автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Микропластическая деформация и применение ее параметров для анализа структуры и механических свойств сталей

г; г 'И

ШГжкгУрсЗдсЙиЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КРАЕВ Алексей Павлович

МИКРОПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка

металлов.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород, 1998 г.

Работа выполнена в научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского государственного университета им. Н.ИЛобачевского и на кафедре металловедения, термической и пластической обработки металлов Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.А.Скуднов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

B.Н.Перевемнцев

кандидат технических наук

C.М.Шевченко

Ведущая организация: АО Нижегородский машиностроительный завод

Защита состоится '¿-Р декабря 1998 г. в "(3" часов на заседании диссертационного совета Д 063.85.08 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: Н.Новгорсд, ул. Минина, 24, корп.1, ауд.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан ¿/СЛ^зА. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Подписано »печать 19.11.98. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 510.

Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Васильев В.А.

ОГлцан характеристика работы:

Актуальность темы:

Микронластичность - это явление, отражающее неоднородность протекания пластическом деформации в отдельных локальный Объемах материала (Н.Н.Дашщенков). -......

К настоящему времени достигнуты значительные успехи в области изучения микропластичности с применением широкого спектра методов ее исследования (методы внутреннего треЬгоГ,' 'МегЪдьг микромеханическнх испытаний, микроструктурные методы, различные физические методы и т.д.).

В то же время, многие аспекты деформационного поведения начальных стадий пластической деформации и применения ее параметров для оценки важных эксплуатационных характеристик сталей (предела упругости, предела текучести, ударной вязкости, предела усталости, уровня демпфирования, предельной пластичности и др.) не получили достаточного освещения. В частности, требует дополнительного изучения вопрос установления связей между параметрами микропластической деформации при релаксации напряжений, структурой и практически важными эксплуатационными механическими свойствами конструкционных сталей и сплавов. Нет систематических исследований деформационного поведения и кинетики механизмов микропластической деформации (МПД) при релаксации напряжений в металлических поликристаллических материалах. Вызывает особый научный и практический интерес исследования механизмов МПД и их установленные связи с физико-механическими свойствами в условиях карбндообразовашш при отпуске закаленных углеродистых' сталей. Отсутствует простой эффективный метод исследования МПД, позволяющий анализировать структуру и оценивать эксплуатационные механические свойства конструкционных сталей.

В связи с этим, весьма актуальным является создание методики определения н использования параметров МПД для оценки и контроля эксплуатационных свойств конструкционных сталей и сплавов на основе изучения МПД при релаксации напряжений.

Результаты исследования МПД методом релаксации напряжений могут быть успешно применены для решения широкого круга практических задач: контроля эксплуатационного механического состояния основного металла корпусов реакторов АЭС и труб пароперегревателей ТЭЦ; выбора материалов и оптимальных режимов их термического упрочнения упругих элементов гидро-аккустических излучателей специального назначения с максимальным уровнем предела выносливости: выбора материала коронок бурильных долот с максимально возможной демпфирующей способностью; контроля охрупчивания сталей и процессе их термообработки.

Цели п задачи работы: Целью работы является установление связей мезеду закономерностями микропластической деформации при релаксации напряжений, структурой, составом н физико-механическими свойствами металлических по-ликрнсталлических материалов, а также разработка рекомендаций по применению параметров микропластической деформации для анализа структуры и эксплуатационных механических свойств сталей.

В работе были поставлены следующие задачи:

• Разработка инструментальных, методических и программных средств проблемно-ориентированных на экспериментальное изучение МПД при релаксации напряжений в сплавах.

• Изучение влияния состава и структуры на закономерности МПД при релаксации напряжений в металлических поликристаллических материалах: в разбавленных твердых растворах и гетерофазных сплавах.

• Анализ основных закономерностей МПД при релаксации напряжений и установление связей между поведением параметров МПД при релаксации напряжений, микромеханизмами начальных стадий пластической деформации и физико-механическими свойствами отпущенных углеродистых сталей.

• Изучение корреляционных связей между параметрами МПД при релаксации напряжений и практически важными механическими характеристиками сталей с разработкой рекомендаций по применению параметров МПД для анализа структуры и эксплуатационных механических свойств конструкционных сталей при решении различных технических задач.

На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную

новизну полученных в работе результатов:

1. Впервые изучены закономерности микропластической деформации при релаксации напряжений в металлических поликристаллических материалах и определен комплекс физически обоснованных реологических параметров МПД, которые зависят от состава и структуры материалов и позволяют по результатам измерения МПД анализировать микроструктурные изменения материалов в процессе термообработки и эксплуатации.

2. Установлены основные закономерности микропласгической деформации в условиях релаксации напряжений отпущенной углеродистой стали (У10А) в различных структурных состояниях, позволяющие установить связи между поведением реологических параметров, состоянием структуры и физико-механическими свойствами и объяснить аномалии свойств стали, обусловленные процессами карбидообразования при ее отпуске.

3. Показано, что для широкого круга конструкционных материалов существуют корреляционные связи между реологическими параметрами микропластической деформации и важнейшими механическими характеристиками материалов: пределом текучести, пределом усталости, ударной вязкостью, коэффициентом поглощения (демпфирования), предельной пластичностью.

4. Разработаны и созданы инструментальные, методические и программные средства автоматизированной системы исследования микропластической деформации (АС МПД) для изучения закономерностей начальных стадий пластической деформации при релаксации напряжений.

Пракгич<*кця рдботы:

Экспериментальные исследования МПД при релаксации напряжений и

возможность определения ее реологических параметров образцов на специально

созданной автоматизированной системе позволили:

1. Установить корреляцию между параметрами МПД и величиной коэффициента.ударной вязкости и на этой основе показать принципиальную возможность контроля эксплуатационного механического состояния основного металла корпуса ВВР реактора АЭС (сталь 15Х2НМФА).

2. Установить корреляцию между параметрами МПД и уровнем предела усталости и на этой основе провести ускоренный выбор наиболее перспективных сталей (6ХС, 9ХС, ВКС-210) и определить оптимальные режимы термообработки для упругого элемента гидроакустических излучателей специального назначения, работающих в резонансном колебательном режиме..... •

3. На основе установленной корреляции между параметрами МПД и коэффициентом демпфирования (внутреннего трения) удалось провести выбор порошковых сплавов (Ре-Сг-А1, Ре-Сг-А1-Си, Ре-Си разработки НПО "Тулчермег") и режимов их термического упрочнения, обеспечивающих при максимально возможной демпфирующей способности, увеличение эксплуатационного ресурса коронок бурильных долот.

4. Применить установленные в работе закономерности МПД при релаксации напряжений для дальнейшего развития теоретических основ описания начальных стадий пластической деформации в металлических поликристаллических материалах.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации были представлены на научных конференциях: Всесоюзна конференция "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве" (Свердловск, ¡989 г.); Всесоюзная конференция "Механика и физика разрушений хрупких материалов" (Киев, 1990 г.); VI Республиканская научно-техническая конференция "Демпфирующие материалы" (Киров, 199! г.); Научно-технический семинар "Проектирование современных машин,- их элементов и систем" (Нижегородский политехнический институт, Н.Новгород, 1991); Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы создания и эксплуатации испытательной техники (Иваново, 1991 г.); Научно-техническая конференция "Проблемы современных материалов и, технологий, производство наукоемкой продукции" (Пермь, 1993 г.);. У,И ¡Российская научно-техническая конференция "Демпфирующие материалы" .(Киров, 1994 г.); Материалы совещания "Новые методы технического диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса конструкций и оборудования, работающего под давлением" (Новополоцк, 1997 г.).

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

Краткое содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, обозначены цель и задачи, указано в рамках каких НИР и где выполнялась данная работа.

Первая глава посвящена обзору современны представлений о закономерностях МПД, методах'ее исследований и применение ее параметров для анализа структуры и оценки эксплуатационных х ар актер истик конструкционных материалов. В первом и втором раздела проведен анализ экспериментальных и теоретических результатов, который показывает принципиальную возможность исследования МПД на основе явления релаксации напряжений в твердых телах. В работе показано, что МПД протекает неоднородно в отдельных локальных микро-субмикрообьемах, образуя дислокационные скопления у "полевых" барьеров препятствий. Уровни барьеров в рельефе внутренних напряжений зависят от природы препятствий (структуры). В свою очередь, по мере нарастания внешней нагрузки "прорыв" полевых барьеров происходит, как правило, ста-

тистически последовательно в зависимости от их величины с релаксацией пиков внутренних напряжений и возникновением новых очагов микропластичности. Таким образом процесс аккомодационной перестройки дефектной (дислокационной) структуры образца под действием внешних и "внутренних" напряжений будет протекать при их релаксации и зависит от структурного состояния объекта. В рамках таких представлений процесс релаксации напряжений может бьпъ описан уравнениями вида:

о(0=а, +Дозф(1) (!)

Даэф(1)=Р(ер) (2)

где о, - внутреннее напряжение, которое является мерой влияния структуры, усредненной по объему образца, на скольжение дислокаций; Дсгэф - эффективное напряжение, действующее на сегмент дислокации и выполняющее работу при движении этого сегмента; ёр - скорость пластической релаксации (деформации); И - реологический закон течения.

Величины, входящие в уравнения (1) и (2) могут быть получены в результате испытаний образцов на релаксацию напряжений и применены для определения ряда структурно-чувствнтельных параметров МПД.

Среди значительного количества различных методов исследования МПД особенно выделяются метод внутреннего трения, главным достоинством которого является возможность определения по макрохарактеристикам физически обоснованных параметров МПД (пороговых напряжений и деформаций микромеханизмов пластического течения, характеристических времен этих процессов и их термоактивационных и диффузионных констант). Однако у методов имеются свои ограничения: технически крайне сложно методами ВТ осуществить высокую воспроизводимость и чувствительность (¡^'(Ю 6) в широком диапазоне изменения инфразвуковых частот (Ю-4-10 Гц); действующих напряжений (до 300 МПа) и деформаций (Ю-МО-2); определенные трудности возникают при сопоставлении результатов измерений методами ВТ и результатов стандартных испытаний на растяжение; для методов ВТ характерны существенные размеры образцов и достаточно высокий уровень сложности первичных измерительных устройств. Поэтому крайне важно создание эффективного метода исследования МПД, обладающего достоинствами методов ВТ и исключающего их недостатки.

В третьем-пятом разделах изложено влияние различных структурны факторов и состава на закономерности МПД в металлических поликристаллических материалах, а именно: примесных атомов замещения, внедрения их концентраций и неоднородности распределения на дислокациях в ГЦК и ОЦК разбавленных твердых растворах; частиц других фаз различной природы (крг^е!ОТ1Ь1х, некоГерентаь1Х) с рассмотрением механизмов упрочнения и ди-намщ<й дйслокаций в^етерофазных сплавах; особенностей карбндообразования при отвдске закаленных сталей системы Ре-С.

Ё шестом разделе рассмотрены возможности применения результатов ис-сдеддвания МПД для анализа: структуры и оценки эксплуатационных механических характеристик конструкционных сталей (предела упругости, предела текучести,, ударной вязкости, предела усталости); влияния процессов карбидооб-разрвания на поведение физико-механических свойств сталей системы Ре-С.

В заключении главы сформулированы основные положения необходимости пропеления данной работы, ее цель и задачи.

Глава вторая посвящена описанию разработанного метода определения реологических параметров МПД при релаксации напряжений сплавов и описанию разработанной автоматизированной системы для измерения реологических параметров МПД при релаксации напряжений в сплавах; выбору дополнительных методов исследования и материалов для исследования.

Основной замысел метода состоит в получении п результате релшеащнон-ных испытаний образцов информации о механизмах начальных стадий пластической деформации материала образца на основе расшифровки временных зависимостей релаксации напряжений системы "машина-образец" ("М-О") и определения комплекса соответствующих реологических параметров.

Испытания осуществляются путем ступенчатого сжатия но схеме, изображенной на рис.). В релаксаторе жесткого типа ступенька (цикл) состоит из стадий: стадии нагружения, стадии динамической релаксации, стадии собственно статистической релаксации. Для установления законов взаимодействия изменений напряжений и деформаций в системе "М-О" в процессе испытаний образца был проведен анализ механического состояния системы. Показано, что процесс релаксации напряжений п области МПД в металлических полпкристаллических материалах зависит от уровня приложенного напряжения и протекает в несколько этапов (стадий), существенно отличающихся по интенсивности и длительности (быстрая и медленная стадии). Установлено, что в случае разложения временных зависимостей релаксации напряжений a(t) на стадии (по экспонентам) возможно их реологическое описание бингамовским законом течения: Дсьф = Г|ёР.

Определен комплекс реологических параметров образца в условиях релаксации напряжений системы "М-О" в том числе: эффективные напряжения процессов микропластическон релаксации (ДСзф), коэффициенты вязкости процессов микропластическон релаксации (г|), скорости мнкршшас-тической деформации (релаксации) (ép)> уровень пороговых (критических напряжений) включения процессов мпкропластической релаксации (а", стт* и др.), величина накопленной за цикл пластической деформации (épi), коэффициент рассеяшш упругой энергии в условиях микропластической деформации (релаксации) (КДЭ);

Разработана и создана автоматизированная система'для- измерения реологических параметров

г

Рис. 1. Схема релаксатора и способа нагружения образца 1 - элементы машины: 2 - датчик силы; 3 - образец

МПД при релаксации напряжений (АС МПД). АС МПД представляет собой комплекс методических, метрологических, аппаратных и программных средств, проблемно ориентированных на решение широкого круга задач в области исследования структурного состояния и контроля эксплуатационных механических характеристик сплавов по их параметрам МПД при релаксации напряжений.

В качестве других методов для исследования применялись: метод фазового магнитного анализа; измерение коэрцитивной силы, метод рентгенострук-турного анализа, Металлография и механические испытания образцов (кручением, растяжением и на ударную вязкость КСЦ). В качестве материала исследования твердых растворов были выбраны чистые металлы (армко-железо, никели и медь).

В качестве материалов исследования гетерофазных сплавов были выбраны углеродистые стали (20 и У10А).

В главе три приведены результаты экспериментальных исследований поведения реологических параметров МПД при релаксации напряжений в чистых поликристаллических металлах (железо, никель, медь) и в сталях системы Ие-С, (20 и У10А), термообработанных по режимам, приведенным в табл.1 и 2.

Таблица 1. Термообработка, структура и фазовый состав, уровень твердости сталей

Марка стали Термообработка 1 Структура и фазовый состав Твердость НВ

20 Зак. 880°С Ф + перлит отр. 650°С 3 час Ф+3%0 156

У10А Зак. 770°С 1 перлит отр. 650°С 3 час | Ф+13%6 212

Таблица 2. Режимы термообработки, фазовый состав и уровень твердости стали У10А

ТотД С Структура Твердость НВ

(Ф/С, % об.)

200 Мотп +13%е 627

300 М„т„ +4<%е + 2,8%*+6.5%9 545

400 Мол, + б,1%х+Ю%0 444

. 450 Мст, + Ф+ 4,5%х+11,5%6 375

Экспериментально исследованы закономерности поведения следующих реологических параметров МПД: эффективных напряжений микропластического течения, коэффициентов вязкости, критических (пороговых) напряжений при быстрой и медленной релаксации, изучены зависимости этих параметров от уровня приложенной нагрузки (степени накопленной в образце пластической деформации), химического состава (углерод), размера зерна (никель) - в разбавленных твердых растворах (железо, никель, медь) и гетерофазных сплавах (стали 20 и У10А). При этом показано, (рис. 2-4):

а) В железе (ОЦК) наблюдается линейная и нелинейная стадии в поведении эффективного напряжения течения (Дс^т), два независимых от приложенного напряжения (деформации), уровня вязкости (Лц>т1т) при медленной ре-

3'

2

6 0/1,

0J

0.66г

1 50 100 {50 2W

0,2

а)

V

J

■ в"

50 100 (ÇQ 200

С (во |

i

-*-X- X —

ь

50 юо isoffvna

'нс.2. Зависимость эффективных напряжений при медленной релаксации (а), коэффициентов вязкости при медленной релаксации (б),

коэффициентов вязкости при быстрой релаксации (в) металлов: железо (I), никель (2), медь (3) от величины действующего напряжения.

лаксации напряжений н один уровень вязкости (г||<<Т1м,ш) при быстрой релаксации напряжений, которые определяют значения критических напряжении (а"*оо", от*).

б) В никеле (ГЦК содержание примеси углерода в Ni близко по количеству в Fe) в отлИчие от железа отсутствует линейная стадия в поведении зависимости Да^о). значение макроскопического предела упругости о" меньше критического напряжения со", макроскопический предел упругости о" и физический предел текучести m* возрастают на 30% с уменьшением среднего размера зерна на порядок,

в) В меди (ГЦК, примесь углерода не обнаружена) в отличие от железа и никеля имеет место один уровень вязкости т|д=т]т> критическое напряжение ао" отсутствует, критическое напряжение а" имеет низкое значение (=10-15 МП а).

г) В стали 20 (перлитная структура) по своему качеству, поведение реологических параметров подобно их поведению в железе, но значения критических напряжений а"=сго", <7т* и уровней вязкости т|д и r)s значительно выше (в 2-3 раза).

д) В стали У10А в зависимости от ее структурного состояния после кткал-ки и отпуска в области МГЩ при о<о"=сто" наблюдается от двух до трех стадий, которые характеризуются своими параметрами со своими значениями уровней вязкости и значениями критических напряжений.

Экспериментально установлены закономерности поведения некоторых реологических параметров (о", а', Т|д, т]т» г|«, Ли) и характеристик физико-механических свойств (р, Не, ч'. У. ап) от температуры отпуска в закаленной углеродистой стали У ЮЛ, которые отра-

о

жают общее разупрочнение стали при повышении Тот. и, в частости, общие

аномальные изменения реологических параметров Г} о' л механических свойств ц/, у, Не в области Тот. = 400 - 500 °С (рис. 5 и 6).

фи шко-

Рис;3. Зависимости эффективного напряжения (а) и коэффициснта вязкости (б) при :,, мящ^евддй, р ел^сацщ дг, здздяоды д^«тву1рще;'о!налряжения сталей,20(1) и ' НбЛ(2), отпуск 650 "С.

Рнс.4. Зависимости эффективного напряжения (а) и коэффициента вязкости (6) при медленной релаксации от величины действующего напряжения стали У10А:

Тот = 200 °С (1), То,и =300 °С (2).

Дараметр;.1)*.обобщенная вязкость, характеризующая усредненную вязкость в области МПД при <, о". Для двух стадий:

Чц = к + к' ' V

о - о |

(3)

Для трех стадий

к'

^к-^+к'-л^к-.чЛ. к = = к" = (4)

<3 <3

£ - ^

О

\о "¿о

о -

4 -20

з -

•1 -10

£ О ^

'О 1

0,8 0,6

200

400

500 б)

Тот,0 С

Рис.$. Влияние температуры отпуска на реологические параметры: критические напряжения о/ и ст"(а), обобщенная вязкость п (б) в закаленной стали У10А.

Рис.6. Влияние температуры отпуска на свойства: коэрцитивная сила Нс, уширение рентгеновской .жшш (220) матрицы р, максимальны)! условный слвиг (кручение) у, поперечное сужение (растяжение) у, ударная вязкость ан закаленной стали УЮА.

В четвертой главе проанализировано поведение реологических параметров микропластической деформации при релаксации напряжений в разбавленных твердых растворах (железо, никель, медь) и гетерофазных сплавах (стали 20 и УЮА). Показано, что в разбавленных твердых растворах одной из возможных причин, влияющих на величину уровнен дислокационной подвижности и критические напряжения механизмов МПД при релаксации напряжений является взаимодействие атомов углерода с дислокациями. Для процессов,

контролирующих протекание медленной и быстрой релаксации проведенг оценка значений коэффициента диффузии атомов углерода по дислокационным трубкам в а-железе. В соответствии с соотношением Стокса-Эйнштейна 03=кТ/бт1я гат, где ^-коэффициент вязкости процессов течения; гат - радиус атомов растворенного элемента.

Результаты оценки величин коэффициентов диффузии углерода в а-желез{ при быстрой и медленной релаксации D=1018 и 10'го см:/сек соответствуют известным литературным данным.

Показано, что в гетерофазных сплавах одной из возможных причин низкого уровня дислокационной подвижности, а также высоких пороговых напряжений МПД, являются частицы других фаз (когерентные и некогерентные) i значения равновесной и неравновесной концентрации углерода в матрице.

Показано, что общее аномальное изменение реологических парамsrpot (Лд> ci')> параметров пластичности (у, ц<) и коэрцитивной силы (Нс) при темпе ратурах отпуска 400-500°С в закаленной углеродистой стали У10А может был связано с обогащением матрицы углеродом в результате распада %-карбида t ядрах дислокаций на межфазной границе a-%-Q.

Проведена классификация реологических параметров МПД при релакса ции напряжений

!. Критические напряжения, разделяющие области напряжений и дефор маций, различающиеся микромеханизмами пластической деформации: о" - на пряжение начала генерации "свежих" дислокаций и локализации пластпческсн деформации; со" - напряжение отрыва дислокаций от примесных "атмосфер" от* - напряжение окончания формирования первой полосы локализации де формации (в ОЦК металлах выполняется соотношение с"=ао". а в ГЦК метал лах - неравенство а"<Оо".)

2. Эффективные напряжения, отражающие объемную долю включенных i деформацию зерен и характер сопротивления движению дислокаций: До" - эф фективное напряжение при а", т.е. в условиях начала генерации "свежих" дис локаций и локализации пластической деформации; Дао" • эффективное напря жение, при сто", соответствующее началу отрыва дислокаций от примесньп <атмосфер>; Даог" - эффективное напряжение при степени пластической дефор мацииО.2%, соответствующей условному пределу текучести.

'3. Уровни вязкости действующих микромеханнзмов пластической дефор мации, характеризующие подвижность дислокаций при их взаимодействии примесными атомами: - подвижность дислокаций с равновесной концентра цией примесных атомов на <атмосферах> и в ядрах (характерна для с<со"); r|m - подвижность дислокаций с равновесной концентрацией примесных атомов ядрах (характерна для о>ат*); Tis-1 - подвижность <<свежих>> дислокаций неравновесной' концентрацией примесных атомов на атмосферах и в ядра (характерна дйй&гт*). ,

; В пятой главе проведено изучение связи между реологическими парамел ,,рами микропластической деформации и эксплуатационными характеристикам; ^ конструкционных материалов. Показано, что для широкого круга конструкцг онных материалов существует корреляционная связь между параметрами ми» ропластической деформации (а", от', Дога", До,,", ё„ s m) и следующими экс

плуатационными механическими характеристиками материалов: пределом текучести сто г, пределом усталости с.ь ударной вязкостью КС13, коэффициентом поглощения (демпфирования) 4/*; предельной пластичностью

Показана связь между параметрами МПД, структурой и свойствами стали 12Х1МФ паропровода ТЭЦ, подвергнутой эксплуатации в течении более 10000 часов при температуре 500-600 °С. Анализ параметров МПД показывает, что с одной стороны уменьшается макроскопический предел упругости (сг") в два раза и снижается вязкость течения при быстрой релаксации (гь) в 1.5 раза, а с другой стороны повышается вязкость течения при медленной релаксации (т)ц) в два раза. Такое поведение параметров МПД в результате длительной эксплуатации стали может быть объяснено с одной стороны увеличением размера зерна и обеднением концентраций углерода на дислокациях в матрице стали, что приводит к уменьшению напряжения о" и снижению вязкости течения г|„ а с другой стороны выделения карбидов УС и МецСб внутри зерна и по границам повышают вязкость течения т|д.. Показана возможность применения параметров о" и ат* при оценке механических свойств в процессе отработки технологии производства хрупких псевдосплавов (150Х2Н+Си, 60Н9+10Т^, 60Н12+10ТЮ), разрушение которых происходит при жестких схемах деформирования (растяжение, изгиб) ниже предела текучести. В этом случае степень хрупкости материала возможно оценить по отношению напряжения стт* к величине разрушающего напряжения стк-

Показана возможность контроля с применением параметров о" и До" необратимой и обратимой отпускной хрупкостей в сталях 40Х и 30ХГСА, которые могут развиваться в условиях их термообработки.

Для различных сталей с ОЦК решеткой (16 состояний) получена корреляционная связь между параметрами скорости пластической деформации при быстрой релаксации (ё,) и величиной предельной пластичности (с,"р*л).

С применением рассмотренной методики и результатов исследований решен ряд практических задач:

1. Установлена корреляция между параметрами МПД и величиной коэффициента ударной вязкости (КС1Т~(Да")2/а") и на этой основе показана принципиальная возможность контроля эксплуатационного состояния основного металла корпуса ВВР реактора АЭС (сталь 15Х2НМФА).

2. Установлена корреляция между параметрами МПД и уровнем предела усталости (о-[~ст"/Дст") и на этой основе проведен ускоренный выбор наиболее перспективных сталей (бХСу 9ХС, ВКС-210) и определены оптимальные режимы термообработки для упругого элемента гидроакустических излучателей специального назначения, работающих в резонансном режиме.

3. На основе установленной корреляции между параметрами МПД и коэффициентом внутреннего трения (С>'1~(Да"-сг")'"2) удалось провести: выбор порошковых сплавов (Ре-Сг-А1 , Ре-Сг-А1-Си, Ре-Си разработки „ НПО "Тулчермет") и режимов их термического упрочнения, обеспечивающих при максимально возможной демпфирующей способности увеличение эксплуатационного ресурса коронок бурильных долог.

Общие выводы по работе

1. Впервые определен комплекс параметров микропластической деформации при релаксации напряжений, позволяющий осуществлять эффективный анризстр>тсгуры и механических свойств конструкционных сталей при решении различных технических задач. В частности, на основе используемых параметровХШД были решены следующие практические задачи: контроль эксплуатационного механйческоГо состояния основного металла корпуса ВВР реактора АЭС; кокгроль прочностного состояния труб пароперегревателей ТЭЦ; выбор материалов и оптимальных режимов термического упрочнения, для:. упругих элементов гидроакустических излучателей специального назначения с максимальным уровнем предела выносливости; выбор материалов коронок бурильных долот с максимально возможной демпфирующей способностью; отработка технологии получения заданных характеристик прочности и пластичности хрупких металлических материалов. " '"

2. Впервые изучены закономерности микропластической деформации при .релаксации напряжений в разбавленных твердых растворах и гетерофазгнйх сплавах. Показано, что процесс релаксации напряжений при микропласги-ческой деформации протекает в несколько этапов, интенсивность и длительность которых зависит от величины приложенного напряжения. Установлено, что характер пластического течения в области микропластической деформации может быть описан бингамовским законом. Показано, что уровень порогового напряжения в бингамовском законе течения и величина вязкости материала зависят от состава и структурного состояния материала и являются важными характеристиками микропластической деформации.

3. Проанализированы основные закономерности микропластической деформации в условиях релаксации напряжений при отпуске закаленной углеродистой стали УЮА. Установлено, что уровни дислокационной подвижности и критические напряжения механизмов микропластической деформации зависят от количества и вида карбидных фаз. Установлена корреляция между поведением реологических параметров микропластической деформации с изменением физико-механических свойств стали при разных режимах отпуска. Показано, что аномалии изменений пластичности у) и реологических параметров (т^, с/) стали в области ТСШ1=400-450 °С могут быть связаны с обогащением матрицы углеродом в результате распада ^-фазы.

4. Исследованы связи между реологическими параметрами микропластической деформации и эксплуатационными механическими характеристиками конструкционных материалов. Показано, что для широкого круга конструкционных материалов существуют корреляционные связи между реологическими параметрами микропластической деформации (о", от*, Да", ё», ёш) и следующими эксплуатационными механическими характеристиками материалов: пределом текучести ао.2, пределом усталости о.|, ударной вязкостью КС11, коэффициентом подхощения (демпфирования) у*, величиной предельной пластичности '.еда. . • • . \

5. Разработаны и созданы инструментальные, методические и программные средства (АС МПД) для экспериментального изучения микропластической деформации при релаксации напряжений в том числе:

а) Испытательная машина высокой жесткости.

Ч

б) Электронные устройства для измерения и регистрации силы и температуры, а также управления исполнительными механизмами испытательной машины.

в) Комплект рабочих программ, включающий: программу управления экспериментом (PRESS), метрологические и калибровочные программы (KALIBR й SENSOR) и программы расчета реологических параметров микропластической деформации (LENA, META, REL7, EDMNK, MNK и др.)

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чувильдеев В.Н., Мадянов С.А., Краев А.П. Прогнозирование и контроль физихо-механичесхих свойств металлических материалов по данным релаксационных испытаний: Сб. научн. Трудов. / Испытание материалов и конструкций. - НФИМАШ РАН, НИЛИМ. Н-Новгород, 1996.-С. 54-64.

2. Мадянов С.А., КраевА.П. Исследование начальных стадий михропласги-ческой деформации на миниатюрных образцах. // МиТОМт1993. - N3. -С.13-15.

3. Скуднов В.А., Краев А.П., Мадянов С.А., Дейч И.С. О взаимосвязи параметров релаксации напряжений, твердости и предельной деформации сталей различных классов. // Известия ВУЗов., Черная металлургия. - 1995. - N10. -С.48-51.

4. Мадянов С.А., Калинин В.Р., Краев А.П., Малиновская С.Г. Исследование мгасропластической деформации как метод оценки охрупчивания металлов. - Сб. Механика и физика разрушения хрупких материалов. - Киев, 1990. -С.33-38.

5. Дейч И.С., Краев А.П., Мадянов С.А., Скуднов В.А. Разработка теории и метода прогнозирования предельных механических свойств порошковых материалов: Реф. сб. Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции. - Пермь, 1994.-С.30.

6. Дейч И.С., Краев А.П., Мадянов С.А. Исследование порошковых сталей методом анализа релаксационных кривых при ступенчатом нагружении образцов до предела текучести: Реф. сб. Проблемы современных материалов и технологий и производство наукоемкой продукции. -Пермь, 1994. - С.26.

7. Краев А.П., Дейч И.С., Мадянов СЛ., Скуднов В.А. Релаксационный метод определения диссипации энергии и вязкости материалов при нагрузках до предела текучести: Сб. матер. 7-й Российской н.-т. конференции. Демпфирующие материалы. - Киров, 1994. - С.84-89.

8. Разработка автоматизированной установки для контроля за состоянием материалов корпусов реакторов АЭС. Краев А.П., Мадянов С.А., Калинин В.Р.: Отчет по г/б НИР, ФТ-15.НИФТИ № Гос. Регистрации 01880078427, ИНВ №029100044549. - Н.Новгород, 1990. - 90с.

9. Мадянов С.А., Краев А.П., Крюков JI.T. Оценка комплекса механических свойств материалов по их микропласгическим характеристикам: Сб. Проблемы создания и эксплуатации испытательной техники. - Иваново, 1992. - С.63-69.

Ю.Краев А.П., Мадянов С.А. Измерительно-вычислительная система для исследования и контроля состояния материалов по их параметрам микропластической деформации: Сб. Дефекты кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов. -Тула, 1992.-С.58-63.

! 1.Краев А.П., Будшшн A.B. Автоматизированная система для исследования и контроля состояния материалов по параметрам микропластической деформации: Тез. док. Ю-й Всесоюзной конференции/ Методы и средства тезомет-рии и их применение в народном хозяйстве. - Свердловск, 1989.

12.Апаев Б.А., Краев А.П. Магнитометрическая установка МАГ-81Б.А. с повышенной чувствительностью измерительной схемы и автоматической регистрацией показаний. // Заводская лаборатория. - 1983. - N5.-C.33-35.

13.Апаев Б.А., Краев А.П. Прибор повышенной чувствительности для исследования и Контроля фазового состава сплавов в широком температурном интервале. - Тез. док. 4-ой Всесоюзной конференции "Электронные методы не-разрущающего контроля. - Омск, 1983, -С. 15-17.

14.Мадянов С.Л., Краев Л.П., Калинин'D.P. Автоматизированная система для исследования микропластической деформаии в сплавах: Тез. док. 4-ый Республиканской научно-технической конференции/Демпфирующие материалы. -Киров, 1991.-С. 72-73.

15.Краев А.П., Мадянов С.А., Калинин В.Р. Метод и автоматизированная система исследования сплавов по их параметрам микропластической деформации: Тез. док. Научно-технического семинара /Методы проектирования современных машин, их элементов и систем. - Н.Новгород, 1991. - С. 28-29.

16.Мадянов С.А., Краев А.П., Дейч И.С. Скуднов ВА. Методика и аппаратура для оценки механических свойств и исследования процессов пластической деформации материалов при ступенчатом нагружении. - Реф. Сб. Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой конструкции. -Пермь, 1993.-С. 226-228.

17.Краев А.П., Гребенев Д.А., Чувильдеев В.Н. Назначение, состав и возмож-, ности методики релаксационных испытаний; Материалы совещания / Новые

методы технического диагностирования и прогнозирования ресурса конструкций и оборудования, работающее под давлением. • Новополоцк, 1997. -С.37.

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

нижегородского государственного университета им. н.и.лобачевского

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

МИКРОПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка

металлов

На правах рукописи

КРАЕВ Алексей Павлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.А.Скуднов

Нижний Новгород, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................6

ГЛАВА I. Явление микропластичносги, методы ее исследования и микромеханизмы начальных стадий пластической деформации в ГЦК, ОЦК - твердых растворах и гетерофазных сплавах..............9

1.1. Явление микропластичности и методы ее исследования............9

1.2. Реология, микропластичность и явление релаксации.................13

1.3. закономерности развития микропластической деформации в

разбавленных твердых растворах поликристаллических металлов...................................................................................................................18

1.3.1. Закономерности микропластической деформации в неупорядоченных ГЦК твердых растворах замещения..............................................................21

1.3.2. Закономерности микропластической деформации в ОЦК твердых растворах поликристаллических металлов...................................................23

1.3.3. Влияние неоднородности распределения и концентрации примесных атомов на сопротивление перемещению и диффузионную подвижность дислокаций..........................................................................................................29

1.4. механизмы упрочнения, динамика дислокаций гетерофазных сплавов и их влияние на характеристики мпд.....................................38

1.5. процессы карбидообразования при отпуске сталей системы Ре-с и их влияние на характеристики мпд............................................49

1.6. возможности применения результатов исследования МПД для

оценки механических характеристик сплавов .....................................55

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ I. цели и задачи работы..........................................59

ГЛАВА И. Методы выполнения экспериментальных исследований.........................................................................................................................61

2.1. Разработка метода определения реологических параметров при

релаксационных испытаниях сплавов...........................................................61

2.1.1. Способ испытания образцов..................................................................61

2.1.2. Анализ механического состояния системы "М-0".............................63

2.1.2.1. Напряженно-деформированное состояние системы без образца. 63

2.1.2.2. Податливость системы "М-О"..........................................................65

2.1.2.3. Уравнение релаксации напряжений в системе "М-О"......................69

2.1.3. Оценка величины пластической деформации и коэффициента рассеяния упругой энергии образца............................................................................71

2.1.4. Реологические параметры релаксации напряжений............................75

2.1.4.1. Глубина релаксации и ее зависимость от напряжения. Макроскопический предел упру гост и...............................................................................75

2.1.4.2. Аппроксимация и анализ временных зависимостей релаксации напряжений системы "М-О"...............................................................................76

2.1.4.3. Реологические параметры релаксации напряжений, определяемые по виду зависимости о (I)................................................................................82

2.1.4.4. Оценка влияния релаксации машины на величину реологических параметров образца..............................................................................................85

2.1.5. Выбор геометрии образца......................................................................90

2.2. Автоматизированная система для измерения реологических

параметров МИД при релаксации напряжений (АС МПД)..........................92

2.2.1. Назначение и область применения АС МПД.......................................92

2.2.2. Техническое обеспечение АС МИД........................................................92

2.2.3. Программное обеспечение АС................................................................96

2.2.4. Метрологическое обеспечение.............................................................102

2.3. Другие методы исследования сплавов.................................................юз

2.4. Материалы для исследования.................................................................106

2.4.1. Разбавленные твердые растворы........................................................106

2.4.2. Материалы для исследования роли некогерентных частиц второй фазы стали (20 и У10А) и когерентных частиц других фаз стали (У10А)А01

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II...................................................................................110

ГЛАВА III. Закономерное in поведения реологических параметров МПД при релаксации напряжений в металлических материалах 111

3.1. Поведение реологических параметров МПД при релаксации

напряжений в металлах с низким содержанием примесей: apmko-железо, никель, медь..'.............................................................................111

3.2. Поведение реологических параметров МПД при релаксации напряжений в сплавах, содержащих некогерентные частицы второй фазы (стали 20 и У10А.)...........................................................................122

3.3. Поведение реологических параметров МПД при релаксации напряжений в сплаве, содержащем когерентные частицы других фаз (У10А).......................................................................................................124

3.4. Закономерности изменения физико-механических свойств, фазового состава и реологических параметров МПД при отпуске закаленной стали У10А...............................................................................132

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III...............................................................................137

ГЛАВА IV. Микромеханизмы начальных стадий пластической деформации в металлических поликристаллических материалах при релаксации напряжений...............................................................................139

4.1. Механизмы пластического течения в области МПД при релаксации напряжений в разбавленных твердых растворах поликристаллических металлов............................................................................................139

4.2. Классификация реологических параметров и их связь с механизмами МПД при релаксации напряжений...........................................149

4.3. Механизмы пластического течения в области МПД при релаксаций напряжений в сталях, содержащих некогерентные частицы второй фазы (20 и У10А)....................................................................151

4.4. Механизмы пластического течения в области МПД при релаксации напряжений в стали, содержащих когерентные частицы карбидных фаз (У10А). ......................................................................................154

4.5. Влияние процессов карбидообразования при отпуске закаленной углеродистой стали У10А: на эволюцию микроструктуры, реологические параметры МПД при релаксации напряжений, физико-

механические свойства..................................................................................162

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.................................................................................166

ГЛАВА V. Прогнозирование и контроль физико-механических свойств металлических материалов по данным релаксационных испытаний......................................................................................................167

5.1. Примеры прогноза и контроля эксплуатационных характеристик материалов для решения различных технических задач........................167

5.1.1. Пределы упругости, пропорциональности, текучести..................167

5.1.2. Ударная вязкость..................................................................................174

5.1.3. Предел выносливости............................................................................180

5.1.4. Демпфирующая способность...............................................................188

5.1.5. Износостойкость..................................................................................197

5.2. Примеры прогноза эксплуатационного состояния конструкционных сталей.................................................................................................199

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ V...............................................................................211

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...................................................................212

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................214

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................227

ВВЕДЕНИЕ

Параметры микропластической деформации конструкционных материалов (предел макроупругости, физический предел текучести и др.) являются важнейшими структурно-чувствительными механическими характеристиками материалов. Существует широкий круг прикладных задач, в частности задачи контроля эксплуатационного состояния, оценки ресурса работы и др., в которых использование параметров микропластической деформации является более целесообразным и более информативным, чем использование традиционных механических характеристик. В последнее время достигнуты значительные успехи в использовании параметров микропластической деформации (МПД) при решении научных и практических задач, продемонстрированные в работах Дударева Е.Ф. и Головина С.А. и др. В то же время существует и целый ряд проблем теоретического, прикладного и методического характера, препятствующих широкому распространению методов, основанных на использовании параметров МПД [1-9]. В частности, многие аспекты деформационного поведения начальных стадий пластической деформации и применения ее параметров для оценки важных эксплуатационных характеристик конструкционных сталей (предела упругости, предела текучести, ударной вязкости, предела усталости, уровня демпфирования, предельной пластичности и др.) не получили достаточного освещения. Требует дополнительного изучения вопрос установления связей между параметрами МПД при релаксации напряжений структурой и важными эксплуатационными механическими свойствами конструкционных сталей и сплавов; нет систематических исследований деформационного поведения и кинетики механизмов МПД при релаксации напряжений в металлических поликристаллических материалах. Вызывает особый научный и практический интерес поведение параметров МПД и физико-механических свойств в условиях карбидообразовання при отпуске закаленных углеродистых сталей. Нет простого и эффективного метода исследования МПД при релаксации напряжений по ее реологическим параметрам для анализа структуры, оценки и контроля эксплуатационных механических свойств конструкционных сталей.

В связи с этим, весьма актуальной является разработка рекомендаций по использованию параметров МПД для оценки и контроля эксплуатационных свойств конструкционных сталей и сплавов на основе изучения МПД при релаксации напряжений и установления связей между

параметрами МПД, структурой и физико-механическими свойствами в металлических поликристаллических материалах. Для выполнения поставленной цели требуется решение ряда задач:

1. Исследование закономерностей микропластической деформации при релаксации напряжений в металлических поликристаллических материалах и определение комплекса физически обоснованных реологических параметров МПД, которые зависят от состава и структуры материалов и позволяют по результатам измерения МПД анализировать микроструктурные изменения материалов в процессе термообработки и эксплуатации.

2. Установление основных закономерностей микропластической деформации в условиях релаксации напряжений отпущенной углеродистой стали (У10А) в различных структурных состояниях, позволяющих установить связи между поведением реологических параметров, состоянием структуры и физико-механическими свойствами и объяснить аномалии свойств стали, обусловленные процессами карбидообразования при ее отпуске.

3.Для широкого круга конструкционных металлических материалов установление корреляционных связей между реологическими параметрами МПД и важнейшими механическими характеристиками: пределом текучести, пределом усталости, ударной вязкостью, коэффициентом поглощения (демпфирования), предельной пластичностью.

4. Разработка и создание инструментальных, методических и программных средств автоматизированной системы исследования микропластической деформации (АС МПД) для изучения закономерностей начальных стадий пластической деформации при релаксации напряжений.

Одной из причин проведения данного исследования и создания специализированного метода изучения микропластичности явилась необходимость решения задачи, связанной с контролем состояния материалов реакторного оборудования АЭС в штатных условиях эксплуатации. Как известно, процесс радиационного повреждения материалов реакторного оборудования зависит от большого количества факторов, связанных с химическим составом стали, особенностями ее термической и механической обработки, параметрами облучения, комбинированным влиянием облучения и среды и т.д. Для целей контроля, в частности, основного металла корпуса реактора обычно используются образцы - свидетели, которые должны быть не только размещены

максимально близко к рабочей части конструкции, но и обладать возможно меньшими размерами. В то же время, метод испытаний образцов должен иметь максимально возможную точность, информативность и быть простым в эксплуатации, поскольку испытания образцов - свидетелей проводятся дистанционно с помощью манипуляторов. Для этих образцов необходимо получить достоверные результаты об изменении состояния структуры объекта и комплекса его механических свойств, в частности характеристик прочности, пластичности, ударной вязкости, вязкости разрушения, критических температур вязко-хрупкого перехода, малоцикловой усталости. Все перечисленное дает представления о сложности проблемы контроля материалов реакторного оборудования. Все эти проблемы позволила решить описанная ниже методика изучения параметров МПД при релаксации напряжений.

Данная работа выполнялась в отделе (лаборатории) №5 НИФТИ ННГУ, в период с 1982 г. по 1997 г. Результаты работы были использованы в следующих г/б и х/д НИР. В госбюджетных НИР, выполняемых по целевым комплексным научно-техническим программам ГКНТ СССР: "Влияние различных факторов на закономерности фазовых и структурных превращений и на свойства новых сплавов", "Разработка автоматизированной установки для контроля за состоянием материалов корпусов реакторов АЭС". В хоздоговорных НИР: "Поиск материалов и разработка режимов их упрочнения для деталей, работающих в резонансном колебательном режиме с предельными нагрузками при неизменной частоте собственны колебаний", " Разработка методик и аппаратуры для определения механических свойств сплавов по их параметрам микропластической деформации", "Разработка теории и метода прогнозирования предельных механических свойств порошковых материалов" - по Межвузовской научно-технической программе "Исследования в области порошковой технологии".

ГЛАВА I

ЯВЛЕНИЕ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ, МЕТОДЫ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МИКРОМЕХАНИЗМЫ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ГЦК, ОЦК - ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ И ГЕТЕРОФАЗНЫХ СПЛАВАХ

1.1. ЯВЛЕНИЕ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ И МЕТОДЫ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микропластичность - это явление, отражающее неоднородность протекания пластической деформации в отдельных локальных объемах материала. Такое определение микропластичности дано впервые Н .Н. Д авиденковым.

Микропластическая деформация проявляется в том, что движущиеся в определенных микро- и субмикрообъемах дислокации в них же и задерживаются, образуя скопления у барьеров (или препятсвий).

Уровень "полевых" барьеров в рельефе внутренних напряжений вдоль поверхности, по которой движутся дислокации, зависит от природы препятствий (комплексы точечных дефектов, когерентные частицы выделений, некогерентные частицы выделений, микроскопические поры и включения). В области МПД по мере нарастания внешней нагрузки прохождение дислокациями препятствий осуществляется, как правило,

V/ и И

статистически-последовательно по мере повышения уровней полевых барьеров препятствий. В результате "прорыва" барьеров и возникновения новых очагов микропластичности происходит релаксация пиков внутренних напряжений.

Замечательной особенностью области МПД (плотность дислокаций 10М012 м2), является возможность разделения (по уровню приложенного напряжения, интенсивности и времени протекания) суммарного действия отдельных механизмов дислокационного течения на составляющие. Тем

самым, может быть идентифицирован характер взаимодействия отдельных дислокаций с конкретным типом препятствий. В связи с чем появляется возможность успешного применения параметров МПД для контроля изменения структурного состояния конструкционных сплавов при их эксплуатации.

В отличие от МПД, более поздние стадии пластической деформации, характеризуются высокой плотностью дислокаций (1015 м2) с образованием "плотных" дислокационных структур и наложением действующих механизмов [10, 11], что приводит к чрезвычайному усложнению задачи разделения пластического течения на отдельные действующие механизмы.

При экспериментальном исследовании микропластичности, могут применяться различные методы и технические средства:

1. Методы изучения напряженно-деформированных состояний в микрообластях металлов. Данные методы направлены на исследование процессов локального зарождения и накопления очагов микродеформации (метод малобазовых тензометрических датчиков, делительных сет