автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Механизмы влияния пластической деформации и наводороживания на релаксационные явления в Fe-C сплавах

О*/ ' О С! - I ^

/ 1 » ¿< ^ / /V М' ;

тульскии государственный университет

На правах рукописи

Муравлева Людмила Владиславовна

МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И НАВОДОРОЖИВАНИЯ НА РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В Ее-С СПЛАВАХ

Специальности: 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов 01.04.07 - Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д. ф.-м.н., проф. Д.М.Левин

Тула - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА......................................................................................12

1.1 Понятие предельного состояния и основы его формирования...................12

1.2 Процессы, приводящие к развитию предельного состояния.......................16

1.2.1 Водород-стимулированное охрупчивание материалов.......................16

1.2.2 Коррозионное растрескивание.............................................................21

1.2.3 Усталостное разрушение......................................................................25

1.2.4 Радиационное облучение......................................................................29

1.3 Методы исследований поврежденных объектов..........................................33

1.3.1 Фрактография.......................................................................................33

1.3.2 Методы неразрушающего контроля....................................................36

1.3.3 Механическая спектроскопия...............................................................37

1.4 Неупругие эффекты в ОЦК сплавах на начальных этапах повреждаемости............................................................................................40

1.4.1 Релаксационные эффекты в сильногетерогенных материалах.............40

1.4.2 Влияние наводороживання на спектр внутреннего трения.................41

1.4.3 Внутреннее трение в деформированных материалах..........................42

1.4.4 Эффекты неупругой релаксации в материалах, подвергнутых термомеханической обработке и испытаниям на длительную прочность..............................................................................................43

1.5 Задачи исследования.....................................................................................45

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................49

2.1 Обоснование и выбор материалов исследований........................................49

2.2 Методика определения внутреннего трения и модуля упругости...............53

2.3 Методика разделения унимодальных спектров внутреннего трения

с применением ЭВМ.....................................................................................60

2.4 Методика рентгенографического анализа....................................................62

2.5 Механические испытания..............................................................................64

2.6 Металлографический анализ.........................................................................65

2.7 Методика нав о дор оживания.........................................................................65

3. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ НЕУПРУГИХ ЭФФЕКТОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ НАЛИЧИЕМ В МАТЕРИАЛЕ МИКРОТРЕЩИН...............................................................69

3.1 Микротрещины как концентраторы напряжений........................................69

3.2 Формирование плоских дислокационных скоплений..................................71

3.2.1 Модель Коттрелла.................................................................................71

3.2.2 Расчет напряжения сдвигав плоскостях скольжения..........................74

3.2.3 Расчет плотности дислокаций в скоплениях........................................75

3.3 Механизм образования двойных термических перегибов...........................80

3.3.1 Двойные перегибы на невинтовых дислокациях.................................81

3.3.2 Расчет активационных характеристик релаксации Бордони...............88

3.3.3 Расчет параметров релаксационного эффекта, связанного с образованием перегибов в устьях микротрещин...............................91

3.4 Исследование развития релаксационных эффектов, обусловленных образованием двойных термических перегибов в устьях микроттрещин

на модельных материалах.............................................................................97

Выводы по главе................................................................................................104

4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРУГИХ ЭФФЕКТОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ПРИСУТСТВИЕМ ДЕФЕКТОВ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ В МАТЕРИАЛАХ

ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ..........................................................106

4.1 Развитие неупругих эффектов при деформации.........................................106

4.2 Развитие неупругих эффектов при наводороживании................................118

4.3 Развитие неупругих эффектов при комплексном воздействии деформации и наводороживании.................................................................126

4.4 Анализ состояния трубных сталей по эффектам неупругой

релаксации...................................................................................................135

4.4.1 Механизмы разрушения магистральных газонефтепроводов...........136

4.4.2 Исследование релаксационного спектра трубных сталей..................139

4.4.3 Металлографический анализ трубных сталей.....................................143

4.4.4 Изменение механических свойств и характеристик тонкой структуры трубной стали в процессе эксплуатации...........................145

Выводы по главе................................................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших научно-технических проблем металлофизики и физики твердого тела является расширение представлений о природе разрушения и повышение на этой основе надежности изделий из конструкционных материалов при снижении их материалоемкости. Перспективным направлением решения этой проблемы является изучение процессов, приводящих материал в состояние, предваряющее разрушение (предельное состояние), и стимулирующих локальное разрушение и повреждаемость. Определение механизмов формирования предельного состояния (ПС), оценка уровня и характера эволюции эксплуатационной повреждаемости, позволяет прогнозировать остаточную прочность и является актуальной и важной задачей теории и практики.

Общепринятые представления о накоплении эксплуатационной повреждаемости (ЭП), как правило, основываются на данных о процессах разрушения в условиях длительного воздействия нагрузок и активных сред. Общим для этих представлений является критическая роль процесса локального разрушения (ЛР). Изучение условий начала ЛР - зарождения микротрещины и её развития, например, при пластической деформации, наводороживании и т.п., представляет первоочередной интерес как с научной, так и с практической точек зрения.

Зарождение и эволюция ЛР в значительной степени определяются структурой и уровнем напряжений в зоне ЛР. Более того, короткие микротрещины и фазовые включения, способные играть роль концентраторов напряжений, всегда присутствуют в объеме материала. Это означает, что формирование предельного состояния в локальных микрообьемах, прилегающих к этим дефектам, является постоянно действующим фактором, определяющим состояние и поведение материала при различных внешних воздействиях. В связи с этим необходимым условием изучения процесса ЛР является определение и учет физических механизмов и процессов, формирующих уровень

предельных напряженного и структурного состояний как на микро-, так и на макроуровнях.

Современные методы технической диагностики начальных стадий разрушения позволяют обнаруживать дефекты повреждаемости при определенном масштабе их развитости, но не оценивают степень или уровень критичности состояния материала, содержащего эти дефекты. Прямое и косвенное наблюдение областей ЛР (зарождение и распространение микронесплошностей, микротрещин) чрезвычайно затруднено их вероятностным характером и субмикроскопическими размерами.

Предельность состояния материала при внешнем воздействии отражает способность к релаксации внутренних пиковых напряжений посредством микропластической деформации. Контроль за параметрами подобных релаксационных процессов дает возможность наблюдать наступление ПС и начало ЛР.

Наиболее перспективным при фиксации релаксационных эффектов для материалов в ПС и различной степени поврежденности представляется метод механической спектроскопии. Известный своей чувствительностью и избирательностью к конкретным релаксационным процессам, метод внутреннего трения (ВТ) позволяет не только определить механизм, формирующий релаксационный эффект, но и оценить его энергетические характеристики.

Несмотря на широкое распространение метода ВТ в России и за рубежом, сведения о спектре ВТ материалов, содержащих дефекты повреждаемости, крайне ограничены. Механизмы фиксируемых при разрушении неупругих эффектов не разработаны и не связаны с развитием ЛР. Систематическое изучение неупругнх эффектов, связанных с переходом в ПС и повреждаемостью (или ЛР) определенного уровня при различных видах внешних воздействий, может дать ценную информацию для разработки критериев прогнозирования > надежности и остаточного ресурса изделий.

Целью настоящей работы явилось установление механизмов и закономерностей формирования неупругих эффектов в Ре-С сплавах, обусловленных

\Л р 'Ч

наличием локальных напряжений и микротрещин, создаваемых пластической деформации и наводороживании.

Основные научные результаты, выносимые автором на защиту:

- общие закономерности формирования релаксационного спектра неупругости в материалах с локально-высоким уровнем внутренних напряжений и методики его компьютерного анализа;

- механизм неупругости, обусловленный подвижностью дислокаций в зонах локализации внутренних напряжений вблизи вершин микротрещин;

- установленные закономерности изменения параметров индуцированного напряжениями е- и е-релаксациоиного эффекта типа Бордони от степени развития дефектов повреждаемости в сталях при различных видах внешних воздействий;

- регрессионные модели, устанавливающие зависимость масштабов развития дефектов повреждаемости от уровня механических свойств и длительности эксплуатации трубных сталей.

Работа выполнена в отраслевой лаборатории «Физика металлов и прочность» Тульского государственного университета в соответствии с тематическим планом НИР, координируемым Министерством общего и профессионального образования РФ и общесоюзной программой 0.08.17 ГКНТ и РАН (заседание 03.08).

^ Исследования проводили на модельных материалах (чугуны с различной формой графитных включений) и промышленных сталях марок 40, СтЗ, 17ГС, 17Г1С и 19Г с использованием современных методик металлофизического анализа, включающих методы определения внутреннего трения и модулей упругости, оптическую микроскопию, рентгеноструктурный анализ, определение характеристик механических свойств. Для анализа спектров внутреннего трения разработана и использована компьютерная методика разделения сложных максимумов внутреннего трения на унимодальные пики. Для всех использо-

ванных экспериментальных методик сделаны оценки достоверности полученных результатов.

Проведен общий анализ релаксационных эффектов, возникающих при обратимом движении дислокаций в материалах с локально высоким уровнем внутренних напряжений.

В рамках модели В.И. Владимирова рассмотрено движение дислокационных групп в зонах концентрации напряжений вблизи дефектов повреждаемости, создаваемых в материале при его переходе в предельное состояние. К числу таких дефектов, в частности, относятся микротрещины отрыва и сдвига. С учетом основных положений модели микротрещины Коттрелла рассчитана функция распределения линейной плотности дислокаций в плоских дислокационных скоплениях, формируемых в поле напряжений вблизи вершин острых трещин. Получены общие выражения для суммарного числа дислокаций в плоском скоплении Иь и минимального расстояния между головными дислокациями X. Проведены оценки характерных значений этих параметров для аРе. Уточнен механизм образования двойных термических перегибов на смешанных 71 °-ных дислокациях в ОЦК решетке.

Для материалов с ОЦК кристаллической решеткой установлена возможность формирования двух типов несимметричных двойных перегибов с винтовой (перегибы в-типа) и смешанной (перегибы е-типа) компонентами. Получены оценки энергий активации образования двойных термических перегибов ШП8 и Wne и установлено, что значения энергий и \Упе в ОЦК-Ре различаются на 15... 20%.

При приложении к материалу знакопеременного напряжения термически активируемое формирование на дислокациях двойных перегибов 5- и е-типов должно приводить к развитию двух релаксационных эффектов по механизму Бордони. Сделаны оценки параметров релаксационных максимумов для ОЦК-Ре. Установлено, что известный в литературе а-пик Бордони (Тт » 28 К при частоте {= 1 Гц) соответствует процессу термически активированного образо-

вания на смешанных дислокациях двойного перегиба г-типа. Формирование перегибов е-типа приводит к появлению }3ч-пика (Тт«32...34 К при частоте Г = 1 Гц), природа которого в литературе трактуется не точно и обычно связывается с механизмом релаксации Хасигути.

С использованием подходов, предложенных в работах В.И. Владимирова и Ш.Х. Ханнанова, разработан механизм дислокационной неупругости, обусловленной формированием 8- и е-перегибов на головных дислокациях плоских дислокационных скоплений, расположенных в локальных зонах концентрации напряжений вблизи вершин микротрещин. Установлено, что неупругие эффекты имеют релаксационный характер и приводят к формированию двух максимумов внутреннего трения. Рассчитаны активационные характеристики максимумов в О ЦК-Ре: для s-пикaWs= 58,8 кДж/моль иТш = 293...303 К, для e-пикaWe = 71,3 кДж/моль и Тте = 353...373 К.

Исследованы неупругие эффекты, обусловленные образованием двойных перегибов на дислокациях в локальных зонах концентрации напряжений в чугуне с различной формой графитных включений, рассматриваемом как модельный материал с системой локальных концентраторов напряжений различной геометрии. В чугуне с пластинчатой формой включений, обеспечивающих максимальную концентрацию напряжений у торцов пластин, обнаружен релаксационный максимум, обусловленный формированием на дислокациях перегибов е-типа. Определены активационные характеристики эффекта: Т^ = 321.. 323 К, энергия активации Ш5= 57,8 ± 5 кДж/моль. Установлено, что процессы, приводящие к повышению плотности дислокаций и росту внутренних микронапряжений, приводят к увеличению степени релаксации эффекта, что свидетельствует о его чувствительности к развитию предельного состояния.

Основная часть работы посвящена исследованиям неупругих эффектов в сталях, подвергнутых различным видам внешних воздействий, приводящих ' материал в предельное состояние: деформация, наводороживание и их комплексное воздействие (деформация + наводороживание). В релаксационном

спектре внутреннего трения сталей выявлены близкие по своим активацион-ным характеристикам максимумы ВТ, возникающие при появлении в материале дефектов повреждаемости и связанные с развитием индуцированных напряжениями е- и в-релаксационных эффектов. Общим свойством эффектов является их взаимосвязь с наличием в материале дефектов повреждаемости.

Установлено, что в стали 40 при степенях деформации выше 6 % формируются индуцированные напряжениями как е-, так и в-релаксационные эффекты. Получены оценки активационных характеристик релаксационных максимумов внутреннего трения: при частоте измерений Г « 1 кГц Тт8 = 321...326 К, Тте = 364...368 К, энергии активации = 58,7 ± 5 кДж/моль и = 69,4 ± 5 кДж/моль. Повышение степени деформации до 18 % приводит к увеличению высоты е-пика от 5 до 24-Ю"4. Значимой зависимости высоты

пика в-релаксации не обнаружено.

Исследовано развитие индуцированного напряжениями релаксационного эффекта типа Бордони в стали СтЗ после электролитического наводорожива-ния. При временах наводороживания выше 10 часов на температурных зависимостях внутреннего трения обнаружен индуцированный напряжениями пик в-релаксации с активационными характеристиками Т^ = 315...320 К, = 56,9 ± 5 кДж/моль. Повышение времени наводороживания до 30 часов приводит к линейно-пропорциональному росту степени релаксации, обусловленному увеличением количества водородных дефектов повреждаемости.

На примере стали СтЗ установлено, что комплексная обработка материала, включающая пластическую деформацию и последующее наводорожи-вание, приводит к появлению на температурно-зависимом спектре внутреннего трения релаксационного эффекта как е-, так и в-типов. Определены актива-ционные параметры эффектов: ТШ!!= 323...328 К, = 59,7 ± 5 кДж/моль и , Тте = 361...366 К, \¥е = 68,5 ± 5 кДж/моль. С использованием металлографического анализа установлена зависимость плотности микротрещин, возникаю-

щих после перехода материала в предельное состояние, от времени наводоро-живания и степени предварительной пластической деформации. Методами регрессионного анализа установлена взаимосвязь между степенью релаксации б- и е-максимумов и режимами предварительной обработки.

Заключительная часть работы посвящена изучению дефектов повреждаемости и инициированных ими соответствующих релаксационных эффектов в промышленных сталях, применяющихся для изготовления труб для нефте- и газопроводов.

Пр