУВПО «КнАГТУ» и в производстве на ООО «Регионстрой» и ЗАО «ЭКСПО».

Основные положения диссертации опубликованы:

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Муравьев В.И. Применение метода акустической эмиссии для исследования кинетики распада переохлаждённого аустенита в стали 5 /В.И.Муравьёв, В.А.Ким, А.В.Фролов, О.В. Башков, A.B. Кириков// Заводская лаборатория. Диагностика материалов, № 1, 2010. - с. 33 - 36.

2. Кириков A.B. Особенности акустической эмиссии во время фазовых превращений в сталях / А.В.Кириков, В.И. Муравьев, A.B. Фролов и др. // Вопросы материаловедения, № 1, 2010. - с. 5 - 15.

3. Муравьев В.И. Влияние структурных изменений в стали 30ХГСА во время её нагрева на параметры сигналов акустической эмиссии / В.И. Муравьев, A.B. Фролов, А.В.Кириков, Э.А.Дмитриев, О.В. Башков, Д.А. Соколов // Материаловедение, № 1, 2011. - с. 43 - 49.

4. Кириков A.B. О сигналах акустической эмиссии, излучаемой конструкционными углеродистыми сталями во время их термической обработки / A.B. Кириков, В.И.Муравьёв, В.А.Ким, А.В.Фролов, A.A. Ев-стигнееев//Технология металлов № 10, 2011. - с. 24 - 32 .

5. Муравьев В.И. Влияние аустенитного предпревращения на формирование дефектной наноструктуры и свойства стали ЗОХГСА / В.И. Муравьев, A.B. Фролов, О.В. Башков, А.В.Кириков, A.M. Мартынюк // Металлургия машиностроения № 1, 2012. - с. 32 - 36.

6. Муравьёв В.И. О резервах традиционных технологий термической обработки сталей на пути повышения эксплуатационных свойств изделий. /А.В.Кириков, В.А.Ким, A.B. Фролов, А.М. Мартынюк // Заготовительные производства в машиностроении № 2. 2012.- с. 39-43.

7. Кириков A.B. Использование эффектов аустенитного предпревращения и превращения при термической обработке конструкционных сталей. / В.И. Муравьёв, A.B. Фролов, A.M. Мартынюк //Вопросы материаловедения. № 3.2012. с. 7-14.

8. Муравьёв В.И. Влияние фазовых превращений на субструктуру и свойства среднелегированных сталей. / А.В.Кириков, A.B. Фролов, A.M. Мартынюк, Zhao Litao// Металлургия машиностроения. № 2. 2012. с. 5-9.

Патенты на изобретения

9. Муравьёв В.И. Способ определения критической точки начала аустенитного превращения в сталях / В.И.Муравьёв, А.В.Фролов, A.B. Кириков и др.// Патент на изобретение №RU 24822472 С1 от 10.05.2013.

10. Муравьёв В.И. Устройство для горячей штамповки деталей из титановых сплавов с электроконтактным нагревом и анализом сигналов акустической эмиссии / В.И.Муравьёв, А.В.Фролов, Т.И. Башкова, A.B. Кириков и др.// Патент на полезную модель №RU 126272 U1 от 27.03.2013.

В материалах международных и всероссийских научно-технических конференций и симпозиумов

11. Кириков A.B. Применение метода акустической эмиссии для исследования фазовых превращений в сталях / A.B. Кириков ,В.И.Муравьёв,

A.В.Фролов, и др. // «Современные техника и технологии». - Т. 2. - Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2009. — с. 141 — 142.

12. Муравьев В.И. Влияние магнитной обработки на эксплуатационные характеристики режущего инструмента из стали Р6М5 /

B.И.Муравьёв, A.B. Кириков, А.В.Фролов // «Инновационные технологии в Машино- и приборостроении». - Омск: ОмГПУ, 2010. - с. 166 - 168.

13. Muravjov V.l. Influence of phase transformations on substructure and property of intermediate-alloy steel / V.I.Muravjov, A.M.Martinjuk, A.V.Kirikov, Zhao Litao, A.V.Frolov.// Modern materials science and nano-technology. V. 1 - Komsomolsk-on-Amur: Komsomolsk-on-Amur State Technical University, 2010. - p. 382 - 389.

14. Kirikov A.V. The influence of austenite transformations on acoustic emission signals spectrum / A.V.Kirikov, V.I.Muravjov, V.A. Kim, A.V.Frolov, and other.// Modern materials and technologies 2011- Khabarovsk: Pacific National University, 2011. -p. 187 - 190.

15. Муравьев В.И. Формирование оптимальной нанодефектной структуры сталей с помощью эффектов фазовых предпревращений и превращений. /A.B. Кириков,А.В. Фролов// Сборник тезисов и аннотаций научных докладов XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология -2012»,- Москва-Орел: Издательский дом «Спектр», 2012 - с.285-287..

16. Kirikov A.V. The steel mechanical properties optimization by phase transformation phenomena and acoustic emission method. / V.I.Muravyev,

A.V.Frolov, A.M.Martinuk // Proceedings of the 1st international academic conference. - St.Louis: Publishing house "Science and innovation center", 2012. -p. 332-337.

17. Муравьев В.И. О зависимости эксплуатационных характеристик изделий из сплава ОТ-4 от технологии раскроя листовых заготовок /

B.И.Муравьёв, A.B. Кириков // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения». - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - с. 117 - 120.

18. Кириков A.B. Влияние режимов нагрева при повторной закалке стали 30ХГСА на её структуру и механические свойства / А.В.Кириков, В.И.Муравьёв, А.В.Фролов А.М.Мартынюк, // В сб. трудов третьей всероссийской конференции молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России». - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010. - с. 128 - 129.

19. Муравьёв В.И. Управление свойствами среднелегированных сталей наноформированием их дефектной структуры в интервале аустенитно-го предпревращения с использованием метода акустической эмиссии // ВЛ.Муравьёв, А.В.Фролов, А.В.Кириков. - В сб. материалов XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы». - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос.техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012.- с. 58-59.

20. Муравьев В.И. Акустическая эмиссия во время фазовых превращений в конструкционных сплавах / В.И.Муравьёв, А.В.Кириков, Д.А.Соколов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010». - М.: ИЦ МАТИ, 2010. -с. 69-70.

В других изданиях

21. Муравьев В.И. Управление дефектной наноструктурой стали Р18 с помощью изотермической закалки / В.И.Муравьёв, A.B. Кириков, А.В.Фролов и др.//«Теория и практика механической и электрофизической

обработки материалов». Материалы научно-технической конференции; -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - с. 163 - 169.

22. Кириков A.B. Об особенностях акустической эмиссии во время фазовых превращений в конструкционной стали 5 / A.B. Кириков, В.И.Муравьёв, В.А.Ким, А.В.Фролов // «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов». Материалы научно-технической конференции;- - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - с. 227 - 234.

23. Фролов A.B. Влияние фазовых превращений на параметры сигналов акустической эмиссии / А.В.Фролов, В.И.Муравьёв, А.В.Кириков // Вестник ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» : Вып. 13. ч.1 - Комсомольск-на-Амуре, ГОУВПО КнАГТУ, 2009. - с. 183 - 190.

24. Кириков A.B. Определение границ фазовых превращений во время термической обработки посредством анализа параметров акустической эмиссии для повышения эксплуатационных характеристик конструкций. / А.В.Кириков, А.В.Фролов A.A. Попкова // В сб. трудов Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2011. - с. 226 - 229.

25. Фролов A.B. Обеспечение оптимальных механический свойств сталей наноструктуированием их дефектной структуры в интервале фазовых превращений. / А.В.Фролов, В.И. Муравьев, А.В.Кириков и др. // В сб. трудов Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2011. - с. 233 - 235.

26. Кириков A.B. Исследование влияния традиционной термической обработки на упорядочение структурной неоднородности и свойства стали 30ХГСА / А.В.Кириков, А.В.Фролов. - в сб. материалов 41-ой научно-технической конференции аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов».Ч.1. - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУВПО «КнАГТУ», 2011. - с. 202 - 204.

27. Муравьёв В.И. Влияние фазовых превращений при многократной закалке стали ЗОХГСА на ее структуру и механические свойства. /А.В.Кириков., A.B. Фролов// Сборник материалов 42-й научно-технической конференции аспирантов и студентов.-Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2012,- с.116-118.

Кириков Антон Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАГРЕВЕ II ОХЛАЖДЕНИИ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СВОЙСТВАМИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 05.11.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага 65 г/м2. Ризограф Е2570е. Усл. печ. л. 1,40. Уч.- изд. л. 1,35. Тираж 120 экз. Заказ 25440.

Полиграфическая лаборатория ФГЪОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования « Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СВОЙСТВАМИ.

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

На правах рукописи

Кириков Антон Вячеславович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. проф. Муравьев В.И.

Комсомольск-на-Амуре -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................................................3

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ

КОНТРОЛЯ КРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР...................................................................И

1.1. Основные положения теории фазовых превращений и предпревращений...........11

1.2 Влияния фазовых превращений на свойства сталей и сплавов................................18

1.3 Эффективность существующих методов исследования фазовых превращений...20 1.4. Перспективность использования метода акустической эмиссии для исследования

фазовых превращений........................................................................................................26

1.5 Выводы:.........................................................................................................................48

Глава 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТОВ.........................................50

2.1. Материалы, аппаратура и методика исследования фазовых превращений стали и сплавов при нагреве и охлаждении...................................................................................50

2.2. Аппаратура и методика исследования механических характеристик конструкционных материалов...........................................................................................60

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕКСОЙ ЭМИССИИ ВО ВРЕМЯ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ И СПЛАВАХ....................................64

3.1. Акустическая эмиссии в сталях и сплавах во время нагрева.................................64

3.2. Изменение параметров АЭ при отпуске закаленных сталей...................................80

3.3. Изменение параметров АЭ при охлаждении сталей и сплавов...............................85

3.4 Выводы:.........................................................................................................................95

ГЛАВА 4. УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ СТАЛИ И СПЛАВОВ ПУТЕМ ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ШТАМПОВКИ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ...................................97

4.1. Зависимость свойств сталей от температуры нагрева под закалку........................97

4.2. Зависимость эффективности операций горячей листовой штамповки титановых сплавов от температуры формообразования..................................................................105

4.3. Влияние температурно-временных условий при термической обработке на

свойства быстрорежущих сталей....................................................................................106

4.4 Выводы.........................................................................................................................111

Общие выводы по работе.....................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................................................................................136

Введение

Тенденции развития современного машиностроения выдвигают повышенные требования к массогабаритным показателям конструкций, что в свою очередь обуславливает повышенные требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных материалов. Наиболее важной из которых считается надежность, которая достигается оптимальным сочетание высокой прочности стали, с сохранением достаточной вязкости разрушения.

В соответствии с дислокационной теорией деформации и разрушения дефектная структура стали определяет такие важнейшие механические характеристики, как прочность, пластичность и их производные. Поэтому задача создания оптимальной дефектной структуры сплава является ключевым этапом на пути разработки технологических методов достижения требуемых механических характеристик изделий. Среди технологических приёмов упрочнения сталей без изменения их химического состава наибольшее распространение получили закалка и термомеханическая обработки. Но упрочнение, достигаемое за счёт превращений мартенситного типа, гораздо эффективнее упрочнения при высоких степенях пластической деформации. Кроме того, термическая обработка более устойчива по сравнению с наклёпом. В связи с чем повышение эффективности закалочных технологий представляется перспективным направлением на пути совершенствования машиностроительных технологий. Замена традиционных технологий непрерывной закалки и термического улучшения на многократную закалку с кратковременными выдержками при температуре аустенизации является одним из перспективных путей модернизации технологий термической обработки сталей. Кроме того интенсивная пластическая деформация позволяет только увеличивать плотность дислокаций, в то время как

термическая обработка имеет свойства обратимости, то есть дает возможность управлять плотностью дефектов как в сторону увеличения так и уменьшения, тем самым позволяя формировать оптимальные механические характеристики изделия, требуемые на данном этапе технологического процесса изготовления конструкций.

Применяемый традиционный подход к разработке режимов термической обработки типовых конструкционных сталей практически исчерпал потенциальные возможности оптимизации. Это связано со следующим. ГОСТ на стали определяет требования к химическому составу сталей с допуском до 40% в отношении ряда легирующих элементов, что обуславливает значительное изменение температур критических точек образования и распада аустенита. Поэтому традиционный подход к разработке режимов термической обработки предусматривает определение «с запасом» температуры нагрева, изотермических выдержек, длительности выдержек, скорости нагрева и охлаждения и других параметров. В результате это приводит к созданию структур с «усреднёнными» показателями, значительно отличающимися от требуемых. Так увеличенная температура под закалку и выдержка приводят к увеличению размера зёрен аустенита, увеличенная длительность изотермической выдержки при закалке приводит к частичному бейнитному превращению, в результате длительного отпуска резко снижается прочность материала и т.д. С другой стороны, известно, что вблизи критических точек фазовых превращений наблюдается ряд эффектов, вызванных ослаблением межатомных связей в кристаллической решётке, и проявляющихся в увеличении пластических свойств материала (субкритическая сверхпластичность), в упорядочивании дефектной структуры и т.д., которые можно использовать для повышения эффективности термической обработки. В связи с указанным очевидно, что в перспективных режимах термической обработки сталей необходимо

отказаться от усреднённых или взятых «с запасом» величин и разрабатывать «индивидуальные» режимы для каждой плавки металла, а в идеале - для каждой заготовки. Кроме того, при разработке режимов ТО необходимо активно использовать эффекты, возникающие в интервале фазовых предпревращений.

Ключевым моментом решения задачи разработки оптимальных режимов термической обработки сталей является определение критических точек фазовых переходов. Большинство традиционных методов определения температур фазовых превращений плохо подходят для решения поставленной задачи: магнитометрический метод не работает выше температуры точки Кюри; дюрометрический и структурные методы отличаются высокой трудоёмкостью, ресурсоёмкостью и длительностью исследований, а также не позволяют исследовать кинетику процессов фазовых превращений в реальном времени; дилатометрический метод не позволяет проводить исследования при высоких скоростях нагрева и охлаждения и т.д. В связи с чем заслуживает внимания метод исследования, основанный на анализе сигналов акустической эмиссии (АЭ), излучаемых в процессе термической обработки сталей. Этот метод позволяет проводить исследования в реальном времени в широком диапазоне скоростей нагрева и охлаждения, отличается низкой трудоёмкостью и ресурсоёмкостью. Более того, так как АЭ метод позволяет исследования кинетику фазовых превращений в реальном времени непосредственно в обрабатываемой заготовке, то вместо определения режимов термической обработки, основанного на построении термокинетических диаграмм образования и распада аустенита для образца из обрабатываемого материала, открывается возможность создания автоматической системы управления режимами ТО с обратной связью в виде сигналов АЭ. Очевидно, что такая система будет адаптивной и может быть применена для управления режимами термической

обработки не только сталей с разными химическими составами, но и для заготовок разных форм и размеров, а также для широкого диапазона скоростей нагрева и охлаждения.

Разработкой АЭ метода занимались Кайзер, Скофилд, Данеган, Поллок и др. В России работы по изучению и внедрению АЭ метода принадлежат В.А. Грешникову, Ю.Б. Дроботу, В.И. Иванов, H.A. Семашко, В.М. Финкель, С.Ф. Филоненко, O.A. Бартенев, В.А. Хамитов, и др. До настоящего времени о применении этого метода для исследования кинетики структурных изменений в сталях при нагреве и охлаждении практически не известно. За исключением результатов исследования низкотемпературного термоупругого мартенситного превращения в Ti-Ni сплавах.

Таким образом, актуальность данной работы подтверждается выполнением ее в рамках НИР «Разработка термических и деформационных технологий создание и обработки гетерогенных материалов на основе динамики структурных превращений и компьютерного материаловедения» в рамках гранта по программе «Стратегическое развитие ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» на 2012-2016гг.», 2011-ПР 054, приказ №2280 от 27.07.2012.

Целью диссертационной работы является исследование кинетики процессов на границе раздела гетерогенных структур в сталях и сплавах методом АЭ для комплексного улучшения их эксплуатационных характеристик.

Задачи исследования:

1. Произвести аналитическую оценку существующих методов исследования кинетики процессов, происходящих на границе гетерогенных структур, при нагреве и охлаждении конструкционных материалов.

2. Разработать методику определения возможности исследования процессов, происходящих в конструкционных материалах при нагреве и охлаждении.

3. Выявить параметры в наибольшей степени кореллирующие с процессами аустенитного, перлитного и бейнитного предпревращения.

4. Разработать методику определения точек фазовых переходов по сигналам акустической эмиссии.

Использованные в работе методы исследования сочетают теоретический анализ и физический эксперимент. В теоретических исследованиях применялись методы тории дислокационной теории деформации, фазовых переходов, статистического материаловедения, теоретической физики и статистики. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном оборудовании по разработанной методике.

Объектами исследования являются конструкционные стали и сплавы. Предметами исследования - процессы на границе раздела гетерогенных структур во время полиморфного превращения в сталях и сплавах, связь фазовых превращений с параметрами сигналов АЭ.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Применен метод АЭ для исследования кинетики процессов, происходящих на границе раздела гетерогенных структур (фазовых переходов) в сталях и сплавах, при высоких температурах.

2. Выявлены отличительные особенности АЭ сигналов, излучаемых различными типами структур сталей и сплавов на основании анализа параметров Акустической эмиссии - суммарная энергия, суммарный счёт, активность Акустической эмиссии, мощность Акустической эмиссии.

3. Определены корреляционные связи между длительностью выдержки сталей в условиях фазовых предпревращений и их структурой и свойствами.

Практическая ценность от реализации результатов работы состоит :

1. Спроектирована, изготовлена и использована в исследованиях экспериментальная установка для изучения кинетики фазовых переходов методом АЭ.

2. Предложена методика определения границ фазовых переходов в сталях и сплавах с использованием АЭ метода.

3. Разработаны технологические приемы управления структурными изменениями и свойствами конструкционных сталей с использованием эффектов фазовых предпревращений.

4. Разработанные методики, исследований кинетики фазовых переходов, внедрены в учебный процесс на кафедрах «Материаловедение и технология новых материалов», «Технология сварочного производства» ФГБОУВПО «КнАГТУ».

Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс изготовления стальных конструкций на ООО «Регионстрой», ЗАО «ЭКСПО» и ОАО «ДАЛЬМОСТОСТРОЙ».

5. На основании вышеизложенного основные положения выносимые на защиту:

¡.Закономерности влияния кинетики процессов, происходящих на границе раздела гетерогенных структур, на параметры АЭ сигналов.

2. Методика определения фазовых переходов по параметрам АЭ.

3. Использование закономерностей процессов на границе раздела гетерогенных структур для улучшения механических свойств и надежности конструкционных материалов.

Личный вклад автора: постановка задач исследования, проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ их результатов.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-

на-Амуре, 2009); на международном научно-техническом симпозиуме «Инновационные технологии в Машино- и приборостроении» (Омск, 2010); на International conference on «Modern materials science and nanotechnology» (Komsomolsk-on-Amur, 2010); на International conference on «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2011); на научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009); на всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» ( Новосибирск, 2009); на третьей всероссийской конференции молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2010); на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2010» (Москва, 2010); на Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» ( Комсомольск-на-Амуре, 2011); на 41-ой научно-технической конференции аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов» (Комсомольск-на-Амуре,2011); на XXI уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы» (Магнитогорск, 2012); на международной научно технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России» (Москва, ВИАМ,2012).

По материалам диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе 8 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам паспорта специальности: 2. Установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела

гетерогенных структурах; 6. Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытания и определения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.

и

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

КРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР.

1.1. Основные положения теории фазовых превращений и

предпревращений.

При изменении внешних условий происходит переход вещества из одной фазы в другую. При фазовом переходе скачкообразно изменяется один из физических параметров вещества. Как правило, фазовые переходы происходят при изменении температуры. При фазовом переходе первого рода происходит резкое изменение удельного объёма, внутренней энергии, и других экстенсивных параметров.

Фазовый переход второго рода сопровождается резким изменением теплоемкости, коэффициента термического расширения и других производных вышеуказанных параметров, и происходит при изменении симметрия строения вещества.

В твердом состоянии чистое железо может находиться в двух модификациях: а-железо, с кубической объемноцентированной кристаллической решеткой, и у-железо, с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой . Фазовое состояние определяется температурой, при этом будет существовать та фаза, свободная энергия которой меньше пр