автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Ранние стадии распада твердых растворов и влияние процессов предвыделения на комплекс механических и физических свойств

в /У

/

Санкт-Петербург<жий Государственный Технический Университет

ТЕПЛУХИНА Ирина Владимировна

РАННИЕ СТАДИИ РАСПАДА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ И ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕДВЫДЕЛЕНИЯ НА КОМПЛЕКС МЕХАНИЧЕСКИХ

И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.

Специальность 05.02.01 - материаловедение (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 621. 039. 532

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.М. Паршин

Санкт-Петербург

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

стр.

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

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ.

1.1. Общие положения........................................................................12

1.2. Физическая сущность зон предвыделения................................14

1.3. Равномерность и избирательность выпадения

вторичных фаз..............................................................................16

1.4. Возникновение и роль структурных напряжений при распаде пересыщенных твёрдых растворов..............................18

1.5. Анализ теорий распада пересыщенных твёрдых

растворов......................................................................................22

ГЛАВА 2. РАННИЕ СТАДИИ РАСПАДА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ В СТАЛЯХ И СПЛАВАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

2.1. Ранние стадии распада твёрдых растворов в

сплавах с ГЦК - решёткой........................................................30

2.1.1.Дисперсионно - твердеющие аустенитные хромо-никелевые стали и сплавы..........................................................31

2.1.2. Твёрдорастворноупрочняемые аустенитные хромо-никелевые стали и сплавы..........................................................47

2.2. Ранние стадии распада твёрдых растворов в

сталях и сплавах с ОЦК - решёткой.......................................49

2.2.1. Мартенситно - стареющие стали и сплавы...............................49

2.2.2. Вторичное твердение мартенсита углеродистых

и низколегированных сталей..................................................68

2.3. Ранние стадии распада метастабильной (3 - фазы в

сплавах титана...........................................................................83

ГЛАВА 3. ПОЛИМОРФИЗМ И ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЁННОГО АУСТЕНИТА В УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ.

3.1. Явление полиморфизма металлов.........................................96

3.2. Факторы, влияющие на полиморфизм металлов................101

3.2. Особенности распада переохлаждённого

аустенитав углеродистой стали...........................................103

ГЛАВА 4. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СВЯЗИ С ОСОБЕННОСТЯМИ РАСПАДА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ И ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕРАЩЕНИЙ.

4.1. Структурные аспекты работоспособности и надёжности...! 11

4.2. Фактор времени и нейтронное облучение.............................120

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................... 130

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ.

О пригодности конструкционных материалов к конкретным условиям работы различного оборудования и машин судят по комплексу свойств, полученных при испытаниях образцов, а также по результатам дополнительно проведённых полунатурных и натурных испытаний. Однако, несмотря на увеличение объёма эксперимента, часто принятый комплекс исследований недостаточно полно оценивает сопротивляемость изделий разрушению в процессе их службы. Известно много случаев преждевременных разрушений изделий несмотря на то, что материалы удовлетворяли всем требованиям [1 -3].

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что преждевременные разрушения в значительной мере следует связывать с тем, что в процессе изготовления и эксплуатации произошла деградация гарантированных свойств материала в результате отступлений от расчётных условий эксплуатации узлов и конструкций, недостатков конструирования и проектирования, несовершенства технологических процессов и отступлений от требований ГОСТ и ТУ (неоптимальная конструкция, нерациональное оформление узлов, перерезание волокна, чрезмерные монтажные натяги, перегревы металла, нарушение водного режима и др.). Однако и при соблюдении всех выше перечисленных условий часто имеет место изменение служебных свойств конструкционных материалов вследствие структурных превращений, происходящих в твёрдом растворе под воздействием условий эксплуатации с течением времени. Наиболее значимыми структурно-физическим аспектами, определяющими работоспособность конструкционных материалов, являются равномерность распада твёрдых растворов и величина объёмной дилатации на границе "формирующаяся

фаза - матрица" [4].

При определённом легировании можно подавить или значительно ослабить избирательность выпадения вторичных фаз.

Равномерность распада твёрдого раствора приводит к созданию в матрице относительно правильного чередования частиц карбидов или интерметаллидов, т.е. к образованию типа макрорешётки из этих фаз. При таком распаде, в отличие от неоднородного, избирательного, твёрдый раствор в процессе температурно-временных циклов под нагрузкой всё время остаётся относительно изотропным и обеспечивает возможность равномерного протекания пластической деформации. Одновременно с этими процессами обеднение твёрдого раствора легирующими элементами облегчает работу границ зёрен в условиях ползучести, так как даёт возможность реализации течения внутри них. Это замедляет развитие межзёренных повреждений во времени и обеспечивает более высокую остаточную пластичность при разрушении [1,3,4,5].

Равномерность распределения первичных фаз и высокая однородность и плотность зарождения вторичных карбидных, интерметаллидных и других фаз являются необходимыми, но не единственными условиями, обеспечивающими ослабление повреждаемости конструкционных материалов в условиях эксплуатации. Другим структурным фактором, определяющим сопротивляемость зарождению и развитию трещин, является объёмная дилатация на границе раздела "формирующаяся фаза - матрица", предопределяющая появление упругоискажённых областей в матрице (растянутых и сжатых), глубину их распространения и уровень возникающих при этом напряжений.

Следует отметить, что наиболее сильное влияние на

работоспособность конструкционных материалов оказывают величина, интенсивность и распределение структурных напряжений, возникающих на ранних стадиях распада, которые в некоторых случаях могут достигать величины хрупкой прочности материала. О наличии высоких внутренних напряжений, достигающих даже величины хрупкой прочности, свидетельствует появление в ряде случаев микротрещин в процессе распада твёрдых растворов [6].

Процессы предвыделения (зарождения и развития избыточной фазы в маточном твёрдом растворе) оказывают определяющее влияние на прочность и пластичность сталей сплавов. Изотропность механических свойств при этом, уменьшая локализацию повреждаемости, будет способствовать повышению сопротивляемости развитию трещин.

В связи с вышеизложенным, изучение процессов распада твёрдых растворов и закономерностей их протекания во времени, их влияния на комплекс механических, физических, коррозионных свойств металлических материалов различных композиций с ГЦК-, ОЦК-, ГПУ-структурами является важной научной и практической задачей, позволяющей прогнозировать поведение различных материалов при определённых температурно-временных условиях. Наиболее актуально это для материалов, используемых в энергетике (тепловой и атомной), где особое значение приобретает фактор времени.

Цель работы заключалась в изучении процессов распада твёрдых растворов сталей различных композиций с ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-структурами, а также процессов распада твёрдых растворов при наличии полиморфных превращений, определении общих закономерностей распада твёрдых растворов, изучении влияния ранних стадий распада на механические, физические и другие свойства сплавов.

Научная новизна. Впервые по единому, целенаправленному подходу изучены закономерности распада твёрдых растворов с различным типом кристаллической структуры. Показано, что распад пересыщенных твёрдых растворов весьма сложен, и задолго до выделения избыточных фаз в твёрдом растворе происходит ряд промежуточных превращений.

Установлено, что процессы, происходящие при распаде твёрдых растворов, присущи всем твёрдым растворам, но развитие их с учётом температурно-временных факторов различно (в одних сталях они сильно развиты, в других - более слабо).

Отмечены три периода распада при определённых температурно-временных условиях: 1) дораспадный, 2) инкубационный (скрытый, латентный) и 3) период обособления и коагуляции избыточных фаз.

Утверждается, что ранние стадии распада твёрдых растворов неизбежны, их влияние необходимо учитывать при анализе различных свойств сталей и сплавов. Начало этих процессов отчётливо улавливается физическими методами исследования.

Впервые показана неизбежность ранних стадий распада при изотермическом превращении переохлаждённого аустенита в углеродистых сталях. Высказывается мнение о ведущей роли углерода при распаде аустенита в простых углеродистых сталях.

Впервые установлено, что и при протекании полиморфного превращения в сплаве ранние стадии распада неизбежны, и распад твёрдого раствора происходит по общим для всех сплавов законам.

Установлено, что процессы предвыделения оказывают определяющее влияние на прочность и пластичность материала. Наиболее ощутимо во времени проявление процессов предвыделения избыточной фазы и задержки полиморфного превращения происходит при

пониженных температурах, когда затормаживаются процессы диффузии элементов замещения, а затем элементов внедрения. Но даже при весьма низких температурах (-50°С) ранние стадии распада пересыщенных твёрдых растворов неизбежны при длительных выдержках.

Практическая ценность результатов работы. Результаты выполненной работы позволили:

-сформулировать основные положения структурно-кинетической концепции;

- утверждать, что изменение служебных свойств конструкционных материалов определяется не только характером взаимодействия дислокаций и других несовершенств кристаллического строения, плотностью и равномерностью их распределения, изменяющихся в процессе эксплуатации при определённых температурно-временных условиях, но и структурными превращениями, также изменяющимися во времени в зависимости от условий эксплуатации;

- установить влияние ранних стадий распада на механические и физические свойства сталей и сплавов и показать определяющую роль фактора времени при выделении вторичных избыточных фаз;

- определить направления и подходы, обеспечивающие отсутствие преждевременных разрушений изделий, а также дать практические рекомендации по оценке работоспособности конструкционных материалов в процессе длительной эксплуатации при определённых температурно-временных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

пятом Российско-Японском симпозиуме "Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твёрдыми телами", Белгород, 30 сент. - 5 окт. 1996 г.;

симпозиуме "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии", Москва, сент. 1996 г.;

VII-M Межнациональном совещании "Радиационная физика твёрдого тела", Севастополь, 30 июня - 5 июля 1997 г.;

научно-техническом семинаре кафедры "Металловедение" СПбГТУ, Санкт-Петербург, май 1997 г.;

Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в современном материаловедении", Санкт-Петербург, 27 -28 мая, 1997 г.;

VII-й конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов", Белгород, 9-12 сент. 1997 г.;

заседании секции прочности и пластичности материалов им. H.H. Давиденкова Дома Учёных им. М. Горького, Санкт-Петербург, февраль 1998 г;

VIII-м Межнациональном совещании по радиационной физике твёрдого тела, Севастополь, июнь 1998 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Паршин A.M., Степанов Е.З., Теплухина И.В. Первичность распада переохлаждённого аустенита. //Тезисы докладов пятого Российско-Японского симпозиума "Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твёрдыми телами". Белгород: БГУ, 1996, с.52-54.

2.1 ¡аршин А.М., Петкова А.П., Кириллов Н.Б., Теплухина И.В.

Длительная эксплуатация ВВЭР и неотложные задачи.// Тезисы докладов симпозиума "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии". Москва: РАН, 1996, с. 114-115.

3. Степанов Е.З., Теплухина И. В. Неизбежность ранних стадий распада в сталях, предшествующих обособлению избыточных фаз. // Тезисы докладов симпозиума "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии". Москва: РАН, 1996, с. 115-116.

4. Паршин А.М., Степанов Е.З., Теплухина И.В. Полиморфизм и особенности распада переохлаждённого аустенита при формировании бейнита.// Тезисы докладов VII - го семинара "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов". Белгород: БГУ, 1997, с. 85-87.

5. Паршин А.М., Теплухина И.В. Ранние стадии распада в аустенитных и мартенситных сталях и сплавах при формировании карбидных и интерметаллидных фаз.// Тезисы докладов VII - го семинара "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов". Белгород: БГУ, 1997, с. 73-75.

6.Паршин А.М., Степанов Е.З., Филимонов Т.Н., Теплухина И.В. Влияние временного фактора на работоспособность корпусов атомных реакторов.//Физика твёрдого тела. Севастополь: 1997, с. 89-91.

7.Паршин А.М., Степанов Е.З., Теплухина И.В. Особенности распада переохлаждённого аустенита и оптимальная термическая обработка.// Тезисы докладов на международной конференции "Высокие технологии в современном материаловедении". Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1997, с. 19-20.

8. Паршин А.М., Степанов Е.З., Теплухина И.В. Полиморфизм и

особенности распада переохлаждённого аустенита при формировании бейнита.// Научные ведомости БГУ, №1(6). Белгород: БГУ, 1998, с. 100106.

9. Паршин А.М., Теплухина И.В. Перераспределение хрома в ферритных сталях в инкубационном периоде распада и зоны предвыделения фаз.// Материалы VIII -го Межнационального совещания по радиационной физике твёрдого тела. СевастопольД998, с. 281 - 287.

10. Теплухина И.В. Ранние стадии распада твёрдых растворов и работоспособность конструкционных материалов.// Вестник молодых учёных. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1999, № , с.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ.

1.1. Общие положения.

В соответствии с имеющимися в литературе и специально полученными экспериментальными данными выпадение вторичных карбидных, интерметаллидных, нитридных и других фаз из пересыщенных твёрдых растворов с различной кристаллической структурой представляется как многостадийный процесс, при котором задолго до выделения избыточной фазы происходит ряд промежуточных превращений [1,7,8]. Он включает в себя образование сегрегатов, двумерных и трёхмерных образований типа зон Гинье - Престона -Багаряцкого, ранее обнаруженных в алюминиевых сплавах [9], различных промежуточных состояний формируемой фазы, когерентных фаз и, наконец, обособившихся равновесных фаз, имеющих поверхность раздела с маточным твёрдьш раствором и сравнительно легко изолируемых при физико - химическом анализе [1]. Можно считать, что началом распада является образование первых неоднородностей легирующих элементов, больших, чем имеющиеся флуктуации их в матрице.

Таким образом, при распаде твёрдого раствора происходят процессы предвыделения вторичной фаз (зарождение и развитие её в маточном твёрдом растворе) и обособление и коагуляция вторичной фазы (вне твёрдого раствора).

Общий вид диаграммы структурных превращений может быть охарактеризован диаграммой структурных превращений твёрдорастворноупрочняемого высоконикелевого сплава

03Х20Н45М4БЧЦ (рис. 1.1). Следует отметить три периода при

1000 900

800

700

В00

500

400

300

200

100 О

tí

tí а ш с z

О) h

-Дораспадный период

Обособление и коагуляция вторичных карбидных и интерметаллидных фаз

-Инкубационный период формирования вторичных фаз

0,1

10

90

1000

Q000

Время, ч

1

Рис. 1.1. Диаграмма структурных превращений в сплаве марки 03Х20Н45М4БЧЦ;

1 - 1 - начало обособления вторичных фаз;

2 - 2 - начало появления сегрегатов.

определённых температурно - временных условиях: 1) дораспадный, 2) инкубационный (скрытый, латентный) и 3) период обособления и коагуляции вторичных избыточных фаз. К сожалению, очень часто на практике учитываются только те процессы, которые происходят на стадии обособления и коагуляции фаз, т.е. учитывается, в основном, количественная сторона процесса. При этом почти не учитываются не менее важные, а иногда и определяющие процессы, происходящие до обособления фаз - в инкубационном периоде распада. Именно в этом периоде, в основном, образуются напряжения несоответствия.

1.2. Физическая сущность зон предвыделения.

В ранее выполненных исследованиях [1,7] было показано, что в дисперсионно-упрочняе�