автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение усталостной долговечности рельсовой стали электронно-пучковой обработкой

На правах рукописи

Гришунин Владимир Анатольевич

Повышение усталостной долговечности рельсовой стали электронно-пучковой обработкой

Специальность

05.16.01 — Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАЙ 2014

Новокузнецк — 2014

005548612

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» и ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

Научный руководитель доктор технических наук

Юрьев Алексей Борисович

Официальные оппоненты: Полетика Ирина Михайловна, доктор технических

наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, лаборатория композиционных материалов, ведущий научный сотрудник

Никулина Аэлита Александровна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», кафедра «Материаловедение в машиностроении», доцент

Ведущая организация ФГУП «ЦНИИЧЕРмет им. И.П. Бардина»

Защита состоится «24» июня 2014 г. в Ю00ч. на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, д. 42. Факс: (8-3843) 46-57-92, E-mail: ds21225201@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», www.sibsiu.ru.

Автореферат разослан !у> апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, .л

профессор °'И'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Формирование усталостных дефектов при эксплуатации является одной из основных причин выхода рельсов из строя. Вопросы сопротивления усталости и износу являются предметом самого тщательного рассмотрения с точки зрения, как научных исследований, так и опытно-конструкторских и технологических разработок.

Одним из перспективных методов целенаправленной модификации структурно-фазового состояния поверхностного слоя металлов и сплавов является электронно-пучковая обработка (ЭПО), обладающая большими возможностями для контроля количества подводимой энергии, создания большой площади воздействия концентрированного потока энергии на обрабатываемый материал, малыми коэффициентами отражения энергии, высокой концентрацией энергии в единице объема материала.

Принципиально важной особенностью модификации поверхностного слоя низкоэнергетическими высокоинтенсивными электронными пучками является отсутствие выраженной поверхности раздела между модифицированным слоем и объемом материала, что определяет хорошие демпфирующие свойства материала при механических и температурных внешних воздействиях, предотвращая преждевременное зарождение и распространение с поверхности в основной объем материала хрупких микротрещин, приводящих к разрушению.

Для установления оптимальных режимов ЭПО необходимо знание закономерностей и физических механизмов формирования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры поверхностных слоев при электронно-пучковом облучении. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы.

Настоящая работа проводилась в соответствии ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Соглашение № 14.В37.11.0071).

Цель работы: выявление на различных масштабных уровнях закономерностей и физической природы формирования и эволюции структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали, подвергнутой электронно-пучковой обработке и последующей многоцикловой усталости до разрушения.

Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:

1. Исследование структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры и поверхности разрушения рельсовой стали при усталостном нагружении.

2. Выявление формирования градиентов структуры и фазового состава при ЭПО рельсовой стали в различных режимах.

3. Установление количественных закономерностей эволюции структурно-фазовых состояний при усталости рельсовой стали после ЭПО в различных режимах.

4. Выяснение физической природы повышения усталостного ресурса рельсовой стали электронно-пучковой обработкой.

Научная новизна. Впервые проведены количественные и качественные исследования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, поверхности разрушения рельсовой стали, подвергнутой многоцикловой усталости до разрушения с исходной перлитной структурой и после электронно-пучковой обработки в различных режимах.

Послойными электронно-микроскопическими исследованиями выявлен градиентный характер структурно-фазовых состояний, характеризующийся закономерным изменением фазового состава и параметров дефектной субструктуры по мере удаления от поверхности облучения.

Выявлены и подвергнуты анализу основные факторы и механизмы, определяющие усталостную долговечность рельсовой стали в исходном состоянии и после ЭПО. Установлено, что увеличение усталостной долговечности стали, облученной электронным пучком, обусловлено формированием игольчатого профиля границы раздела, приводящего к диспергированию концентраторов напряжений и способствующего более однородному пластическому течению в подложке.

Достоверность экспериментальных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием современных методов и методик, широким привлечением статистических методов обработки результатов, анализом литературных данных и критическим сопоставлением установленных в работе закономерностей фактам, полученным другими исследователями.

Научная и практическая значимость работы заключается в значительном увеличении усталостной выносливости рельсовой стали (~ в 2,5 раза), обусловленном ЭПО. Сформирован банк данных о закономерностях и механизмах образования дефектной субструктуры, фазового состава и нано-размерных фаз, используемый для установления режимов ЭПО, максимально повышающих усталостный ресурс.

Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки, обработки металлов давлением.

Практическая значимость подтверждена актом и справками апробирования результатов работы в промышленности.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обработке низкоэнергетическими электронными пучками рельсовой стали, проведении многоцикловых усталостных испытаний, обработке и анализе результатов исследований методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, сопоставлении полученных данных с результата-

ми других авторов, написании статей и тезисов докладов, формулировании основных выводов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Совокупность результатов электронно-микроскопических исследований структуры, фазового состава, дефектной субструктуры и поверхности разрушения рельсовой стали при усталостном нагружении.

2) Градиентный характер изменения параметров фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали при ЭПО в различных режимах.

3) Закономерности эволюции параметров структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры рельсовой стали, облученной электронными пучками, при многоцикловой усталости.

4) Физическая природа повышения усталостного ресурса рельсовой стали электронно-пучковой обработкой.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 2 «Теоретические и экспериментальные исследования фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях» паспорта специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов и сплавов.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; YI евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; XI International conference on nanostructured materials, Rodos, Greece, 2012; 52 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Уфа, 2012; XYIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Самара, 2012; 53 международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2012, IV конференции Нанотехнологического общества России, Москва, 2012; VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2012; Научных чтениях им. И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов», Новокузнецк, 2013; XII Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов», Обнинск, 2013; Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы», Томск, 2013; V Международной конференции «Кристаллофизика 21-го века» и III московских чтениях по проблемам прочности материалов, Москва, 2013; 54

Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Екатеринбург, 2013; V Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2013; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк, 2013; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», Новокузнецк, 2013; семинаре «Функциональные ультрадисперсные (нано-) материалы», Москва, 2013; Международной научно-технической конференции «Усталость и термоусталость материалов и элементов конструкций», Киев, 2013.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 35 работах, в том числе в 11 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 2 монографиях, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, основные выводы, список литературы из 253 наименований, приложение, изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 82 рисунка, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Повышение усталостной выносливости и эксплуатационных свойств нержавеющих сталей», являющейся обзорной, проведен анализ литературных данных по способам термоообработки и их влиянию на структуру и свойства рельсовой стали, влиянию микролегирования, рассмотрены основные факторы, определяющие усталость и износ рельсов при эксплуатации. Выполнен анализ работ по повышению усталостного ресурса сталей внешними энергетическими воздействиями, обоснованы преимущества использования низкоэнергетических электронных пучков для модифицирования поверхностных свойств нержавеющих сталей. На основе анализа обоснованы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе «Материалы и методы исследования» описано оборудование, использованное для осуществления ЭПО. В качестве материала исследования использовалась рельсовая сталь Э76Ф, образцы из которой подвергались нагреву до 1173 К (2 ч) с последующим охлаждением с печью.

Усталостные испытания проводили на специальной установке по схеме циклического асимметричного консольного изгиба. Напряжение циклической нагрузки - 20 МПа, частота нагружения - 20 Гц, температура испытания -296 К. При испытаниях определялось число циклов до полного разрушения образцов с размерами 8x15x145 мм3 и концентратором напряжений в виде полукруглого выреза радиусом 10 мм.

Модификацию поверхностного слоя стали осуществляли высокоинтенсивным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия. Режим электронно-пучковой обработки: энергия электронов eU = 18 кэВ; длительность импульса воздействия пучка электронов х = 50 мкс; количество импульсов воздействия N = 3; частота следования импульсов f = 0,3 Гц; плотность энергии пучка электронов Es = 10 - 30 Дж/см2.

Исследования структурно-фазового состояния и дефектной субструктуры стали осуществляли на расстояниях 0, 10, 40, 100 мкм методами просвечивающей дифракционной (метод тонких фольг) электронной микроскопии. Для идентификации фаз применялся микродифракционный анализ с использованием темнопольной методики и последующего индицирования микроэлек-троннограмм. Морфологию поверхности облучения и поверхность разрушения образцов исследовали методами сканирующей электронной микроскопии.

В третьей главе «Структурно-фазовое состояние поверхностного слоя рельсовой стали, модифицированной электронным пучком» представлены результаты послойных ПЭМ исследований структуры, фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали в исходном состоянии и после ЭПО в различных режимах.

Термическая обработка стали привела к образованию поликристаллической структуры, представленной зернами структурно свободного феррита и зернами перлита преимущественно пластинчатой морфологии. В небольшом количестве в исследуемой стали присутствует так называемый «псевдоперлит». Зерна феррита содержат дислокационную субструктуру в виде сеток, либо в виде хаотически расположенных дислокаций. Скалярная плотность дислокаций -4x10 см"2. Вблизи границ и стыков границ зерен выявляются области с фрагментированной субструктурой; размеры фрагментов изменяются в пределах от 0,3 до 0,4 мкм. В зернах феррита обнаруживается полосовая субструктура и субзерна. Размеры субзерен изменяются в пределах от 0,45 до 0,75 мкм. В ферритных прослойках выявляется дислокационная субструктура преимущественно в виде хаотически распределенных дислокаций, скалярная плотность которых ~2,8хЮ10 см"2.

В поверхностном слое формируется поликристаллическая структура, средний размер зерен которой при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см составляет ~5 мкм. В объеме зерен наблюдается субзеренная структура в виде ячеек. Средний размер ячеек 330 нм; размер реально существующих ячеек изменяется в пределах от 130 до 670 нм.

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см2 сопровождается увеличением среднего размера зерна до -8,5 мкм. В объеме зерен в обоих случаях наблюдается структура ячеистой кристаллизации. Увеличение плотности энергии пучка электронов приводит к росту ячеек кристаллизации, средний размер которых при Es = 20 Дж/см2 составил d = 352 нм; d (min) = 200 нм; d (max) = 800 нм; при Es = 30 Дж/см2 d = 427 нм; d (min) = 200 нм; d (max) = 800 нм.

Выполненные исследования показали, что независимо от плотности энергии пучка электронов в анализируемом слое формируется многофазная структура. Основной является а-фаза, представленная мартенситом. Наряду с сс-фазой обнаруживаются остаточный аустенит, цементит и графит.

При Е3 = 10 Дж/см2 наряду со структурой ячеистой кристаллизации, содержащей наноразмерные (50-70 нм) кристаллы мартенсита, в поверхностном слое выявляются зерна со структурой пакетного мартенсита, поперечные размеры кристаллитов которых изменяются в пределах от 85 до 220 нм (рисунок 1а).

а, в - светлые поля; б - микроэлектронограмма Рисунок 1 - ПЭМ изображения структуры поверхностного слоя стали, облученной электронным пучком при плотности энергии пучка 10 Дж/см Одновременно с этим выявляются зерна, в объеме которых присутствуют области микронных размеров, границы которых оконтуриваются кристаллами мартенсита (рисунок 1 в). В объеме таких областей присутствует сетчатая дислокационная субструктура, скалярная плотность дислокаций -10x1010 см"2.

а) поверхностный слой, б) слой, расположенный на глубине -10 мкм, в) слой,

расположенный на глубине -40 мкм. 1 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя кристаллов мартенсита, поперечные размеры которых менее 100 нм (а, б, в); 2 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя кристаллов мартенсита, поперечные размеры которых более 100 нм (а, б, в); 3 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя мартенсита зеренного типа (а), зерен, содержащих частицы цементита глобулярной формы (б), зерен с «феррито-цементитной структурой» (в); 4 - относительное содержащие в структуре слоя зерен перлита (в). Рисунок 2 - Диаграммы структур, формирующихся в рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком с различной плотностью

энергии

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 20-30 Дж/см" приводит к формированию в поверхностном слое морфологически и размерно однородной структуры пакетного мартенсита. Размеры пакетов (ячеек кристаллизации) изменяются в пределах (0,8... 1,0) мкм; поперечные размеры кристаллов мартенсита — в пределах до 100 нм.

При Е5 = 10 Дж/см2 на глубине ~ 10 мкм формируется многофазная структура, представленная мартенситом пакетной и пластинчатой морфологии, остаточным аустенитом и цементитом. На глубине -100 мкм наблюдается структура, подобная структуре исходного состояния. При Е3 = 30 Дж/см фиксируется устойчивое плавление поверхностного слоя стали. Анализ структурно-фазовых градиентов, формирующихся в стали при этом режиме обработки показал, что слой на расстоянии 10-15 мкм от поверхности облучения находится в зоне контакта жидкого и твердого состояния стали. Основной фазой исследуемого слоя является а-фаза. Особенностью структуры а-фазы, формирующейся в данном слое, является малый размер зерен, величина которых изменяется в пределах от 0,8 до 1,5 мкм. В слое на глубине -40 мкм от поверхности обработки формируется многофазная структура, представленная а и у фазами, а также цементитом.

Весьма часто в исследуемом слое выявляются зерна перлита и «псевдоперлита», в объеме которых фиксируются различные стадии термического разрушения пластин цементита и реализации процесса а => у => а превращения. В стыках и вдоль границ зерен псевдоперлита располагаются частицы цементита глобулярной морфологии; размеры частиц изменяются в пределах от 15 до 25 нм. В объеме таких зерен и субзерен присутствуют кристаллы пакетного мартенсита, поперечные размеры которых изменяются в пределах от 30 до 50 нм. Обобщенные диаграммы структур, формирующихся в рельсовой стали при ЭПО в различных режимах, приведены на рисунке 2.

В четвертой главе «Усталостная долговечность рельсовой стали» выполнен анализ эволюции структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры при усталости рельсовой стали в исходном состоянии и после электронно-пучковой обработки и рассмотрены возможные механизмы увеличения усталостной долговечности.

Показано, что в слое, прилегающем к лицевой поверхности усталостно разрушенного исходного образца, сохраняется структурно-фазовое состояние исходного материала. А именно, основным структурным элементом являются зерна пластинчатого перлита, в существенно меньшем объеме присутствуют зерна структурно свободного феррита и «псевдоперлита». Усталостные испытания привели к дальнейшей (относительно исходного состояния) фрагментации зерен феррита и ферритных пластин зерен перлита. Одновременно с этим усиливается фрагментация пластин цементита.

Усталостное разрушение стали, наступившее после -2,15x10 циклов, сопровождается формированием подслоя толщиной -10 мкм, на границе раздела которого с основным объемом материала располагаются микропоры. Это

обстоятельство позволяет предположить, что усталостное разрушение стали зарождается в подповерхностном слое.

В этом слое в зернах перлита происходит разрушение цементитных пластин, которое сопровождается формированием в объеме зерна перлита субзеренной структуры.

Исследуемый слой стали характеризуется наличием внутренних полей напряжений. Основными источниками полей напряжений являются, как показали выполненные исследования, границы раздела частиц цементита пластинчатой морфологии и а-фазы — изгибные экстинкционные контуры формируются преимущественно у данных границ.

Фазовой состав слоя на расстоянии —100 мкм от лицевой поверхности стали подобен слоям, расположенным на глубине ~10 мкм и вблизи лицевой поверхности. Основным механизмом разрушения пластин цементита в данном слое стали является растворение вследствие ухода атомов углерода из кристаллической решетки карбида на дислокации. Данный процесс сопровождается повторным выделением на дислокациях наноразмерных частиц цементита.

Усталостные испытания стали выявили зависимость долговечности материала от плотности энергии пучка электронов Е3 (рисунок 3 кривая 1). Отчетливо видно, что максимальный эффект (увеличение усталостной долго-

Е3, Дж/см"2

Рисунок 3 - Зависимость от плотности энергии пучка электронов Ех числа циклов до разрушения ТУ (кривая 1) и толщины Н поверхностного слоя, отделенного от основы микропорами (кривая 2). Пунктирной прямой отмечена величина усталостной долговечности стали в исходном (до обработки электронным пучком)состоянии Наиболее ярко процесс порообразования проявляется при исследовании поверхности разрушения стали, обработанной электронным пучком при

плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2. Размеры пор в этом случае изменяются в пределах от 1 до 6 мкм. В стали, обработанной электронным пучком при большей плотности энергии пучка (20...30 Дж/см~), размеры пор существенно меньше (0,3... 1,0 мкм). Строчки, формируемые порами, выражены менее явно, располагаются на определенном расстоянии от поверхности облучения, коррелируя с изменением усталостной долговечности стали (рисунок 3, кривая 2).

а - исходное состояние; б - после облучения электронным пучком при Е8 = 10 Дж/см2; в, г - Е8 = 20 Дж/см2. Стрелками указано: на (б) — поры, расположенные в подповерхностном слое; на (в) - поверхность, подвергнутая облучению; на (г) - переходный слой, разделяющий зону кристаллизации и зону термического влияния

Рисунок 4 - Поверхность усталостного разрушения рельсовой стали

Сопоставляя результаты исследования структуры стали, выявленные методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, можно отметить, что порообразование в стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2, протекает в слое, разделяющем поверхностный слой, упрочненный вследствие формирования мартенситной структуры, и основной объем стали с феррито-перлитной

структурой. Граница раздела данных слоев проходит преимущественно по границе раздела зерен и, следовательно, является относительно плоской, предрасположенной к формированию мощных концентраторов напряжений, релаксация которых сопровождается растрескиванием упрочненного слоя.

В стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 20 Дж/см2, слой, в котором наблюдается порообразование, располагается преимущественно на границе раздела слоя кристаллизации и слоя термического влияния (рисунок 4). Слой кристаллизации имеет столбчатую структуру с субмикрокристаллическим поперечным размером столбиков. Следовательно, граница раздела «упрочненный слой - основа» имеет зубчатый или игольчатый профиль. Последнее, согласно результатам работ школы академика В.Е. Панина, приводит к диспергированию концентраторов напряжений и способствует более однородному пластическому течению в подложке, многократно (в ~2,5 раза) повышая усталостную долговечность стали.

Рисунок 5 - ПЭМ изображение структуры слоя стали на глубине 10 мкм.

Стрелками указана микротрещина. Образец разрушен после облучения электронным пучком при плотности энергии пучка 30 Дж/см2 Электронно-пучковая обработка стали при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2 сопровождается формированием протяженного упрочненного слоя, концентраторы напряжения в котором формируются в слое высокоскоростной кристаллизации. На это указывает цепочка пор, располагающихся в слое на глубине (6-8) мкм. Исследования структуры стали методом тонких фольг, расположенных на данной глубине, выявили высокий уровень внутренних полей напряжений, релаксация которых привела к формированию многочисленных микротрещин при утонении пластинки в процессе приготовления фольги (рисунок 5). Следовательно, основной причиной низкого уровня усталостной долговечности стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов 30 Дж/см2 являются остаточные напряжения, формирующиеся в упрочненном слое.

В пятой главе «Формирование и эволюция градиентов структуры и фазового состава при электронно-пучковой обработке и последующем усталостном нагружении» методами СЭМ и ПЭМ проведен анализ послойных исследований градиентов структуры и поверхности разрушения стали в исходном состоянии и после ЭПО (Е5=30 Дж/см2).

Показано, что усталостные испытания стали (число циклов до разрушения 1,84х105) сопровождаются отслаиванием тонкого (300...600 нм) поверхностного слоя (слоя, непосредственно подвергавшегося воздействию пучка электронов при облучении), свидетельствующим о формировании в нем высокого уровня внутренних напряжений. Сделано заключение, что источником трещин являются как поверхность облучения, так и переходный слой, отделяющий упрочненный, вследствие термического воздействия пучка электронов, слой от основного объема материала.

Выполнены структурно-фазовые исследования и выявлен рост количества концентраторов напряжений в слое, примыкающем к поверхности облучения стали. В слое, расположенном на расстоянии ~10 мкм от поверхности облучения, выявлены микротрещины, что указывает на увеличение амплитуды внутренних напряжений по мере удаления от поверхности облучения и приближения к дну ванны расплава. Усталостные испытания стали не приводят к разрушению мартенситной структуры на глубине 40 мкм (рисунок 6) и сопровождаются значимым преобразованием структуры пластинчатого перлита: выявлено растворение, разрезание и механическое разрушение пластин цементита; деформационное преобразование зерен «псевдоперлита» сопровождается формированием многофазного субмикро- и наноразмерного зерен-но-субзеренного состояния на основе а-фазы.

а, в - светлые поля; б, г - микроэлектронограммы. Слой расположен на расстоянии -40 мкм от поверхности облучения Рисунок 6 - ПЭМ изображения структуры стали, облученной электронным пучком при плотности энергии пучка 30 Дж/см2 и разрушенной в результате усталостных испытаний

После усталостных испытаний в слое на глубине -100 мкм сохраняется структурно-фазовое состояние, подобное структурно-фазовому состоянию

после облучения электронным пучком. Основным структурным элементом исследуемого слоя являются зерна перлита пластинчатой морфологии.

Таблица 1 — Структурные характеристики стали в исходном состоянии и по_еле усталостного разрушения_

Состояние *<р>, Ю10, см-2 Ь, нм Л, Ю3, см"2

Образцы перед усталостными испытаниями

Перлит 2,8 235 0,7

Мартенсит поверхность 10 90 0,11

10 мкм от поверхности 10 64 0,15

Усталостно разрушенные образцы

Перлит поверхность 4 65 1,2

10 мкм от поверхности 1,4 50 1,5

Мартенсит поверхность 10 73 1,1

10 мкм от поверхности 10 67 (55) 1,4(4,0)

*Примечание: <р> — скалярная плотность дислокаций; И — толщина изгиб-ного экстинкционного контура; г| — плотность изгибных экстинкционных контуров. В скобках приведены значения Ь и г| вблизи трещины

При сравнительном анализе закономерностей эволюции фазового состава и дефектной субструктуры поверхностного слоя стали (толщиной —10 мкм), содержащей пластинчатый перлит (исходное состояние) и наноразмер-ный мартенсит (после ЭПО с Е5=30 Дж/см2) отмечено (таблица 1), что: 1) Усталостное нагружение стали с перлитной структурой в поверхностном слое сопровождается увеличением скалярной плотности дислокаций, преобразованием дислокационной субструктуры, повышением степени неоднородности распределения дислокаций (увеличение плотности дислокаций у межфазных границ раздела феррит / цементит), увеличением степени дефектности пластин цементита (формирование границ с малоугловой ра-зориентацией), многократным увеличением кривизны-кручения кристаллической решетки стали (амплитуды внутренних полей напряжений) и ростом количества концентраторов напряжений. В слое, расположенном на расстоянии -10 мкм от лицевой поверхности образца, усталостное нагружение стали сопровождается разрушением пластин цементита перлитных колоний, осуществляемое по различным механизмам, и, формированием в объеме зерна перлита фрагментированной субструктуры (размеры фрагментов 0,5... 1,0 мкм); увеличением (относительно поверхностного слоя) амплитуды внутренних напряжений и плотности концентраторов напряжений, существенным снижением скалярной плотности дислокаций.

2) При усталостном разрушении стали, обработанной электронным пучком, в поверхностном слое наблюдается существенное увеличение (в ~2 раза) размерной неоднородности кристаллов пакетного мартенсита, рост количества концентраторов напряжений и увеличение амплитуды внутренних полей напряжений, миграция границ зерен (присутствие в исследуемом слое зерен с высоконеравновесными извилистыми границами), формирование в подповерхностном (на глубине -10 мкм) слое высоконапряженного состояния, характеризующегося наличием микротрещин и большого количества концентраторов напряжений.

В приложении приведены справки о практическом использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что облучение рельсовой стали высокоинтенсивным электронным пучком сопровождается плавлением поверхностного слоя и формированием структуры ячеистой кристаллизации. Выявлено расслоение поверхностного слоя стали по углероду с образованием в стыках ячеек кристаллизации частиц графита при высокоскоростной кристаллизации, инициированной обработкой высокоинтенсивным электронным пучком.

2. Выявлен градиентный характер структуры, формирующейся в поверхностном слое стали, обработанной высокоинтенсивным электронным пучком. Показано, что в условиях высокоскоростного нагрева и охлаждения в режиме оплавления (Е5=10 Дж/см2) в поверхностном (-0,5...1,0 мкм) слое стали формируется микронеоднородное структурно-фазовое состояние, представленное зернами ос-фазы с ячейками кристаллизации, в объеме которых образуются кристаллы мартенсита наноразмерного диапазона, и зернами а-фазы с кристаллами мартенсита субмикронного диапазона.

3. Высказано и обосновано предположение, что формирование неоднородной структуры поверхностного слоя связано, с одной стороны, со сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения (малым временем гомогенизации), реализующимися при обработке стали импульсным электронным пучком, и, с другой стороны, неоднородным структурно-фазовым состоянием стали перед облучением (зерна перлита и «псевдоперлита», зерна структурно свободного феррита).

4. В слое, расположенном на границе ванны расплава, выявлено формирование поликристаллической структуры с размером зерен 0,8... 1,5 мкм, в объеме которых обнаружена наноразмерная мартенситная структура.

5. Показано, что в слое термического влияния, расположенном в температурном интервале сосуществования а-фазы, у-фазы и карбида железа, формируется многофазная морфологически многокомпонентная структура, что обусловлено структурной неоднородностью исходного состояния стали и

малым временем термического воздействия, инициированного электронным пучком.

6. Установлено, что многоцикловые усталостные испытания исходной стали с перлитной структурой сопровождаются (1) разрушением пластин цементита, осуществляемым перерезанием движущимися дислокациями и растворением вследствие ухода атомов углерода из кристаллической решетки цементита на дислокации; (2) повторным выделением на дислокациях нано-размерных частиц цементита (деформационное старение стали); (3) формированием субзеренной структуры; (4) увеличением суммарной плотности дислокаций (плотности дислокаций, сосредоточенных в границах субзерен и распределенных по объему зерна); (5) ростом амплитуды внутренних полей напряжений и плотности концентраторов напряжений вследствие несовместности деформации соседних зерен и субзерен, а-фазы и включений цементита.

7. Выявлен режим облучения высокоинтенсивным электронным пучком, позволяющий в ~2,5 раза увеличить усталостную долговечность стали Э76Ф. Показано, что преимущественным местом формирования концентраторов напряжений в облученной электронным пучком стали является граница раздела слоя высокоскоростной кристаллизации и слоя термического влияния (дно ванны расплава). Установлено, что увеличение усталостной долговечности стали, облученной электронным пучком, обусловлено формированием игольчатого профиля границы раздела, приводящего к диспергированию концентраторов напряжений и способствующего более однородному пластическому течению в подложке.

8. Установлено, что деформация приповерхностного слоя с модифицированной электронным пучком структурой (наноразмерный мартенсит) сопровождается релаксацией дислокационной субструктуры (снижением суммарной плотности дислокаций вследствие разрушения малоугловых границ кристаллов мартенсита), незначительным увеличением плотности концентраторов напряжений и амплитуды внутренних полей напряжений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Иванов, Ю. Ф. Структура феррито-перлитной стали, подвергнутой механическому полированию / Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин, С. В. Коновалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2012. -Т. 9. -№ З.-С. 319-323.

2. Громов, В. Е. Повышение усталостной выносливости рельсовой стали электронно-пучковой обработкой // В. Е. Громов, В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов [и др.] / Проблемы черной металлургии и материаловедения. -2012.-№ З.-С. 50-57.

3. Громов, В. Е. Природа увеличения усталостной долговечности рельсовой стали электронно-пучковой обработкой / В. Е. Громов, В. А. Гришунин,

Ю. Ф. Иванов [и др.] // Проблемы черной металлургии и материаловедения. - 2012. - № 4. - С. 49 - 56.

4. Иванов, Ю. Ф. Структура поверхностного слоя и усталостная долговечность рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин [и др.]. // Физическая мезомеханика. — 2013. - Т.16. - №2. — С. 47 - 53.

5. Гришунин, В. А. Эволюция фазового состава и дефектной субструктуры поверхностных слоев рельсовой стали при усталости / В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. -2013.-№ 11.-С.58-62.

6. Гришунин, В. А. Повышение усталостного ресурса рельсовой стали электронно-пучковой обработкой / В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов [и др.]. // Известия вузов. Черная металлургия. - 2013. — № 2. - С. 51 -54.

7. Иванов, Ю. Ф. Электронно-пучковая обработка рельсовой стали: фазовый состав, структура, усталостная долговечность / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин [и др.] // Вопросы материаловедения. — 2013. -№1(73).-С. 20-30.

8. Гришунин, В. А. Структурно-фазовый градиент, формирующийся в рельсовой стали, подвергнутой обработке высокоинтенсивным электронным пучком / В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов [и др.] // Перспективные материалы. - 2013. - №6. - С.75 - 80.

9. Гришунин, В. А. Эволюция фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали, подвергнутой обработке высокоинтенсивным электронным пучком / В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2013.-№ 10.-С. 82-88.

Ю.Громов, В. Е. Разрушение рельсовой стали с перлитной структурой при усталости / В. Е. Громов, В. А. Гришунин, С. В. Райков [и др.] // Деформация и разрушение материалов. — 2013. - № 6. — С. 37 — 42.

П.Громов, В.Е. Масштабные уровни структурно-фазовых состояний и усталостная долговечность рельсовой стали после электронно-пучковой обработки / В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин [и др.] // Успехи физики металлов. 2013. - т. 14. — № 1. — С. 67 - 80.

Монографии

1. Гришунин В. А. Электронно-пучковая модификация структуры и свойств стали / В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов [и др.]. — Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист», 2012. — 308 с.

2. Волков, К. В. Повышение усталостной выносливости рельсовой стали электронно-пучковой обработкой / К.В. Волков, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов, В.А. Гришунин. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2013. — 225 с.

Подписано в печать 17.04.2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,05. Уч. изд. л. 1,17. Тираж 100 экз. Заказ № 230. Сибирский государственный индустриальный университет. 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42