автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование влияния структурных факторов на сопротивление высокотемпературному деформированию биметалла углеродистая сталь + 12Х18Н10Т

На правах рукописи

ДШЕНКО Владимир Филиппович

ШСЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ ДЕФОРМИРОВАН® БИМЕТАЛЛА УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ + 12Х18НЮТ

Специальность: 05.02.01. - Материаловедение /промышленность/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 1995

Работа выполнена на кафедре "Сопротивление материалов" Волгоградского Государственного, технического университета

■ Научннй руководитель - доктор технических наук,

профессор Трыков О.П.

Официальные оппоненты - член-корреспондент

Академии технологических

наук РФ Кукса Л. В.

кандидат "технических наук,

доцент Шморгун В.Г.

Ведущее предприятие: АООТ "Волгоградский стале-

проволочноканатный заьод"

Зап та состоится " 12 " декабря 1995 г. в __ часов

в аудитории 209 на заседании диссертационного совета Д 063.76.03. в Волгоградской Государственном техническом укнвер-чтете по адресу: 400066, г. Волгоград, проспект им. В. И.Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакопиться в библиотеке,Волгоградского Государственного технического университета.

Автореферат разослан " _____ " _____ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.И.Лысак

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ

Несмотря на широкое промышленное применение биметаллов углеродистая сталь + I2XI8HI0T, их сопротивление деформации и пластичность при высоких температурах исследованы недостаточно. Конструкционная прочность биметаллов во многом определяется механическими свойствами и структурным состоянием компонентов, составляющих композицию. Структурное состояние определяется параметрами, отражшдаги основную закономерности накопления пластической деформации и повреждений. Установление взаимосвязи структура и микромеханизмов деформации с макроскопическим! проявлениями свойств металлов и сплавов представляет интерес для решения задачи пластического формоизменения в реальных процессах обработки металлов давлением.

Поверхности раздела, через которые осуществляется деформационное взаимодействие медцу компонента,-.-!, «окно рассматривать как самостоятельный элемент структуры, во шогом определящиЯ .уровень прочностных и пластических свойств биметалла. Знание механизма шкро пластической деформации и разрушения в переходных диффузионных зонах биметаллов позволит расширить зозыохность рационального конструирования биметаллов.

Особый научный и практический интерес представляет случай, когда один из компонентов биметалла при определённых тешературко-сшюеых условиях находится в состоянии структурной нестабильности. Изучение особенностей сопротивления деформированию биметалла и его компонентов в этих условиях актуально по двум причинам: во-первых, оказывается возможным оценить сдерживающее влияние струк-турностабильного коьшонента; во-вторых, позволяет практически реализовать эффект сверхпластцчкости для создания высокоэффективных, экономгааЬс процессов обработки металлов, связанных с формоизме- ■ нением и соединением металлов в твёрдом состоянии.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР по теме:"Исследование конструкционной прочности, механизма разрушения и упрочнения материалов и элементов конструкций" Я Гос. per. 0182.5002135.

Ц5ЛЫЭ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ: установление закономерностей изменения сопротивления деформации и пластичности биметалла углеродистая

сталь + 12X1812 ОТ в зависимости от температурно-силовых условий к стрт>'.т.;р1-:ого сосхолктш ег»,-г.ог.шонентов с определением мехаЕИз-¿.■л- и разрушения на шкро- и микроскопическом уровнях.

. изучен вопрос аномального роста пластичности (свщ-х-

цдастичности) углеродистых сталей при фазовых превращениях с целью практического использования этого эффекта.

НА ЗАЖГУ ВЫ1ЮСЯ1СЯ: расчётно-экспериментальное исследование изо-терт,зпзско£ ползучести шео-и биметаллических материалов с учётом накопления повреждений; особенности высокотемпературной шзсропла-стичзской деформации и разрушения биметалла стая_- 45 + 12ХШШТГ, а такке материалов с диффузионно-насыщенным поверхностным слоем (алитирозанной стали Ст. 3 и 12Х18ЖОТ); исследование сопротивления дезор;.1лД1П1 к пластичности биметалла сталь 45 + 12Х18Н0Т и его коьзюнентов при термоциклжрованки под нагрузкой в интервале те.'/лератур фазовых превращений углеродистой стали; результаты исследования влияния содержания углерода в стали, величины приложенного напряжения, скорости охлаждения на деформацию и скорость . деформации сверхшастичности углеродистых сталей при их деформи- ' ровагаш в процессе охлаждения в 'интервале температур ^-¿-¿к. -превращения и практические рекомендации по упрочнению углеродистых сталей при соответствующей деформации; использование сверхплас-тичвости для заострения концов стального прутка и интенсификации процесса соединения металлов в ~з~рдом состоянии.. НАУЧНАЯ РОи/ЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней впервые:

- установлена взаимосвязь кинетики протекания микропластической деформации материалов с накоплением поврегден~2 в .шх исходя из определяющей роли пластической деформации в процессе разрушения;

- предложены расчётные зависимости дая описания кривой ползучести биметалла сталь 45 + 12л18К1иТ,в изотермических условиях* учитывающие: накопление повреждений в компонентах в процессе деформации; условие совместности деформации слоев; распределение напряжений в слоях биметалла, подчиняющееся принципу аддитивности;

- выявлена определяющая роль стабильности структуры компонентов в сопротивлении деформации и пластичности при высокотемпературном деформировании биметалла сталь 45 + 12Х18НМТ;

- установлены закономерности механизма высокотемпературной мшсро-. ласгаческой деформации и разрушения в переходных зонах биметалла сталь 45 + 12Х18НШГ и материалов с диффузионно-насыщенным поверхностным слоек;

- определены значеггля параметров, характеризующих скорость ползучести схгг? 45 в услсзкях обклюй и аномально ускоренной ползучести; выявлено различие ишет-эш ни-^гииля микроплаотической деформации в' этих услозиях. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Полученные завиоиулста для определения характеристик прочности, пластичности и ползучести биметаллов использованы для прогнозирования за служебных свойств. Знание сопротивления деформации и ■ пластичности металлов при исследованных тешературно-сяловых условиях позволяет гарантировать оптимальные условия совместной пластической дсфоргсацди рознородшж металлов, а снкхение сопротивления; деформации "глероднстой стали при обработке в режиме сверх-пдастичаости позволит повысить качество соединения сталей при сварке в твёрдом состоянии. На основе установленных закономерностей микрошгастяческой дефорг-аща в основных слоях и в переходной зоне биметалла разработаны рекомендации по оптимальному конструированию биметаллов различного назначения.

Результаты исследования сопротивления деформации и пластичности углеродистых сталей в рокюле сверхпластичкостн при фазовых превращениях позволили установить оптжгллыше текшратурно-сило-вые р5~кдг обработки давлением, дать рекомендации по упрочнению стали путём деформации при аустештно-перлитвом превращении, а такие разработать "способ заострения ко;пдов стального пруткд (а.с. В 772642) и устройство для его осуществления (а.с. ¿"807528), внедрённые на Волгоградском сталепроволочно-канатном заводе. АПРСБАЩЯ РАБОТЫ

Основные положения работы докладывались и обсуждались на УП, УШ и Х1У научно-техническом Совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность метачличэскпх (материалов в широком диапазоне температур" (г. Москва, 1976 и 1973 гг., г. Воронок, 1992 г.), постоянно действующем Се;,ал ар о по механика конструкций из композиционных материалов (г. Черноголовка, 1978 г.), областной конференции шлоднх учёных и специалистов (г. Волгоград, 197Э г.), Всесоюзной симпозиуме "Ползучесть в конструкциях" (г. Днепропетровск, 1932 г.), на Межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных :.вторналов з покрытий, повьшаэдих долговечность деталей капш" (г. Волгоград, 1992 г.), а такие на ежегодных научных конференциях Волгоградского' Государственного технического университета.

ПУБЛИК&ЩИ '

По результатам дкосзртаила ояублгковако II пзчглкшс рабо?. получено 2 авторских свзаетольсгЕа на изобретения. СТРУКТУРА К ОБЪЁМ ДИССЕРТАВД

Диссертация состоит кз введения, пяти глаз, еыводоз и содержит 161 страницу машинописного текста, 69'рисунков, 9 таблиц ж список литературных источников из 236 наименовании.

П. СОДЕЕШНЕ РАБОТЫ

Во ВНЗДШИ обосновывается актуальность исследуемой проблем, . формулируется основная цель диссертационной работы и описывается структура диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основе анализа литературных данных рассмотрены существующие метода прогнозирования ползучести штериалов, вопросы накопления повреждений в процессе ползучести, влияние нестационарного температурного воздействия на сопротивление ползучести и пути увеличения сопротивления деформированию.

Кз анализа литературных данных следует, что высокоэффективным методом увеличения конструкционно,! прочности материалов является применение биметаллов. Шкрокол*у практическому применению биметаллов способствуй! эффективные технологии их производства и гарантированное обеспечение служебных характеристик биметаллов, что, в с^оа очередь, требует изучения поведения компонентов в процесс их совместного деформирования в составе биметаллического соединения.

Для расчёта характеристик прочности и пластичности биметаллов применяют- известные уравнения, построенные по правилу сиз си. Соответствие расчётных и экспериментальных данных не всегда поддается удовлетворительным. Поэтому необходимо уточнение теоретических формул л приведение их к виду, удобному для инженерных' расчётов. При этом расчёт характеристик ползучести биметаллов целесообразно проводить не только для установившейся стадии, но и для всей кривой ползучести, вплоть до разрушения.

При производстве биметаллов прокаткой важной для решения технологических задач формоизменения металлов является установление • зависимости скорости деформации от напряжения. Горячая дефорка-шя ло реологическим признакам сходна с процессом ползучести металлов, поэтому хорошо описывается уравнениями феноменологической теории ползучести.

Учет влияния структуры на процессы пластической деформации и разрушения металлов возможен при исиояьзоггнии методов, разработанных Л.М. Качановым и Ю.Н. Работновым. В основу методов положена идея о существовании ряда параметре з (¿ = 1,2... ),с помочью которых учитывается структурное состояние материала. Уравнек;й ■ для описания кинетики изменения структурных параметров не существует, поэтому относительно структуры материала принимают упрощающие приближения.

Влияние структуры на сопротивление деформации и пластичность металлов при высоких температурах можно оценить' посредством изучения "элементов" структуры материала, соизмеримых с размером зерна. Эта задача рассмотрена э целом ряде работ как" для комнатных, так и повыпенных температур. Особенности мияромеханизма деформация и разрушения в переходных зонах, биметалла при различных _ режимах высокотемпературного, воздействия до настоящего времени изучены недостаточно.

Сопротивление деформации и пластичность металлов при нестационарном температурном воздействии нз подчиняется известным зависимостям, что монет быть связано с потерей стабильности структуры, например, при фазовых превращениях. Такое состояние характеризуется низким сопротивлением деформации и высокой пластичностью, что получило название сверхпласткчности при фазовых превращениях - наименее изученной разновидности сверхпластичности. Изучение закономерностей накопления деформации как на макроскопическом уровне, так и по локальным объёмам - "элементам" структуры позволит установить механизм деформации сплава в условиях его структурной нестабильности, рассмотреть и предлолсить варианты практического использования сверхпластичности.

На основании аналитического обзора литературных источников . для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать ползучесть металлов при одноосном изотермическом нагружении с учётом накопления повреждений и получить расчётные зависимости характеристик ползучести и длительной прочности биметалла углеродистая сталь + 12Х18Ш.0Т исходя из свойств

. компонентов.

2. Исследовать закономерности микропластичесхой деформации в основых слоях и в переходной диффузионной зоне биметалла стать 45 + 12Ы8НЮТ и материалов с диффрионно-насыценным позер-

хностнкм слое:.: (агитированных сталей Ст. 3 и 12Х18НЮТ) при изотермической ползучести.

3. Установить влияние тершциклироЕаккя под нагрузкой в интервале температур фазовых превращений углеродистой стали на сопротивление деэорулщш. к пластичность кошонентов биметалла сталь 45 + 12П8Н10Т при раздельном и совместном деформировании.

4. Исследовать закономерности шкропластической деформацш биметалла сталь 45 + 12)11811101 и его компонентов при термоцикли-рованш: под нагрузкой в интервале температур частичного ^ - £ -превращения ехали 45 (730-= ?90°С).

5. Количественно определить величину и скорость деформации сверхпластичности углеродистых сталей в полуцккле охлаадения под нагрузкой в процессе % -»-л -превращения, а такзе температурный интервал проявления сверхгластичности в зависимости от прикохен-

, ного напряжения, скорости охладдения, содераакия углерода в стали.

6. Установить возможность использования сверхпластичкости дай заострения концов стального прутка, упрочнения стали.

7. Экспериментально оценить ренты совместной деформации компонентов биметалла сталь 45 + 12Х18Н10Т для обеспечения равенства сопротивления дефор:лацпи слоев, использования эффекта сверх-кластичности для соединения металлов в твёрдом состоянии.

.Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведена инфорудцпя о материалах исследова-. кия, конструкции и геометрии сиразцоЕ, специализированной оборудовании л методиках испытаний при постоянных и переменных температурах, изучения механизма высокотемпературной деформации.

Основным объектом исследования являлся <5шета«л сталь 45 + 12Х18К10Т и его котягонентн. Для изучения механизма деформации и разрушения в областях, приккказдих к поверхности раздела, дополнительно исследовались материалы с диффузионно-насыщенным поверхностным слоем — актированные стали Ст. 3 и 12Х18НЕ0Т. Сверхпластичность при фазовых превращениях исследовалась на широком круге углеродистых сталей - ог низкоуглеродистых (0,1 /й) до высокоуглеродистых (1,2 ^С).

Образцы для.исследований изготавливались двух типов: с квадратной рабочей частью размерами 3x3 ш и с круглой рабочей ча-' стью диаметром 4 мм. Длина рабочей части образцов обоих типов составляла около 40 к.:. Образцы ииштывалиоь в патентированном и отражённом состояниях. Часть образцов испытывали в нормализованном состоянии. .

Испытания проводили на вакуумной высокотемпературной уста' новке ШАШ-9-вб, оборудованной устройством для измерения и запи-

си деформации по перемощению подвижного захвата установки. Нагрев образцов осуществляли как пря»дцм пропусканием тока через образец, так и радиационным методом посредством г.:ол.'5денового нагревателя.

. Деформацию ползучести в процессе испытания оценивали.с помощью микроскопной системы'установки ШАШ-8-66 как путем измерения базы длиной 2-5 ш ыэзду нанесенными на образец реперпыми точками, так и по изменению поперечных размеров образца. Кроме того, при исследовании ползучести в условиях Р = с-отб деформация образца вплоть до разрушения определялась путём измерения диаметра образца на негативах, полученных в фиксированные моменты времени.

'Постоянство нагрузкл при исследовании ползучести при Р= обеспечивалось конструкцией нагружающего устро£с*ва установки. При исследовании ползучести в условиях 6 = постоянство отнопе-

няя сопч1 ( Р(£) и Р{1)~ нагрузка ла образец и пло-

щадь поперечного сечения образца в момент времени 6 ) обеспечивалось ступенчатым изменением нагрузки с учетом фактической площади поперечного сечения-образца. Величина каздок ступени нагрузки АР при разгрузках соответствовала I % деформации сужения

р и выбиралось по предварительно составленным таблица!.!. Исследование ползучести в условиях циклически изменяющейся температуры (термоциклированко) осуществлялось такге на установке ИЫАШ-9-66 с помощьп специально разработанной приставки, выполненной на базе потенциометра КСП-4, позволяющей осуществлять термо-циклирова!ше автоматически с заданным законом изменения температуры во времени в диапазоне температур 500-1100°С.

Исследование механизма микропластической деформации и разрушения осуществлялось методом реперных точек, позволяющим вести непосредственное наблюдение за развитием пластической деформации * по "элементам" структуры сплава на заранее отмеченных на поверхности образиз участках. Реперные точки с базой 10 и 20 кш наносились на приборе ШГ-3, снабжённом специальным автоматическим приспособленцем для нагружения.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ оценены ошибки определения предела прочности биметаллов углеродистая сталь + 12Х13Щ0Т по упрощённым формулам в зависимости от соотношения характеристик прочности и пластичности компонентов, аналитически исследован процесс ползучести монометаллического материала! изучены особенности ползучести биметалла сталь 45 + 12Х18Н10Т при постоянных и переменных температурах.

Показано,-что при расчёте предела прочности биметалла по уравнению

. отклонение от эксперимента в сторону занижения составляет 5-10. %, а в сторону завышения - 20-25 %. При расчёте по уравнению

6М = И-^) + &„)•* ' (2)

с¿>/

отклонение от эксперимента в сторону занижения достигает 15-205?, а в сторону завышения - 100-120 %. В уравнениях (х) и (2).бп , <3в/ - продел текучестя ш предел прочности 1-го компонента*," предел прочности второго компонента; ¿^ , - равномерная относительная деформация 1-го и 2-го компонентов; Ж - доля 1-го компонента.

Оценка погрешности определения по уравнениям (I) и (2) в сравнении с более точной зависимостью, полученной из анализа процесса деформирования биметалла с учётом условия совместности деформации его компонентов, показала, что величина погрешности зависит от соотношения характеристик прочности и пластичности компонентов. /ЗегС'-еС) -0,2-5,6; ~ 0,2-0,4).

Равномерная деформация биметалла должна определяться из условия экстремальности нагрузки <?Р ¡¿у = 0 (<Рб' /¿V - 0) при у = Б случае близости закона изменения зависимости 6(V) доя компонентов бшазг лла к линейному расчёт равномерной деформации биметалла может быть произведен по правилу смеси.

При определении скорости ползучести металла на ,, становившейся стадии ¿у , обычно представляемой как результат динамического равновесия процесса упрочнения и разупрочнения (возврата), принималось приблияание о неизменности структуры в процессе ползучее- * ти. Тогда при степенном законе зависимости 5„ (&) и постоянной . температуре тлеем

Лу - А-&" ' . (3)

Уравнение для расчёта скорости установившейся ползучести биметалла получали используя принцип аддитивности напряжений = с учетом условия совместности деформации слоев, обеспечиваемого равенством деформаций ¿^ = - и скоростей де;;->рмаций <?>«. = ¿¿^ = в любой момент дефордщрования. Проверка соответствия расчётных и экспериментальных данных дая биметалла сталь 45 + 12Х18НШГ, испытанного при Т = 700°С, Р = соп$-6 по-

казала занижение расчетных значений на 25-30

Для построения кривой ползучести биметалла необходимо аналитическое описание процесса ползучести монометаллического материала. Для решения этой задачи исходили из следующего. Согласно закону упрочнения при постоянных напряжениях скорость ползучести должна затухать приближаясь к некоторой постоянной величине (кривая I на рис. I), Однако, в процессе"ползучести наряду с упрочнением материала происходит его разупрочнение, основной причиной которого является образование и развитие микрогрещин. В связи с этим действительная кривая ползучести для процесса, заканчивающегося разрушением, долана соответствовать кривой 2 на рис. I. Расхождение меяду кривьп I и 2 обусловлено разупрочнением штериала • • вследствие накопления повреждений в процессе ползучести.

Рассматривая ползучесть как результат одновременного протекания процессов упрочнения и разупрочнения, принимали число структурных параметров I = 2. Принимая за меру упрочнения 5г величину деформации ползучести ё , а за меру разупрочнения 2г - повреж-дённость образца 63 , уравнение состояния записывали в виде

ё '/V т, 6, о)) . (4)

Возникновение и развитие югкроповревдений, уменьшая фактическую площадь сечения, приводит к росту напряжений, действующих в поперечном сечении образца по закону = & /{/-¿¿) , где & -напряжение, являющееся постоянным-с учётом фактических размеров поперечного сечения.

Полагая, что количество мшсроповрездений, накопившихся в процессе ползучести при прочих равных условиях (структура и предыстория материала, температура и среда испытания), зависит от величины накопленной деформации 6 и времени -Ь , в .течение которого эта деформация накапливалась <У = = Р(&, = (&)'/2 , функции £ и /2 являются степенными, а упрочнение представляется в виде 5/ = <§ » ПРИ степенном законе зависимости £ (б) уравнение (4) в условиях изотермической ползучести запишется как:

-Ж'••«• :

Коэффициенты -О , л и Л уравнения (5) получали путём обработки начальных участков, а коэффициенты В , 2- и X - всей кривой ползучести, вплоть до разрушения. ■ .

. Выявлено хорошее совпадение расчётных и экспериментальных

данных при применении уравнения (5) для описания как собственных, так к полученных другие исследователями кривых ползучести коио-коташ:ческах .татерпалов. Наблядаеше расхогхденкя по скоростям установившейся-ползучести не превышают а по долговечности --15 % м могут быть отнесены за счёт естественного разброса ошгг-нкх данных, характерного для испытания на ползучесть.

Уравнение, о-чсывахщеа' кривую ползучести биметалла, получали с учётом условий, используезде при определении скорости уста-новивлейея ползучести биметалла. Экспериментальна кривые ползучести биметалла стань 45 + 12Х18Н10Г л его колшоьектов при Т=700°С показаны на рис. 2 сплошшми линиями , а расчётные - пунктирными. 3начеши скоростей установившейся ползучести биметалла, полученных при обработке расчётных кривых ползучести, леаат нике экспериментальных значений. Наблюдаемое расхождение расчётных к экспериментальных данных объясняется влиянием приграничных "дефектных" зон биметалла, наличие которых приводит к перераспределении напряжений, не учитываемому правилом смеси.

Установлено, что ползучесть стали 45 при циклическом изменении тошгаратуры в диапазоне 730 ^ 730°С, т.е. в пределах двухфазной области (еС + jf ) для зхой стали, приводит к накоплению допол-лштельной, аномальной, деформации ползучести углеродистой стали. Во всех случаях выполняется услоспе ¿TLS /¿п > I, где <?r<f - скорость установившейся ползучест;: л^л тергоцшишрованиигй',, - расчётная с эрость установившейся ползучести, определяемая по уравнению гипотезы трансформированного времени. _ „

Для стали 1ШЖ10Т выполняется условие ёт¿.t ^ I, что говорит с нечувствительности стали к колебаниям температуры.

Ускорение ползучести стали 45 связывается со структурной нестабильностью стели, обусловленной фазовыми превращениями, что подтверждается дилатометрическими исследованиями. сталей 45 и , I2XI8HI0T.

Закономерности ползучести стали 45 и биметалла сталь 45 + I2H8HL0T при исследованном тешературнок режиме подобны, однако, слой стали I2XI8H3QT оказывает сдердкваэдее влияние на ползучесть биметалла (отношение ¿-ruj¿„ для биметалла во всех исследованных случаях низе, чем для стали 45).

Обосновано определение скорости аномальной ползучести разности ¿м ~ ¿г* - ¿„ . Для стали 45 функция хорошо

описывается, как и в случае обычной тюлзучести, степенны:/! законом. Однако, значения показателя "п характеризующего чувствитель-

кость скорости ползучести к изменению напряжений, различны. Для случая обычной ползучести п =4,4 , для аноглльной ползучести п =1,36. Максимальная скорость дефорг/лцин, при которой еще обеспечивается кинетическое соответствие процесса пластической деформации и диффузионных процессов, определяется как ордината точки пересечения кривых зависит,оси: ¿, = для обычной и аномальной ползучести и составляет для исследованных условий <5 = 1,66 »КГ® с , что несколько ниже приеденных в литературе скоростей, составлявших 6 «Ю-5 - 2 «Ю-4 с-1.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследовано влияние структурных параметров £ и СО на сопротивление высокотемпературному дефор.'лировангзз биметалла углеродистая сталь + 12Х.18НЮТ посредством изучения механизма накопления ¡.аксопластической деформации и разрушения в ос-нов'ых слоях и вблизи поверхности раздана биметалла сталь 45 + 12Х18Н10Т и алитированных сталей Ст. 3 и 12П8Н10Т при постоянных я переменных те;лпэратурах. Влияние структурных параметров 5 и £Х) оценивалось с поши\ьк> структуркочувсТЕИтельнЕх параметров: козфт фициента концентрации деформации в шкроинтерзале сИ = ёг / <5 ; коэффициента вариации шкродеформлцпй (5£ -&У~/ег Сл-7) I

параметра стабильности ¡ллкропласетческоЗ деформации Рс = I - п'*/п зкладз :.етз1!решюй деформации в обцуда деаормащга Лг - ¿Г£>г /¿¿± В приведенных фор.мулах Ь1 - относительная деформация михроингерза-ла; £ 1п - средняя макроскопическая деформация;/!^- 200 .

- число измеренных шжроинтерЕшшз; п*- число гликроютервадов, в которых на выбранной ступени деформацта произошла смена деформации с локально повышенной №¿>1) на локально.пониженную или наоборот по сравнению с предыдущей ступенью деформации; ¿¿'г-суг.1марная продольная деформация п кккроинтарваяов; ~ сук/арная деформация пг ыикроинтерватов, включающих границы зерен.

Установлено, что накопление деформации в компонентах бимэтал-ла сталь 45 + 12Х18Н10Т при одноосной изотермической ползучести (Т-7С0°С) при деформировании раздельно и в составе композиции происходит в условиях стабильной микропластической деформация (параметр 0,95). Уровень неоднородности микропластической деформации,- оцениваемый с помощью коэффициента вариации ^ , на последующих ступенях деформации (б = 4,8,12 и 20 %) изменяется незначительно ( = 0,23-0,29 для стати 12Х18Ш0Т и ¿г = 0,340,35 для стали 45). Более низкоэ значение для стали 12Х18Н10Т объясняется её однофазной структурой. .

Отклонение микропластической деформации компонентов биметая-

да от"идеаш;о" стабильной с увеличением степени деформации (без слоны депортации в кпкроинтервалах с локально повышенной на локально пошяеннуа и наоборот) характеризуется изменением (уменьшением) величины коэффициента регрессии у в уравнении линейной регрессии : л;=/ ., тдесС^^., и ¿¿^ - коэффициенты концентрации деформации в мккроинтервалах на последовательных ступенях деформации. Наблвдаедае объясняется частичным перераспределением мккродеформацяй в процессе ползучести и является результатом пластической деформации, сопрозовдавдейся возникновением зародышевых кикротрещин, обеспечивающих релаксацию упругих микронапрякений.

Превалирующим процессом в механизме мккропластической деформации биметалла сталь 45 + 12Х18НХ0Т при Т = 700°С является упрочнение по "слабый" ыикрообъёмам. При этом интенсивность упрочнения и накопления повреждений в слое стали 12И8НГ0Т выше, чем в .слое .стали 45. Идентичность изменения параметров, характеризующих упрочнение и поврездёшюсть материала, в зависимости от степени деформации исследованных материалов подтверждает действие при . ползучести двух взаимосвязанных процессов - упрочнения и разупрочнения.

Некоторое снижение устойчивости закрепления деформации в ш~ .кроинтервалах переходной зоны биметалла сталь 45 + 12Х18Н10Т ш сравнению с осяогашми слоями объясняется различными условиями меа-зёренного' проскальзывания в этих з^нах по сразнешш с основными слоями (Р^ = 0,83-0,86),

Более такое значение уровня неоднородности микропластической деформации в основных слоях патентированного Зим .'аллического образца по сравнению с переходной зоной (рис. За) объясняется их . более однородной структурой, в результате патенткроваюш - сорбит стали 45 и мелкозернистая, без следов полосчатости, стали 12Х18ЩШ Установлено более чем двухкратное повышение значений ^ в-наутле-роженной зоне и основных слоях отокнёшого биметаллического образца (рис. 36) по сравнению с патоптированным. Уровень неоднородности деформации -отояасёнкого биметаллического образца определяется вкладом ьюазёренной деформации.

Установлено, что образование мнкрогрещин в переходной зоне ■ биметаллического образца связано с повышением уровня неоднородности микропластической деформации, что приводит к концентрации упругих шкронацрягений, релаксация которых за счёт пластической деформации у границы раздела слоев затруднена в связи с градиентом прочностных свойств слоев, возрастающим в процессе высокотем-

пературкой деформации. Барьером для развития микротрещин служит как граница раздела слоем, так и области с более гг.зким уровнем неоднородности микропластической деформации.

Повышение сопротивления высокотемпературному деформированию биметалла достигается, при прочих разных условиях, сшскением уровня неоднородности никропластической деформации в переходной доне и в основном слое.

Общепринятое положение об упрочнении металла за счёт кноке-ственного скольжения у границ зерен подтверждается минимальным значением уровня неоднородности микропяастической деформации вблизи границы диффузионного слоя образцов из алитированных сталей Ст. 3 и 12П6НЮТ. Дад атитированной стали 12Х13Н10Т роль упрочнения усиливается за счёт барьерного эффекта, связанного с градиентом прочностных свойств у поверхности раздела. Сникзние уровня неоднородности микроиластической деформации в алитированных статях Ст. 3 и 12Х18НЮТ с повышением температура испытания до Ю00°С повышает их пластичность.

- Установлено сниаение стабильности микроиластической деформации стали 45 в процессе ползучести при 790°С и термоцихдирозаняи при 730^ 790°С, выражающееся в смене областей с локально повышенной и локально уменьшенной деформацией (Рс = 0,4-0,5). Накопление деформации стала 45 осуществляется в условиях нестабильной микро-' пластической деформацией, обусловленной фазовыми превращениями. Для стали 12Х1ВЩ.0Т значете параметра Рс близко к единице (Рс= 0,86-0,9).

Меньшее значение уровня неоднородности мпкропластической деформации в случае испытания при термоцнклировачии 730 ^730°С свидетельствует о более однородном распределении деформации по объёму образца; большее его значение в случае испытаний при 790°С объясняется разной пластичностью ¿с и у фаз.

Более однородная деформация при термоциклировании приводит к более однородному упрочнении микрообъёмов, чем при Т = 790°С. Упрочнение зон по границам, меяду зёрнами в случае термоциклирования снимается в результате меззорешюго проскальзывания, а сплошность деформированного металла сохраняется за счёт процессов аккомодация.

Увеличение общей пластичности углеродистых сталей в случае структурной нестабильности достигается, с одной стороны, более полным прохождением деформации по объёму материала в связи с перебросом очагов деформации, а с другой стороны - более однородным

распределением деформации по микроучасткам стали.

Установлена идентичность шханизгав микропластической деформации компонентов биметрлла сталь 45 + 12И8НШГ деформируелзгх раздельно и в составе биметалла. Нестабильность ыикродластичес-кой деформации стали 45 при циклическом изменении температуры. приводит к вынужденному уменьшению параметра Рс в переходной зоне биметалла до Рс = 0,53-0,55, что повышает однородность деформации в переходной зоне. Значения , характеризующие уровень неоднородности деформации в переходной зоне биметалла при циклическом изменении температуры 730^ 790°С располагается ¿:енду соответствующими значениями для граничных температур цикла, что указывает на отсутствие необратимых изменений свойств переходной зоны при исследованном режиме термического воздействия.

В ПЯТО^ ГЛАВЕ, установлены характеристики сопротивления деформации и пластичности углеродистых сталей в процессе охлаждения под нагрузкой с прохождением интервала температур ¿^-превращения, а такяе температурные штервалы проявления эффекта сверх- пластичности. Предложен способ упрочнения углеродистых сталей, а такяе способы фордаобразования, связанные с использованием эффекта сверхпластичностй.

Деформация углеродистых сталей (с содержанием углерода от ОД до 1,05?) в процессе охлаждения в интервале температур -

превращения характеризуется хилзлением отадаи уменьшенного сопро-тизлени деформации, что выражается в увеличении скорости деформации при снижающейся температуре. Получено уравнение зависимости деформации сьерхпластичности 6 от растягивающею напряжения б' и содержания углерода в стали С

а - мг- в"' , (6)

где постошшые = 0,02; а- = 1,23; п, = 1,7. Уравнение (6) позволяет для конкретных сталей назначать требуемую величину нагрузки для достияения заданной степени удлинения.

Установлена независимость величины деформации сверхпластичности от скорости охлаждения, указывающая, что определяющую роль в сверхпластичности при фазовых превращениях играет не размер зерна а нестабильность структуры. Возрастание скорости деформации с увеличением скорости охлаждения (скорости превращения) указывает на интенсификацию процесса, что является важным при проведении операций, связанных с форшобразованием металла.

Определены температурные интервалы проявления эффекта сверх-

пластичности при фазовом -превращении (рис. 4). С увели-

чешем напряжения температурный шпервач расширяется, увеличение содержания углерода приводит к его суже^т. Для высокоуглеродистых сталей основную роль в деформации сверхпластичности играет аустенитно-перлитное превращение.

Установлено повышение предела прочности стали У8 на 20-25$ путём деформации при аустештно-перлитном превращении по сравнении с пределом прочности патентировакной стали.

Предлагается способ заострения концов стального прутка, согласно которому растяжение стального прутка осуществляется в процессе охлаждения от температуря А^+ЗСЯС (7о0-900°С) с прохождением интервала температур аустенитно-перлитного превращения. Процесс заострения характеризуется резким возрастанием доли равномерной деформации (вклад сверхпластичности) по сравнению с сосредоточенной деформацией (вклад ползучести).

Достижение равенства сопротивления деформации совместно обрабатываемых металлов подбором оптимальных реаиков деформирования (температуры и скорости деформации) исключает послойную неравномерность деформации при обработке давлением. Использование сверхпластичности углеродистых сталей увеличивает прочность и улучшает качество соединения слоев биметалла углеродистая сталь + 12Х18Н10Г, а также значительно интенсифицирует процесс соединения металлов в твердом состоянии.

ОЩИЕ ВЫВОДЫ

I. На основе анализа существующих представлений о закономерностях сопротивления деформации, пластичности и методах их расчёта при высокотемпературном деформировании металлов доказано, что плакирование углеродистых и низколегированных сталей высоколегированными сталями является эффективным способом повышения - конструкционной прочности материалов. Для прогнозирования характеристик ползучести и длительной прочности в качестве структурного параметра принята повреждённость материала, учитывающая микротрещины и поры, накопившиеся в процессе высокотемпературной деформации. Ответственным за возникновение поврезде-ний является неоднородный характер деформации по микроскопически малым областям, соизмеримым с размером зерна. Механизм и характер развития шкропластической деформации с учётом структурного фактора в моно- и биметаллах, особенно при высоких температурах, остается недостаточно изученным.

2. Разработана методика проведения испытания на ползучесть при постоянных напряжениях & = сот-с ц постоянных нагрузках Р = сагц-£ , оценки деформации аномальной ползучести при гер--моцЕклкроЕании под нагрузкой. Усовершенствована высокотемпературная вакуумная установка ИМАЩ-9-66 с целью измерения и записи происходящих во времени деформаций и напряжений, а такяэ

автоматического изменения температуры по заданному закону. , Разработана методика измерения деформаций на поверхности моно-и биметаллических образцов на предельно мал!™ базах (до 10-20 мкм). .Закономерности микропластической 'деформаций изучались с помецы) струхтурночувствительннх параметров: интенсивности ло-* калышх деформаций оС/ , вклада меазёренной деформации Л-г, коэффициента вариации (изменчивости) мккродеформацкй и параметра деформационной стабильности ?с.

3. Получены расчётные зависимости, описывающие процесс ползучести биметалла исходя из известных кривых ползучести компонентов. Для описания кривой ползучести монометаллического материала -достаточно двух структурных параметров - деформации ¿Г и пов-релщённости со . Количество ьнкроповреждений, накопившихся в процессе ползучести, при прочих равных условиях зависит от величины накопленной деформации <5 и времени £ , в течение которого эта деформация накапливалась. Использование полной криЕО-з ползучести исследуемого материала позволяет определить скоА ^сть установившейся ползучести, либо деформацию, накопившуюся в течение заданного времени, либо время накоплена заданной деформации. Проверка соответствия расчетных и экспериментальных данных на кривых ползучести сталей 45, 12Х18НЮТ, ЭЙ437Б и ЭП44 показала расхождение характеристик ползучести в 5-15$. Проверка расчётных зависимостей на биметалле сталь 45 + 12Х18Н10Т в условиях Р и Т = 700°С показала, что расчёт даёт заниженное значение скорости установившейся ползучести и завышенное - долговечности. Наблюдаемое расхождение составляет 25-30$ и связывается с влиянием приграничных "дефектных" зон биметалла, наличие которых приводит к перераспределению напряжений, не учитываемому правилом смеси.

4. Накопление деформации компонентов биметалла сталь 45 + 12П8НЮ1 при изотермической одноосной ползучести (Т = 700°С) происходит

в условиях стабильной кикропластической деформации, выранаю-цейся в закреплении областей с локально уменьшенной и локально повышенной деформацией (Рс^ 0,95), что характерно как для сов-

костного, так з дел раздельного деформирования компонентов. Установлена корреляционная связь межцу шг-ексивностями микродеформаций в компонентах бздагздла на последовательных ступе-,нях деформации (до ¿7 = 20$). Наблюдаемое с ростом деформации отклонение кияронеоднородного деформирования от "идеально" стабильного объясняется частичным перераспределением шкродеформа-ций в процессе ползучести (без смены деформации в областях с локально повышенной на локально пониженную и наоборот), что связывается с возникновением и развитием микротрещин, приводящих к релаксация упругих микронапряяелай. Превалирующим процессом в механизма мккропластической деформации компонентов биметалла сталь 45 +• 12X7 "ВДОТ в случае ползучести при ?00°С является упрочнение по "слабым" микрообъёмаы; при этом для стали 12Х181П0Т интенсивность упрочнения вкщо, чем для стали 45.

5. Ускорение ползучести стали 45 при теркоцдклироваиии шд нагрузкой в интервале температур фазовых превращений объясняется структурной нестабильностью стали. Накопление деформации в микрообъёмах стали 45 при неизотерккческоЗ. одноосной ползучести (730^Г790°С) происходит при действии механизма нестабильной микрогшастцческой деформации, выражающегося в смене деформация в микрообластях с локально повышенной на локально уменьшенную и наоборот (Рс = 0,4). Корреляционная связь ыевду интенсивнос-гяш деформации микрообьёмов на последовательных ступенях де- . формации отсутствует. Структуряостабильная в этих условиях сталь 12Х18Н10Т оказывает сдерживающее влияние на ползучесть биметалла сталь<>45 + 12Х18Н10Т.

6. Поверхности раздела с прилегающая к ним переходам,и зонами следует рассматривать как самостоятельный элемент структуры, определяющий уровень служебных свойств композиции. Уровень микронеоднородности деформации з переходной зоне не должен быть выше, чем в переходных слоях. Для повыиения механических свойств биметаллических изделий и обеспечения оптимального деформационного взаимодействия компонентов необходима реализация минимального уровня' неоднородности мккроиластяческой деформации

(например при исследования микрообъбков с базой измерения 20 мкм = 0,5)в шж при сохранении стабильности структуры, что достигается патектпрозанием биметалла сталь 45 + 12Х18НЮТ. Более прочный компонент при раздельном деформировании должен обладать более низким уровнем неоднородности деформации.

7. Охлаждению "под нагрузкой образцов из углеродистых сталей в диа-

пазопе температур ~ превращения соответствует стация

уиеныаешого сопротивления деформации, что выразяотся * увеличении скорости дефорулцкк с Еоиияеш&а - т ежзратурн. Реализация большое деформаций при низком сопротивлении деформации (сверхпластичность) является практически ваяной для всех операций, связанных с формоизменением. Практическое использование сверх-пластичыости позволяет значительно "»штенсифлцировать процесс соединения металлов, а выполнение условия равенства сопротивления деформации разнородных металлов - исключить послойнуа неравномерность при прокатке;

8. Разработанный процесс повш!енкя прочности стали путем дефоргл- ' цки при аустенитгю-перлиткои превращении рекомендован для про-мюменпого использования при прокатке и однократной волочении ■ стальных изделий. Разработаны к внедрены на Волгоградское ста-лепроволочно-канатно.м зазодо способ и устройство дая заострения, концов стального прутка (а.с. i.'i' 772642, 80753S), преду с:.'л-трквакдле реализацию явления сверхпластичности углеродистых сталей. Техническое задание и акт внедрения на выполненные разработки прилагаются к диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Гохберг H.A., Гурьев A.B., Даненко В.Ф. О расчете предела прочности композиционных материалов/Доташговедение и прочность материалов: Тр. Волгоград, политехн. ин-та. - Волгоград, 1975.-Выл.7.-С ,17-22.

2. Гохберг Я.А., Доненко В.Ф. Приставка для тер^оцшелировакия к установке ШАШ~9-66//Заводская лаборатория.-1976.-Т.42.-Ж0.-

* С.1268-1269.

3. Гохберг Я.А., Даненко В.Ф. О деформации ползучести слойнкх композиционных иатериалов/Д1еталлозедение и прочность катериалов: Тр. Волгоград, политехн. кя-та.-Волгоград, 1977.-Вып.8.-С.46-53. • -

4. Гохберг H.A., Даненко В.Ф., Эпштейна С.М. Ползучесть компози-

. цконного материала в связи со свойства;,я его' компонентов// Се-¿ашар'по механике композитов с металлической матрицей: Тез. докл.(Черноголовка, 25-27 января 1978 г.) .-М., 1978 .-0.17-18.

5. Гохберг Я.А. Данешсо В.Ф. О механизме ползучести углеродистой стали при нестационарной ташератуйром воздействие/Структура

и прочность металлических материалов в широком диапазоне температур: Тсз,зя1а. 8-го "ауча.-твхн. сов. по тепл. микроскос. л-ет.. матер.-М., 1978.-С.43-44.

6. Гохберг Я.А., Даненко В.Ф., Шолохова Н.В. 0 механизме внссготем-пературной деформации и разрушения материала с диффузионно-насыщенным поверхностны.'.: слое!,-//Структура и прочность металлических материалов в стирок см диапазоне температур: Тез.докл.8-го ааучн.техн.сов.ш тепл. микроскоп. мет. матер.-М., 1978.-С.70-

,71.

7. Даненко В.Ф.' 0 построении кривой ползучести композиционного материала по известным характеристикам ссставлявдих//йовые материалы, конструкции, технологические процессы: Материалы областной научн. кокф. молодых ученых и специалистов.-Волгоград, 1979 .-С.6.

8. А.о. 7726-12 СССР, МКИ В 21 с 5/00 Способ заострения концов стального прутка/Гурьев A.B., Гохберг Я.А., Даненко 2.0. и др. (CCCP).-I с.

Э. A.c. 807538 СССР, I.TOI В 21 с 5/00 Автомат дая острения концов прозолоки/Гохберг P.O., Копытцев 3JI., Гохберг Я.А., Даненко В.Ф. и др. (СССР).-2 с.

Ю.Гохберг Я.А., Даненко В.Ф. Ползучесть композиционного материала в связи со свойствами его кошонектов//Проблеш прочности.-1981.-J£6.-С .64-68.

11.Гохберг Я.А., Даненко В.Ф. Ползучесть композиционного материала при нестационарных тешературах//11олзучесть в конструкциях:

'Тез.докл. Всесоюз.сшшоз.-Днепропетровск, IS82.-С.203-204.

12.Гохберг Я.А., Даненко В.Ф. Особенности накопления повреждений в структурно-неоднородных материалах при ползучести//Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов: Сб.тез. докл. и программа обьедин. заседания 14-й конф. по тепловой микроскопии и 3-й- школн-сешша-ра 22-55 сентября 1992 г./Воронея. политехи. ин-т.-Воронед, 1992.-С .59.

13 .Даненко В.Ф. Исследование закономерности деформации углеродис- . тнх сталей в интервале температур аустенитно-перлитного превра-щения//1рогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тез. докл. межреспубл. научн.-технич. конф./Волгогрзд, I992.-C.II9-121.

7т

Время

Рис. I. Схема к определения накопленной го временности: I - кривая ползучести, соответствующая закону упрочнения; 2 - действительная кривая ползучести

90 М

гда зио т 500 зоо 1 ооо поо гтн

?ис.?-г Кривые ползучести при Р=С0П${. и Т=700°С: а - сталь 45; б - сталь 12Х1ШЮТ; в - биметалл сталь 45 + 12Х18Н10Т

йкг.З. Изменение коэффициента вариации микродеформаций Кг и вклада межзеренной де^рмапии Дг по глубине переходной, зоны биметалла сталь 45 + 12Х18Н10Т при температуре 700°С и различных степенях дейормаши: а - предварительная термообработка патентирование: 0-1" =4?; +- 5 =8£; о -|=12&; X =2СЙ; б - предварительная термообработка - отжиг: =б,К5

йгс.4. Температурные интервалы проявления сверх- . пластичности углеродистых сталей при базовом X—- с< -превращении под нагрузкой: Тн и Тк - температуры начала и коша превращения (пунктиром показана температура аустенитно-перлитного превращения)

Личный вклад автора диссертации в опубликованные работы:

В работе Д/ математически обоснована возможность получения упрощенных формул для определения предела прочности композиционного материала и состроены кривые ошибок расчёта в зависимости от соотношения' характеристик прочности и пластичности компонентов. В работе /2/ определены режимы изменения температуры при термоциклировянии» В работах /3«5,8,1Цс^изучена деформация аномальной ползучести, связанная со структурной нестабильностью углеродистой стали, установлены особенности мих^опластической деформации сталей при нестационарных температурах. В работах /4,6,7, 10, 12/ установлен закон изменения повреадённости в материале в зг висимости от величины накошенной деформации и времени, в течение которого эта деформация накашивалась, исследован микромеханизм деформации ползучести и разрушения биметалла сталь 45 + 12П8НШГ и алитированных сталей Ст. 3 и 12И8НЮТ при изотермической одноосной ползучести,

Шдписано в печать 9.11.95г. Заказ Я614. Формат 60x84 1/16 Усл.печ. л. 1,0. Тирах 100 эка. Печать офсетная. Бесплатно.

Типография "Шлитехник" Волгоградского государственного технического университета. Водгоград-66, ул. Советская, 35.