автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Оценка структурных превращений при термической обработке и эксплуатации конструкционных сталей с помощью компьютерной металлографии

На правах рукописи

Белова Инна Валерьевна

ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОЙ МЕТАЛЛОГРАФИИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005539475

Комсомольск-на-Амуре - 2013

005539475

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (г. Комсомольск-на-Амуре) на кафедре «Материаловедение и технология новых материалов»

Научный руководитель: Ким Владимир Алексеевич, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре)

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

Паладин Николай Михайлович, кандидат технических наук, ООО «НТЦ Информационные технологии» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт материаловедения» Дальневосточного отделения Российской академии наук (г. Хабаровск)

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.092.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, проспект Ленина, 27, ауд. 201 корпус 3. Факс: (4217) 536150; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Автореферат разослан « 7_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Пронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Оптическая и электронная металлография занимают весомое место в структурном анализе материала, благодаря визуальной оценке структурных изменений при различных энергетических, химических и иных воздействиях, возникающих в процессах обработки и эксплуатации материала, а также возможности получения количественных показателей отдельных структурных составляющих, используемых для прогнозирования, оптимизации и математического описания взаимосвязи «состава-структуры-свойств» материала.

Традиционные количественные показатели, определяемые по изображениям микроструктур, базируются, главным образом, на описании зеренного строения материала. К ним относят, в частности, количество зерен на единичной площади шлифа, балл зернистости, средний размер зерна и субзерна. Используя эти показатели, были получены важные для материаловедения математические соотношения между зеренной организацией и механической прочностью, пластичностью, деформационной упрочняемостью и сопротивляемостью материала различным видам разрушения, а также уравнения миграции границ зерен и кинетики роста новых фаз.

Развитие компьютерных программ обработки изображений расширило и усилило возможности количественной оценки состояния микроструктур. Приложение теории фракталов и синергетики к материаловедению позволило количественно оценивать степень неоднородности и упорядоченности структуры, развитость границ раздела, а также количественно описать кинетику структурной самоорганизации, развивающуюся в неравновесных условиях. Благодаря этому появилось новое направление — фрактальное материаловедение, позволяющее создавать материалы нового поколения с уникальными неравновесными структурами и физико-механическими свойствами.

Изображения микроструктур несет намного большую информативность, чем ту, которая поддается строгому количественному описанию. Этим можно объяснить, что при анализе изображений микроструктур преобладает качественный подход, в котором неизбежно присутствует субъективность, зависящая от квалификации специалиста.

Разработка новых количественных показателей структурной организации материала позволит разработать математический аппарат для более глубокого физического понимания структурных превращений при деформационном и термическом воздействии, структурной приспосабливаемое™ и структурную деградацию материала при эксплуатации в различных условиях и различных активных средах. Расширение арсенала количественных структурных показателей усиливает методологическую основу для развития компьютерной металлографии, активно внедряемой в научных исследованиях и производстве.

Цель работы: исследование взаимосвязи между количественными показателями изображения микроструктуры материала и его физико-механическими свойствами для описания структурных превращений при термической обработке,

оценке износостойкости конструкционных и инструментальных сталей, а также структурной деградации печных змеевиков из нержавеющих сталей.

Основные задачи исследования:

1. Анализ количественных соотношений процесса структурных превращений в поликристаллических материалах при различных энергетических воздействиях.

2. Обоснование и разработка новых количественных показателей структурной организации материала, методов расчета и способов повышения точности их определения за счет компьютерной обработки изображений.

3. Установление связи между количественными показателями структурной организации материала и его физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

4. Разработка методов расчета энергии активации кинетических процессов, сопутствующих структурным изменениям при термической обработке конструкционных сталей и разложении мартенсита при отпуске.

5. Исследование структурной деградации трубных сталей (печных змеевиков) при длительном температурно-силовом воздействии в коррозионно-активных средах.

6. Внедрение результатов работы в учебный и производственный процесс.

Научная новизна:

1. Установлена связь между количественными показателями структурного состояния конструкционных сталей и ее физико-механическими свойствами. Показано, коэрцитивная сила, удельное электрическое сопротивление и твердость связаны прямо пропорциональной зависимостью с фрактальной размерностью и плотностью границ зерен.

2. Разработана методика компьютерной обработки изображения микроструктуры, заключающаяся в вычитании темного фона, которая позволяет минимизировать негативное влияние дефектов травления металлографического шлифа на точность вычисления количественных показателей структурного состояния материала.

3. Раскрыт характер изменения средней плотности и фрактальной размерности границ на разных стадиях разложения мартенсита при отпуске конструкционных сталей, на основании которых рассчитаны энергии активации зарождения зародышей новой фазы и их роста.

4. Получен комплекс эмпирических зависимостей между количественными характеристиками структурного состояния инструментальных сталей и их износостойкостью.

5. Установлено, что фрактальная размерность границ раздела наиболее полно отражает характер изменения структуры при длительной эксплуатации трубных сталей в условиях высоких температур, растягивающих напряжений и активных коррозионных сред. Определены количественные показатели структурного состояния сталей 08Х18Н10Т и 15Х5М, соответствующие уровню критической деградации.

На защиту выносятся:

- методика обработки цифрового изображения микроструктуры, устраняющая дефекты приготовления металлографического шлифа и травления путем вычитания темного фона;

- методика определения энергии активации процессов образования зародышей новой фазы и их роста при разложении мартенсита в процессе отпуска на основе количественных показателей структурной организации материала;

- обоснование характера изменения количественных показателей структурного состояния при деградации структуры печных змеевиков из нержавеющих сталей, подверженных длительному воздействию высоких температур, внутренних давлений и коррозионно-активных внешних сред, и критические значения фрактальной размерности, соответствующие стадии предразрушения.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов физики твердого тела, материаловедения, теории пластической деформации, принципов физической мезомеханики, процессов механической и физико-технической обработки, теории вероятности и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современного оборудования, в частности, шлифовально-полировального станка EcoMet® 250/300, дилатометра Netzsch DIL 402РС, микротвердомера SHIMADZU HMV-2 Series, металлографического микроскопа Микро-200 и растрового электронного микроскопа HITACHI S3400N.

Обработка изображений микроструктур осуществлялась с помощью программы Image.Pro.Plus.5.1.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты исследований по структурным изменениям печных змеевиков внедрены на ООО «PH-Комсомольском НПЗ» (г. Комсомольск-на-Амуре), на основании которых были определены количественные показатели микроструктуры, соответствующие критической степени структурной деградации.

Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров материаловедческого и машиностроительного профиля.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 14 печатных работах, 2 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа изложена на 124 страницах, включая 49 рисунков. 12 таблиц. Список использованных источников содержит 151 наименование.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые техно-

логии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре 2007); международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре 2009г.); международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре 2010); российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» (Комсомольск-на-Амуре 2011).

Основные положения и результаты работы докладывались также на научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (2007 - 2013 г.)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе выполнен анализ современных представлений о механизмах структурных изменений при различных энергетических воздействиях, при термической обработке и эксплуатации различных материалов, количественных соотношений этих изменений и методик расчета структурно-энергетических показателей структурных превращений.

Структура материала несет информацию о его составе, строении, технологии изготовления и условиях эксплуатации изделия из него. Для описания и математического моделирования процессов кристаллизации и рекристаллизации, роста зерен и миграции границ раздела, образования зародышей новой фазы и выделения дисперсных частиц, развития упорядоченных структур и других структурных превращений при тепловом и деформационном воздействии используют различные количественные показатели, характеризующие структурные составляющие, разработанные многими российскими и зарубежными учеными, в частности, Д.К. Черновым, Н.Т. Гудковым, A.A. Байковым, Н.С. Курнаковым, A.A. Бочва-ром, Г.В. Курдюмовым, Б.Б. Гуляевым, Ю.М. Лахтиным, И.А. Одингом, В.Е Паниным, B.C. Ивановой, А. Коттреллом, У. Юм-Розери, Р. Капом, Д. Кристианом и другими.

Для идентификации структурных составляющих применяют различные химические реактивы и методики подготовки металлографических шлифов, позволяющие исследовать строение границ, характер распределения дисперсных частиц второй фазы, дислокации, концентраторы напряжений разных масштабных уровней. Совокупность структурных составляющих, несущих наиболее важную информацию о материале называют интерфейсом структурного состояния.

Развитие современных программ обработки изображений открывает новые возможности структурного анализа материалов, и позволяют цифровые изображения микроструктур преобразовывать в числовые множества, из которых можно

создавать различные количественные показатели. Это является основой новой методологии — компьютерной металлографии. Весомый вклад в развитие компьютерной металлографии внесли российские и зарубежные ученые, такие как, B.C. Иванова, В.Е. Панин, Г.В. Встовский, Б. Мандельброт, Т. Нишихара и другие.

Арсенал количественных характеристик структурного состояния материалов постоянно расширяется с учетом новых проблем и задач, которые встают перед современным материаловедением, поэтому исследования, связанные с разработкой новых количественных показателей, являются актуальными.

Исходя из изложенного, была сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны экспериментальные методики, используемые в диссертационной работе, дано обоснование выбора исследуемых материалов.

В качестве исследуемых материалов были использованы конструкционные, инструментальные и нержавеющие стали (20, 45, 15Х5М, У10, ХВГ и 08Х18Н10Т) в различных структурных состояниях.

Термическая обработка образцов проводилась в муфельной печи фирмы CHOJL Металлографические шлифы приготавливались на шлифовалыю-полировальном станке EcoMet® 250/300. Фазовые превращения изучались на дилатометре Netzsch DIL 402РС.

Для исследования микроструктуры использовалась компьютерная металлография, основанная на программной обработке цифровых изображений микроструктур. Цифровое изображение микроструктур получали на металлографическом микроскопе «Микро-200» при 400 и 1000 кратном увеличении, а обработка осуществлялась с помощью программы Image.Pro.Plus.5.1, в результате которой определялись периметр (Pi) и площадь каждого микроструктурного объекта (Si), фрактальная размерность границ зерен и раздела фаз (D,), и количество микроструктурных объектов (N) на единичной площади поверхности металлографического шлифа. На одной фотографии микроструктуры при 400 кратном увеличении фиксировалась площадь поверхности шлифа 260x200 мкм2, на которой располагалось от 100 до 2500 микрообъектов, поэтому математическая обработка изображений предусматривала использование статистических критериев.

Микротвердость измерялась на микротвердомере SHIMADZU HMV-2 Series по стандартной методике при нагрузках 0, 49 Н и 2,942 Н (для 08Х18Н10Т).

Износостойкость определяли экспресс-методом при трении призматических образцов по плоской поверхности на специальном стенде, позволяющей получать уравнение интенсивности износа в зависимости от нормального давления.

Коэрцитивная сила для стали 45 измерялась магнитным структуроскопом КРМ-Ц, а удельное электрическое сопротивление на стенде по схеме «амперметр - вольтметр».

В третьей главе дана физическая интерпретация некоторых количественных показателей изображений микроструктур, раскрывающая динамику процесса кристаллизации, развития новых фаз при полиморфных превращениях и разложении мартенсита при отпуске закаленных сталей, а также приведена разработанная методика устранения дефектов приготовления металлографического шлифа с помощью программной обработки изображения.

Концентраторы напряжений микромасштабного уровня являются аккумуляторами свободной энергии и играют важную роль в процессах рекристаллизации, образования и развития новых фаз, пластической деформации и развитии дислокационной структуры. Исходя из теории Инглиса показано, что между геометрией границ раздела и коэффициентом концентрации напряжений существует прямая зависимость. Это позволяет по удельной плотности границ раздела оценивать роль микроструктурных составляющих в развитии локальных зон с повышенной величиной внутренних напряжений или структурной неоднородности.

Одной из количественных характеристик структурной организации поликристаллического материала является размерное распределение зерен и других микроструктурных составляющих. Если исходить из предположения, что средняя скорость роста зерна постоянна, то по характеру их размерного распределения можно воспроизвести кинетику зародышеобразования и определить основные стадии этого процесса. На рисунке 1 показаны плотности выделения микроструктурных объектов в зависимости от условной продолжительности процесса разложения мартенсита при отпуске и отжиге стали 45. п,

400

300

200

100

1- 200°С; 2 - 400°С; 3 - 500°С; 4 - 600°С; 5 - 850°С Рисунок 1 - Условная скорость выделения зародышей новой фазы при разложении мартенсита закалки при температурах отпуска и отжига

Анализ показывает, что условная скорость образования зародышей новой фазы практически одинакова для разных температур отпуска, а скорость их роста носит экстремальный характер, достигая максимума при температуре отпуска 400°С. С дальнейшим повышением температуры отпуска снижение условной скорости роста связано с уменьшением количества микроструктурных объектов за счет поглощения крупными зернами более мелких.

Точность определения количественных показателей структурного состояния материала во многом зависит от качества приготовления металлографического шлифа и его травления. Чаще всего низкое качество приготовления металлогра-

фического шлифа связано с нарушением времени травления, оптимальная величина которого определяется, как правило, эмпирически путем многократного повторения. При недостаточном времени травления на шлифе наблюдаются непро-травленные области, а при длительном травлении - перетравленные.

Предлагаемая методика обработки цифровых изображений микроструктур, минимизирующая влияния дефектов травления на точность вычисления количественных показателей структурного состояния, заключается в вычитании темного фона с последующим снятием контрастной маски. На рисунке 2 приведено влияние длительности травления металлографического шлифа и различного алгоритма вычитания фона на коэффициент вариации распределения плотности границ зерен. Вычитание темного фона обеспечивает наибольшую точность определения количественного параметра, характеризующего состояние границ зерен.

1 . - г ^^4 | ! 1

^—....Т^у ! ........... .....^ЛТ44

'................V.....1

Ч2 |

-- - ; -1

О 10 20 30 40 50 и с

1 - без вычитания фона; 2 - вычитание темного фона; 3 - вычитание светлого фона; 4 - вычитание светлого и темного фона

Рисунок 2 - Коэффициент вариации при различных методах обработки

изображений

Четвертая глава посвящена исследованию связи между количественными показателями микроструктуры и физико-механическими свойствами материала, количественному анализу структурных превращений при термической обработке конструкционных и изнашивании инструментальных сталей, а также разработке методики определения энергий активации процессов образования зародышей новой фазы и роста ферритно-перлитных зерен при отпуске закаленных сталей.

Механические и физические свойства металлов и сплавов в значительной степени определяются типом, характером распределения и плотностью дефектов кристаллического строения, которые прямым образом отражаются на микроструктуре материала и показателях его структурного состояния. Точечные и линейные объекты, границы зерен и раздела фаз, выявляемые на изображениях микроструктур, представляют концентраторы напряжений или зоны, в которых рас-

иределение внутренней энергии носит градиентный характер. Показатель структурной организации 0С учитывает развитость границ микроструктурных составляющих за счет размерного фактора (плотность границ) и геометрии самой границы (фрактальная размерность). С повышением плотности дефектов кристаллического строения параметр Ос возрастает.

С повышением параметра структурной организации Ос микротвердость (рисунок 3), коэрцитивная сила (рисунок 4) и удельное электрическое сопротивление (рисунок 5) возрастают.

НУ.МПа

8000 -

7000 -

6000 -

5000 -4000

3000 -

2000 -

1000 -

0 200 400 600 800 """

Рисунок 3 - Связь между микротвердостью и показателем организации структуры

Ос

Это означает, что структурные составляющие материала, определяющие величину Ос, являются препятствиями для скольжения дислокаций при пластической деформации, вызывают торможение доменных границ при воздействии на ферромагнетик внешним магнитным полем и рассеивают энергию электронной волны при прохождении электрического тока. Следовательно, параметр 0С представляет характеристику, определяющую диссипативную активность структурного состояния, которую можно использовать для прогнозирования прочностных и эксплуатационных свойств материала.

Не, А/см

О 200 400 600 800 Ос. мкм"1

Рисунок 4 - Связь между коэрцитивной силой и показателем организации

структуры

р, мкОм'см

28,0 -26,0 -24.0 -22,0 -20,0 -

0 200 400 600 800 мкм"1

Рисунок 5 - Связь между удельным электрическим сопротивлением и показателем

организации структуры

Используя количественные показатели изображений микроструктур, можно анализировать стадийность процесса разложения мартенсита при отпуске закаленных сталей и в первом приближении вычислять энергию активации этих механизмов. Алгоритм развития новой фазы включает образование зародышей и их рост. Кинетику образования зародышей можно отслеживать по температурно-временной зависимости количества микроструктурных объектов, а рост зерен новой структуры по характеру изменения среднего диаметрального размера зерна (формула 1). Исходя из предположения, что образование зародышей новой фазы и

рост зерен описывается уравнением арениусовского типа, была определена энергия активации этих процессов.

На рисунке 6 приведена зависимость количества микроструктурных объектов от обратной величины произведения газовой постоянной и абсолютной температуры процесса, построенной в полулогарифмических координатах, угол наклона которой определяет энергию активации. Расчеты показывают, что для стали 45 энергия активации образования зародышей составляет Еп = 7804,8 Дж/моль.

Рисунок 6 - К определению энергии активации образования зародышей новой структуры при разложении мартенсита стали 45

Для определения энергии активации роста новых структур при разложении мартенсита использовался температурный коэффициентом приращения среднего диаметрального размера зерна, вычисляемый по формуле

Д™

<*r="f (1)

где Аср ¡a Js^ - средний диаметральный размер зерна;

Scp - средняя площадь зерна; Т — температура отпуска. Зависимость этого параметра от обратной величины произведения RT в полулогарифмических координатах представлена на рисунке 7, а энергия активации роста перлитных зерен при разложении мартенсита стали 45 составляет Ег = 7066,2 Дж/моль.

Рисунок 7 - К определению энергии активации роста перлитных зерен при разложении мартенсита стали 45

Параметр структурной организации <3с учитывает численность микроструктурных объектов, зафиксированных на одном снимке, среднюю плотность границ и их фрактальную размерность, поэтому ее можно использовать для оценки энергии активации процесса структурных превращений в целом. На рисунке 8 показана одна из зависимостей, по которой определялась энергия активации процесса разложения мартенсита при отпуске закаленной стали 45.

Ьп(0с1 -

1 -

О -т-,-:-

О 0,0002 0,00025 0,0003 1ЖТ

Рисунок 8 - К определению энергии активации процесса разложения мартенсита

при отпуске стали 45

Значения энергии активации разложения мартенсита при отпуске для различных вариантов закалки составляетЕ = 1444!...17438 Дж/моль.

Предлагаемая методика не заменяет общепринятый подход определения энергии активации структурных измерений при термической обработке, разработанная Курдюмовым Г.В., а раскрывает новые возможности практического использования количественных показателей, которые являются важным элементом для развития компьютерной металлографии. Тем не менее, сравнительный анализ численных значений энергий активаций, рассчитанных по методике Курдюмова Г.В. и по результатам дилатометрии с предлагаемой методикой дает различие не более 30...40%.

В таблице 1 приведены результаты исследований по установлению связи между количественными параметрами структурного состояния материала и его износостойкостью. Интенсивности изнашивания определялась на образцах из сталей 45, У10 и ХВГ, отличающиеся различными микроструктурами, которые обеспечивались соответствующим видом и режимом термической обработки, при этом интенсивность изнашивания материала представлялась степенной зависимостью

•1 = КР", (2)

где ] - интенсивность изнашивания материала; р - нормальное номинальное давление;

К, п - эмпирические постоянные, зависящие от структуры материала и условий трения.

Плотности границ (ц) с повышением степени упрочнения сталей возрастает, при этом минимальные значения наблюдаются у отожженных, а максимальные -у закаленных структур. С увеличением плотности границ и фрактальной размерности проявляется общий тренд роста износостойкости материала.

Таблица 1 -Значения параметров эмпирической степенной зависимости (2) и

количественные характеристики микроструктуры

Материал Структура Параметры зависимости (4.5) Фрактальная размерность, D Плотность границ зерен, q, мкм'1

КТО-11 п

Сталь 45 Перлит 5,845 1,326 1,223 0,725

Сорбит 5,427 1,265 1,232 0,207

Тростит 4,112 1.116 1,185 0,104

Мартенсит 2,556 0,795 1,172 0,573

У10 Перлит 5,045 1,167 1,345 0,455

Сорбит 4,856 1,054 1,275 0,476

Троостит 3,455 0,893 1,267 0,552

Мартенсит 2,267 0,697 1,256 0,723

ХВГ Перлит 3,815 1,287 1,283 0,084

Сорбит 3,345 1,055 1,255 0,123

Троостит 1,843 0,736 1,237 0,215

Мартенсит 0,725 0,497 1,205 0,632

В пятой главе выполнен анализа структурных изменений печных змеевиков, при этом показано, что фрактальная размерность границ раздела наиболее полно отражает характер изменения структуры при длительной эксплуатации трубных сталей в условиях высоких температур, растягивающих напряжений и активных коррозионных сред. Определены количественные показатели структурного состояния сталей 08Х18Н10Т и 15Х5М, соответствующие уровню критической деградации.

Наиболее активно структурные изменения в змеевиках из нержавеющих сталей за счет температурного, силового и коррозионного воздействия проявляются на внутренней поверхности в местах образования коксовых отложений. Это объясняется тем, что между устойчивыми коксовыми отложениями и поверхностью формируется плотная адгезионная связь, через которую осуществляется активная диффузия, в первую очередь, углерода. Выделяющиеся при этом карбиды по границам зерен, создают зоны, которые становятся активными «ловушками» для атомов водорода и реализуют в них водородное охрупчивание.

В таблице 2 приведены количественные характеристики исследуемых микроструктур стали 15Х5М. Структурные изменения материала, приводящие к снижению жаропрочности и отражается на количественных показателях интерфейса структурного состояния.

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, уменьшение их количества на единичной площади поверхности шлифа, и как следствие, уменьшение балла зерна. Мелкие зерна неправильной формы, укрупняясь, становятся более равноосными, и это отражается в снижении фрактальной размерности границ. Крупные карбидные кристаллиты выделяются по границам зерен и имеют глобулярную форму. В общем случае точечные карбидные выделения характеризуются низкой фрактальной размерностью и высокой плотностью границ из-за своих малых размеров. Укрупнение ферритных зерен приводит к снижению, а выделение мелких и глобулярных карбидов - к увеличению плотности границ.

Таблица 2 - Обобщенные количественные показатели микроструктур

Образец Кол. микрообъектов на одной фотографии, N, штук Балл зерна Средняя фрактальная размерность границ зерен, Dcp Средняя плотность границ зерен, qcp, мкм'1 Удельный параметр организации структуры, q„ mkm'Vmm2

а 837 9 1.2131 2.3149 22626,3

б 525 8...9 1,1891 2,4620 12673.8

в 277 8 1,1660 2,4833 6995,6

г 123 7...8 1,1563 2.2520 4529,3

Примечание: а - зона входа нижняя сторона; б - зона входа верхняя сторона; в -зона выхода верхняя сторона; г — зона выхода нижняя сторона (локальное вздутие)

На рисунке 9 приведены кривые частотного распределения фрактальной размерности, а на рисунке 10 - средняя плотность границ исследуемых образцов.

Изменение характера распределения фрактальной размерности с повышением температуры длительной выдержки проявляется в смещении центра группирования в область меньших величин, так как выпадение мелких карбидов внутри фер-ритного зерна и выделение глобулярных карбидов по границам отражается только на левом участке кривой распределения относительно максимума.

1- образец а; 2 -образец б; 3 - образец в; 4 - образец г Рисунок 9 - Распределение фрактальной размерности границ зерен

1- образец а; 2 -образец б; 3 - образец в; 4 - образец г Рисунок 10 - Распределение плотности границ зерен

На кривых распределения плотности границ с повышением температуры длительной выдержки максимум кривых распределения незначительно смещается в область меньших значений, а диапазон рассеивания увеличивается за счет смещения верхней границы в большую сторону, и это, в конечном итоге, проявляется в повышении средней плотности границ. Такой характер структурных изменений

проявляется только в диапазоне температур ниже границы полиморфных превращений.

Средняя плотность границ микроструктуры в области локальной выпуклости принимает минимальное значение. Зернограничное скольжение в этой зоне требует меньших энергетических затрат, что в конечном итоге приводит к снижению жаропрочности материала.

Понижение плотности границ и параметра организации структуры (яс) ниже определенной величины можно рассматривать как критический уровень структурной деградации, недопустимый с эксплуатационной точки зрения. Значение плотности границ и параметра организации структуры в области локальной выпуклости с]С[1 - 2,2520 мкм"1 и qc ~~ 4529,0 мкм"7мм2 соответствует критической величине показателей структурной деградации.

В таблице 3 сведены количественные показатели структурной организации змеевика из нержавеющей стали 08Х18Н10Т в исходном состоянии и после длительной эксплуатации. На рисунках 11 и 12 приведены кривые распределения фрактальной размерности и средней плотности границ нержавеющей стали на разных участках змеевика. Анализ микроструктур и характер изменения количественных показателей структурной организации показывает, что пластическая деформация при ползучести реализуется главным образом за счет зерногранично-го скольжения, при этом более развитые границы характеризуются большей устойчивостью к микропластической деформации.

Потеря жаропрочности сопровождается снижением фрактальной размерности границ, достигающей минимальное значение у микроструктур, соответствующих минимуму предела текучести и ползучести.

Таблица 3 - Сводные количественные показатели микроструктур

Участок змеевика Кол-во Средняя фрак- Средняя Удельный па-

микроооъ- тальная размер- плотность раметр орга-

ектов на ность границ зе- границ зерен, низации

одной фотографии, рен, Б Чср, мкм"1 структуры, qc, мкм'1/мм2

шт

Исходная 140 1.212 2,812 4570,8

Зона вздутия 149 1,207 2,4 4173,5

Вблизи трещины 136 1.225 2.358 3756,7

Трещина 152 1,191 2,314 4049,3

Низкое значение фрактальной размерности в локальных зонах, примыкающих к трещинам, подтверждает, что сброс упругой энергии при их развитии приводит к снижению плотности концентраторов напряжений разных масштабных уровней.

1- исходная структура; 2 -вздутие; 3 — вблизи трещины; 4 — трещина Рисунок 11 - Распределение фрактальной размерности границ зерен

1- исходная структура; 2 -вздутие; 3 - вблизи трещины; 4 - трещина Рисунок 12 - Распределение плотности границ зерен

Потеря термической устойчивости, снижение предела ползучести и локальная пластическая деформация являются проявлением структурной деградации, которую можно количественно оценить параметром организации структуры qc. Для змеевика конкретной конструкции предельно допустимый уровень деградации, ниже которой происходит разрушение, соответствует = 4173,5 мкм'Умм2.

Результаты исследований нашли практическое применение в разработке методических рекомендаций по мониторингу структурного состояния печных змеевиков на ООО «РН-Комсомольском НПЗ» (г. Комсомольск-на-Амуре)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложены количественные показатели микроструктуры, в частности удельная и средняя плотность границ раздела, удельный параметр структурной организации и весовые коэффициенты по площади (или объему), характеризующие роль микромасштабного концентратора напряжения при воздействии на материал различными энергетическими потоками.

2. Разработана методика подготовки цифрового изображения микроструктуры, включающая вычитание темного фона, позволяющая свести к минимуму влияние дефекта травления на точность вычисления количественных показателей интерфейса структурного состояния.

3. Выполнен количественный анализ структурных превращений при отпуске мартенсита и рассчитаны энергии активации процессов образования зародышей новой фазы и роста ферритно-перлитных зерен. Суммарное значение энергий активации отдельных стадий разложения мартенсита удовлетворительно совпадают со значениями, полученными другими исследователями методом рентгено-структурного анализа и дилатометрии.

4. Установлено, что между средней плотностью и фрактальной размерность границ с одной стороны и коэрцитивной силой и удельным электрическим сопротивлением с другой стороны имеет место прямая пропорциональная зависимость. Полученные эмпирические линейные зависимости можно использовать для прогнозирования физико-механических свойств конструкционных сталей при различных видах обработки и эксплуатации.

5. Установлена связь между показателями степенной зависимости интенсивности изнашивания как функции номинального нормального давления и количественными параметрами микроструктуры инструментальных сталей, в частности фрактальной размерностью границ раздела и параметром структурной организации. С повышением фрактальной размерности границ и параметра структурной организации износостойкость материала возрастает.

6. Структурные превращения при длительной эксплуатации нержавеющих сталей при высоких температурах и растягивающих напряжениях в активных коррозионных средах наиболее полно отражает фрактальная размерность границ. Структурная деградация, приводящая к снижению жаропрочности, сопровождается уменьшением фрактальной размерности границ раздела.

7. Результаты исследований по структурной деградации печных змеевиков были применены для мониторинга их структурного состояния в процессе эксплуатации приняты к внедрению на ООО «PH-Комсомольском НПЗ»

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

Список ny6.4w<aifuii в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ким, В.А. Количественный структурно-энергетический анализ термообработки конструкционной стали / В.А. Ким, В.В. Петров, A.B. Бутин, И.В. Белова, A.A. Шпилева //Металловедение и термообработка металлов. № 4, 2010. с. 24 -26.

2. Бутин, А.В. Количественная оценка структурной деградации стали 15Х5М при длительной эксплуатации в напряженном состоянии и с температурным воздействием / А.В. Бутин, О.В. Лыжов, В.А. Ким, В.И. Муравьев, И.В. Белова //Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 9.2013. с. 41-43.

Список публикаций в других изданиях:

1. Kim, V.A. Quantitative Structure-and-Energy Analysis of Heat Treatment of Structural Steel / V.A. Kim, V.V. Petrov, A.V. Butin, I.V. Belova, A.A. Shpileva //Metal Science and Heat Treatment. Vol. 52. Nos.3 - 4.2010. p. 163-165.

2. Kim, V.A. Reinforcing/hardening steels and titanium alloys by concentrated energy flows / V.A. Kim, R.V. Kurgachov, A.A. Shpileva, I.V. Belova //Materials of international VHI Russia-China Symposium "Modern materials and technologies 2007". -Khabarovsk, 2007. p. 40-43.

3. Salokhin. A.V. Composite materials on the basis of hot-gas spraying technologies / A.V.Salokhin, A.V. Kim, A.A. Shpileva, I.V. Belova //Materials of international VIII Russia-China Symposium "Modern materials and technologies 2007". - Khabarovsk, 2007/ p. 249-253.

4. Ким, В.А. Определение деформационных свойств материала методом микротвердости / В.А. Ким, А.А. Шпилева, А.В. Ким, И.В. Белова //Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока: Ч. 1. Материалы всероссийской научно-практической конференции. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2007. с.32-35.

5. Ким, В.А. Развитие поверхностных структур при трении / В.А. Ким, А.А. Шпилева, Т.А. Отряскина, И.В. Белова //Сб. статей «Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении», Вып. 3, -Ч. 2. - Комсомольск-на-Амуре: ИММ. - 2009. с. 141-149.

6. Ким, В.А. Анализ микроструктуры машиностроительных сплавов с использованием количественных характеристик / В.А. Ким, А.А. Шпилева, И.В. Белова II Сб. статей «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов». 4.2. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. с. 224-227.

7. Ким, В.А. Количественная металлография микроструктуры конструкционной стали после термической обработки / В.А. Ким, А.А. Шпилева, И.В. Белова, Ш.А. Каримов //Материалы международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск-на-Амуре, 2010. с. 250-254.

8. Kim, V.A. Influence of micro-structure of structural and alloyed steel on wear resistance / V.A. Kim, I.V. Belova, A.A. Shpileva, L.V. Mihalko //International Russian-Chinese Symposium Proceedings "Modern materials and technologies 2011". Khabarovsk, 2011, p.175-178.

9. Ким, В.А. Комплексные количественные характеристики микроструктурного состояния конструкционных сталей после термической и деформационной обработки / В.А. Ким, А.В. Бутин, О.В. Банков, Р.В. Евдокимова, ИЛ. Белова //Материалы Российской научно-технической конференции «Фундаментальные

исследования в области технологий двойных назначений». Комсомольск-на-Амуре, 2011. с.210-211.

10. Ким, В.А. Кинетика структурных превращений при отпуске закаленной стали / В.А. Ким, И.В. Белова, А.А. Попкова, Р.В. Евдокимова //Сборник докладов международной конференции «Высокие технологии в машиностроении». Харьков, 2012. с. 130-138.

11. Ким, В.А. Оценка точности количественных показателей структурной организации поликристаллических материалов / В.А. Ким, С.В. Золотарева, И.В. Белова //Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения. Материалы Международной научно-технической конференции. Ч. 1. - Комсомольск-на-Амуре, 2013. с. 160-163.

12. Kim, V.A. Kinetics of structural transformations of hardened steel 15H5M during tempering/ V.A. Kim, I.V. Belova, A.V. Boutin //Materials by international XlVth Russia-China Symposium "Advanced materials and processing technology 2013". -Khabarovsk, 2013. p. 126-131.

Белова Инна Валерьевна

Оценка структурных превращений при термической обработке и эксплуатации конструкционных сталей с помощью компьютерной металлографии

Автореферат

Подписано в печать 05.11.2013. Формат 60x84/16. бумага писчая. Ризограф RIZO EZ 570Е. Усл. Печ.л. 1,40 Уч.-изд.л. 1,35. Тираж 100. Заказ 25864.

Редакционно-издательский отдел Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

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

04201450910 На правах рукописи

Белова Инна Валерьевна

ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОЙ МЕТАЛЛОГРАФИИ

Специальность 05.16.09- Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ким В.А.

Комсомольск-на-Амуре - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ, ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

КОМПЬЮТЕРНОЙ МЕТАЛЛОГРАФИИ..........................................................................................8

1.1 Количественное описание структурных изменений при тепловом и деформационном воздействии на материалы................................................................................8

1.2 Фрактальная параметризация структурной организации

материала..........................................................................................................................................................................13

1.3 Место оптической металлографии в материаловедении................................16

1.4 Связь микроструктуры с реальным строением материала..........................20

1.5 Перспективы компьютерной металлографии за счет развития методов цветовой обработки изображений........................................................................................23

Выводы..............................................................................................................................................................24

Цель и задачи работы............................................................................................................................25

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................27

2.1 Методика металлографических исследований......................................................27

2.2 Методика определения физико-механических свойств..............................28

2.3 Определение количественных металлографических характеристик

с помощью программы Image.Pro.Plus.5.1....................................................................................29

2.4 Методика исследования микро- и мезоструктуры сталей при различных видах термической обработки......................................................................................30

2.5 Методика определения энергии активации по дилатометрической кривой................................................................................................................................................................................31

2.6 Метод определения износостойкости..........................................................................32

Выводы............................................................................................................................................................34

ГЛАВА 3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И

ОЦЕНКА ИХ ТОЧНОСТИ............................................................. 35

3.1 Количественные показатели интерфейса структурного состояния поликристаллического материала..................................................... 35

3.2 Алгоритм устранения дефектов металлографических шлифов....... 42

Выводы.............................................................................. 51

ГЛАВА 4. СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ................................................ 52

4.1 Сравнительный анализ микроструктур стали 45, образованных при различных режимах термической обработки....................................... 52

4.2 Влияние микроструктуры конструкционных и легированных сталей на износостойкость............................................................... 61

4.3 Энергия активации процесса разложения мартенсита при отпуске....................................................................................... 64

4.4 Кинетика распада мартенсита при отпуске.............................. 73

Выводы.............................................................................. 84

ГЛАВА 5 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ ДЕГРАДАЦИИ СТАЛИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ И ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ........................ 85

5.1 Количественный анализ деградации структуры змеевика из стали 15Х5М печи П-1........................................................................... 86

5.2 Количественный анализ деградации структуры змеевика П-1-201

из стали 08X18Н1 ОТ..................................................................... 97

Выводы.............................................................................. 106

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ............................................. 108

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................... 110

ВВЕДЕНИЕ

Оптическая и электронная металлография занимают весомое место в структурном анализе материала, благодаря визуальной оценке структурных изменений при различных энергетических, химических и иных воздействиях, возникающих в процессах обработки и эксплуатации материала, а также возможности получения количественных показателей отдельных структурных составляющих, используемых для прогнозирования, оптимизации и математического описания взаимосвязи «состав-структура-свойства» материала.

Традиционные количественные показатели, определяемые по изображениям микроструктур, базируются, главным образом, на описании зеренного строения материала. К ним относят, в частности, количество зерен на единичной площади шлифа, балл зернистости, средний размер зерна и субзерна. Используя эти показатели, были получены важные для материаловедения математические соотношения между зеренной организацией и механической прочностью, пластичностью, деформационной упрочняемостью и сопротивляемостью материала различным видам разрушения, а также уравнения миграции границ зерен и кинетики роста новых фаз.

Развитие компьютерных программ обработки изображений расширило и усилило возможности количественной оценки состояния микроструктур. Приложение теории фракталов и синергетики к материаловедению позволило количественно оценивать степень неоднородности и упорядоченности структуры, развитость границ раздела, а также количественно описать кинетику структурной самоорганизации, развивающуюся в неравновесных условиях. Благодаря этому появилось новое направление — фрактальное материаловедение, позволяющее создавать материалы нового поколения с уникальными неравновесными структурами и физико-механическими свойствами.

Изображения микроструктур несут на много большую информативность, чем ту, которая поддается строгому количественному описанию. Этим можно объяснить, что при анализе изображений микроструктур преобладает качественный подход, в котором неизбежно присутствует субъективность, зависящая от квалификации специалиста.

Разработка новых количественных показателей структурной организации материала позволит разработать математический аппарат для более глубокого физического понимания структурных превращений при деформационном и термическом воздействии, структурной приспосабливаемости и структурной деградации материала при эксплуатации в различных условиях и различных активных средах. Расширение арсенала количественных структурных показателей усиливает методологическую основу для развития компьютерной металлографии, активно внедряемой в научных исследованиях и производстве.

На защиту выносятся:

методика обработки цифрового изображения микроструктуры, устраняющая дефекты приготовления металлографического шлифа и травления путем вычитания темного фона;

- методика определения энергии активации процессов образования зародышей новой фазы и их роста при разложении мартенсита при отпуске;

обоснование характера изменения количественных показателей интерфейса структурного состояния при деградации структуры печных змеевиков из нержавеющих сплавов, подверженные длительному воздействию высоких температур, внутренних давлений и коррозионно-активных внешних сред;

Научная новизна состоит в следующем:

1. Установлена связь между количественными показателями структурного состояния конструкционных сталей и электрическими и магнитными свойствами. Так, между плотностью границ и фрактальной размерностью наблюдается линейная зависимость с коэрцитивной силой и удельным электрическим сопротивлением металлических материалов.

2. Разработана методика подготовки изображения микроструктуры, заключающаяся в вычитании темного фона, минимизирующая влияние дефектов травления металлографического шлифа на точность вычисления количественных показателей интерфейса структурного состояния.

3. Раскрыт характер изменения средней плотности и фрактальной размерности границ на разных стадиях разложения мартенсита при отпуске конструкционных сталей, на основании которых рассчитаны энергии активации зарождения зародышей новой фазы и их роста.

4. Получен комплекс эмпирических зависимостей между количественными характеристиками структурного состояния инструментальных сталей и их износостойкостью.

5. Установлено, что фрактальная размерность границ раздела наиболее полно отражает характер изменения структуры при длительной эксплуатации трубных сталей в условиях высоких температур, растягивающих напряжений и активных коррозионных сред. Определены количественные показатели структурного состояния сталей 08Х18Н10Т и 15Х5М, соответствующие уровню критической деградации.

Практическая ценность: получена методика изучения микроструктуры при помощи количественных структурно-энергетических показателей интерфейса структурного состояния, позволяющая прогнозировать структуру, а, следовательно, физико-механические свойства металлов и сплавов, определять долговечность материалов при длительной эксплуатации в высокотемпературном и напряженном состоянии. Так же, данная методика помогает оптимизировать режимы термической обработки.

Результаты исследований по структурным изменениям печных змеевиков, на основании которых были определены количественные показатели микроструктуры, соответствующие критической степени структурной деградации, внедрены на ООО «РН-Комсомольском НПЗ» (г. Комсомольск-на-Амуре).

Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров материаловедческого и машиностроительного профиля.

Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре 2007); международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре 2009г.); международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре 2010); российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» (Комсомольск-на-Амуре 2011).

Основные положения и результаты работы докладывались также на научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (2007 - 2013 г.)

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждаются проведением экспериментальных исследований с применением современного оборудования на основе цифровых технологий, прошедшего государственную поверку; многократным повторением экспериментов в соответствии с положениями математической статистики с использованием общепринятых и специальных методик, а так же результатами промышленных внедрений на ООО «РН-Комсомольском НПЗ» (г. Комсомольск-на-Амуре).

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ, ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МЕТАЛЛОГРАФИИ

1.1 Количественное описание структурных изменений при тепловом и деформационном воздействии на материалы

Количественные соотношения структурных изменений при тепловом и деформационном воздействии на материал базируются на термодинамике фазово-структурных превращений, кристаллографии и теории дефектов кристаллического строения, которые в конечном итоге сводятся к процессам переноса энергии и массы, реализуемых на разных масштабных уровнях. Движущей силой фазово-структурных превращений является градиент химического потенциала, который складывается из градиентов температур, напряжений, концентраций дефектов кристаллического строения, легирующих элементов и примесей [1-3, 49, 61-62, 83-84, 91, 102, 119, 140, 146].

Динамика структурных изменений сводится к образованию зародышей новой фазы и их росту, миграции границ между структурными составляющими, перераспределению дефектов кристаллического строения, легирующих элементов и примесей. Направление течения структурных изменений определяется стремлением к минимуму свободной энергии. При выравнивании химического потенциала или снижения его градиента до нулевого уровня структурные изменения прекращаются, а уровень достигнутой свободной энергии определяет степень неравновесности и упорядоченности структурного состояния [83-84].

Основным механизмом структурных изменений в твердофазном состоянии является массоперенос, протекающий на микромасштабном уровне, в основе которого лежат диффузионные процессы, а ее активность определяется

коэффициентом диффузии, описываемым уравнением Аррениуса [62]. Поэтому практически все теоретические соотношения структурных изменений сводятся к уравнениям диффузионного типа, при этом каждый структурный механизм характеризуется своей энергией активации.

Теоретический уровень любого процесса определяется глубиной его математического или количественного описания [26-30], так как только наличие количественных соотношений позволяет строить научные прогнозы. В раскрытии количественных соотношений при структурных превращениях большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые. К ним можно отнести Д.К. Чернова, Н.Т. Гудкова, A.A. Байкова, Н.С. Курнакова, A.A. Бочвара, Г.В. Курдюмова, Б.Б. Гуляева, Ю.М. Лахтина, И.А. Одинга, В.Е Панина, B.C. Иванову, А. Коттрелла, У. Юм-Розери, Р. Кана, Д. Кристиана, X. Мерера и многих других. С точки зрения математического модельного представления наиболее развитыми в материаловедении являются следующие механизмы структурных изменений:

- образование и миграция вакансий при тепловом воздействии;

- образование, развитие и движение дислокаций и дисклинаций;

- взаимодействие дислокаций с различными дефектами кристаллического строения;

- миграция межзеренных границ при нагреве и деформации;

- перераспределение легирующих элементов и примесей при отпуске и отжиге;

- образование и разложение химических и электронных соединений при нагреве и охлаждении.

Для описания структурных изменений используются различные количественные параметры структурных состояний, определяемые различными прямыми и косвенными методами структурного анализа материалов. Так плотность вакансий и примесей можно оценить по удельному электрическому сопротивлению. Плотность дислокаций и степень искажения кристаллической решетки определяют рентгеноструктурным методом. Кроме того плотность дислокаций можно количественно оценить с помощью просвечивающей

электронной микроскопии и методом декорирования на металлографических шлифах. Средний диаметральный размер зерен вычисляют по изображениям микроструктур и с помощью перспективного современного метода ультразвуковой микроскопии [114].

Равновесная концентрация вакансий, при которой свободная энергия принимает минимальное значение, описывается уравнением [13, 14, 83, 84].

где Ев - энергия активации образования вакансий, близкая по величине энергии активации самодиффузии.

Для движения вакансии ей необходимо перешагнуть некоторый энергетический барьер, так называемую энергию активации миграции вакансии, которую для металлов можно экспериментально вычислить по скорости изменения электрического сопротивления при отпуске после закалки. Скорость падения электрического сопротивления описывается уравнением [83, 85, 86].

где Ем - энергия активации миграции вакансий.

Концентрация вакансий оказывает сильное влияние на диффузионный массоперенос, динамику дислокационных структур, рост зерен и миграцию межзеренных границ. Если плотность дислокаций главным образом определяется степенью пластической деформации, прочностью атомарной связи и вектором Бюргерса, то скорость их скольжения - величиной сдвиговых напряжений и температурой [44, 83, 105, 106], и может быть представлена зависимостью вида

(1.1)

(1.2)

(1.3)

где Ео - энергия активации скольжения дислокации; т - сдвиговые напряжения.

Механизм переползания дислокаций носит чисто диффузионную природу, а скорость этого процесса определяется коэффициентом самодиффузии.

Причиной роста или укрупнения зерен при нагреве является избыточная свободная энергия границ раздела, при этом движущая сила роста зерна пропорциональна сумме обратных радиусов кривизны границ [14]

где ri и г2 - радиусы кривизны границ.

Средний радиус