автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структурно-фазовые превращения в сталях при интенсивной пластической деформации

Президиум ВАК Рогг-ли

/-ленке от " жсущА у» J к . > ; "" - ... Д1L

7¿xa c <.< <с€ с ¿>y2n. Начальник "у

« л

<£'/ & ....., /V" У /

, " ч/ ^ ' / У

/ Ь?/

Сибирский государственный индустриальный университет Томский государственный архитектурно строительный университет

На правах рукописи

Целлермаер Владимир Яковлевич

Структурно - фазовые превращения в сталях при интенсивной пластической деформации

Специальность 05.16.01 -Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультанты:

д. ф. м. н., профессор Громов В.Е. д. ф.м.н., профессор Козлов Э.В.

Новокузнецк, 1999

Содержание

Глава 1. Введение и постановка задачи исследования..........................5

Глава 2. Методика исследования...................................................13

2.1. Определение объемных долей морфологических составляющих... 14

2.2. Определение скалярной и избыточной плотности дислокаций......16

2.3. Определение параметров, характеризующих карбидную фазу......18

Глава 3. Эволюция структуры материала в условиях волочения.

Макроуровень и уровень зерна..........................................20

3.1. Структурные уровни и неоднородность пластической деформа-ци..................................................................................20

3.2. Фазовый состав и морфология исследуемых сталей. ..................24

3.3. Зональное строение и неоднородность структуры материала после волочения........................................................................27

3.4. Градиентные зеренные структуры..........................................31

3.5. Распределение цементита по зонам........................................41

3.6. Анизотропия размеров зерен в условиях волочения...................46

3.7. Структурная текстура в условиях волочения.............................50

3.8. Строение зерен а-фазы при волочении....................................54

Глава 4. Зеренная структура в условиях сильной неоднородной деформации................................................................................60

4.1. Параметры неоднородной деформации при формировании заготовки болта..........................................................................60

4.2. Эволюция зеренной структуры и локальная деформация при фор моизменении болта...........................................................67

4.3. Структурная текстура неоднороднодеформированного материала.................................................................................78

Глава 5. Субструктура в условиях неоднородной деформации..........................................................................93

5.1. Классификация наблюдаемых дислокационных субструктур.......93

5.2. Количественные параметры дислокационной структуры в условиях волочения.......................................................................98

5.3. Количественные параметры дислокационной структуры в условиях неоднородной деформации при объемной штамповки..............113

Глава 6. Фазовые превращения и разрушение цементита в условиях сложных пластических деформаций................................133

6.1. Морфология цементита низко - и среднеуглеродистых сталей на различных структурных уровнях........................................133

6.2. Разрушение цементита и аномальный массоперенос в условиях волочения.........................................................................141

6.3. Разрушение цементита в условиях сложной пластической деформации..............................................................................149

6.4. Эволюция перлитных зерен в условиях неоднородной пластической деформации...................................................................161

6.5. Эволюция частиц цементитной фазы, расположенной по границам и в теле зерна...................................................................168

6.6. Структурно-фазовые превращения при интенсивной пластической деформации...................................................................178

Глава 7. Влияние водорода на пластические свойства феррито-перлитных сталей. Субструктура и микроуровень..........186

7.1. Поведение водорода в стали на микроуровне..........................186

7.2. Влияние водорода на параметры субструктуры. Однородная деформация. ...........................................................................191

7.3. Влияние водорода на параметры субструктуры. Деформация волочением..........................................................................199

Глава 8. Эволюция структуры стали феррито-перлитного и аустенитно-го класса при электростимулированном волочении..........205

8.1. Изменение свойств сталей при обычном электростимулированном волочении.......................................................................205

8.2. Внутренние напряжения в стали 08Г2С после ЭСВ OB.............206

8.3. Порог хладноломкости и усталостное разрушение стали 08Г2С после ОСВ.........................................................................209

8.4. Особенности структурных изменений феррито-перлитной стали 08Г2С...........................................................................219

8.5. Особенности структурных изменений в аустенитной стали Х18Н10Т после ЭСВ......................................................................232

8.6. Развитые субструктуры при волочении аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т................................................................237

Выводы.....................................................................................250

Литература.................................................................................253

Приложения.............................................................................269

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Основы экономического развития государства составляет широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологии, обеспечивающих заметное повышение производительности труда и использование при разработке этих технологий возможностей материалов с заданными высокими параметрами.

Проблемы повышения пластичности стали за счет внешних энергетических воздействий является, в настоящее время, одной из важных в современном материаловедение.

Решение задачи управления прочностью и пластичностью твердых тел и разработка на этой основе новых технологических процессов волочения и холодной объемной штамповке в значительной степени связаны с пониманием физической природы деформирования.

Согласно современным представлениям процесс пластической деформации является многоуровневым. На стадии развитой пластической деформации, обычно реализующейся при обработке металлов давлением, для корректного описания процессов формоизменения необходимо знание эволюции дефектной структуры. В ходе технологических процессов исходные заготовки металлических материалов претерпевают значительные пластические деформации различного вида и степени интенсивности. В таких условиях сложной деформации в сложном металлическом материале формируются различного типа дислокационные структуры. Одновременно с этим может меняется и фазовый состав материала. Это, несомненно, самым серьезным образом влияет на сопротивление деформированию и разрушению материала.

Следовательно, изучение процессов, протекающих в ходе формоизменении металлов, представляет несомненный научный и практический интерес.

Работа проводилась в соответствии с координационным планом НИР программы «Сибирь» научного совета по новым материалам и технологиям СО АН СССР раздел 6.01, межвузовской программой НИР «Металл», раздел 09.16, координационным планом НИР АН СССР на 1986-1990 гг. раздел 13.2, подраздел 1.32.3; Программы фундаментальных исследований «Повышение надежности систем машина - человек - среда» АН СССР на 1989-2000 гг., раздел 3.3.1, фундаментальной программой «Интеграция» на 1997-2000 гг., темами Сибирского государственного индустриального университета.

Развитие современной науки о пластической деформации прошло через несколько этапов [1,2]. Начальный (конец XIX в. - начало XX в.) характеризует исследование деформации исключительно на макроуровне - изучалось поведение образца в целом. Развитие металлографической оптической микроскопии (первая половина XX в.) позволило исследовать неоднородности пластической деформации на макроуровне и структурном уровне отдельных зерен и их групп [3-5]. В это же время (50-е годы XX в.) осознается, что пластическая деформация может протекать стадиями [6,7]. Развитие электронной микроскопии на репликах [8] и затем на тонких фольгах [9] приводит к открытию дислокаций и исследованию их индивидуальных свойств (60 - 70-е годы XX в.). В последние два десятилетия введение понятия о структурных уровнях [10-12] приводит к синтезу представлений о пластической деформации на различных масштабных и структурных уровнях [13-15].

В этот период значительное внимание уделяется проблемам дислокационного ансамбля [14,16]. Субструктурные превращения, обусловленные изменением порядка расположения дислокаций и образованием различного рода дислокационных границ, подробно исследуются [13, 17-19]. Стадии пластической деформации оказываются связанными с субструктурным превращением [13]. Удается установить наличие стадийности деформации не только в однофазных гцк и оцк материалах, но и в сложных сталях [15,20-22]. При этом в число стадий попадает и локальная деформация в шейке [15,20]. Суб-

структурные превращения в различных сталях в этот период начинают активно исследоваться [17-25].

Хорошо известно, что цементит при пластической деформации частично разрушается [26,27]. Это обусловлено его термодинамической нестабильностью [28,29], а также особенностями взаимодействия атомов углерода с дефектами кристаллического строения [15,30-32]. Разрушение цементита исследовалось в сталях перлитного [25-27,31] и мартенситного [15,20-22,24] классов. В то же время к сталям феррито-перлитного класса внимания в научной литературе уделено явно недостаточно.

Структура феррито-перлитных сталей и влияние на нее термообработок хорошо известно и обобщено в различных монографиях и справочниках [32-40 и др.], поэтому здесь этому вопросу не будет уделено внимания.

В настоящей работе было обращено внимание на мало изученный вопрос - стабильность различных морфологических составляющих цементита. Речь идет, тем самым, не только и цементитных прослойках в перлите, но и о частицах цементита на границах и в стыках ферритных зерен, а также о мелких частицах на дислокациях и субграницах. В отличие от цементита в перлите эти последние, как правило, некогерентны с а-матрицей (в лучшем случае -полукогерентны). Эта некогерентность, а также энергия связи частиц цементита с дефектами строения (границы, субграницы, дислокации) а-фазы является причиной того, что такой цементит при деформации может иметь иную стабильность, чем цементит в перлите. Этот вопрос также мало изучен в научной литературе, особенно для феррито-перлитных сталей.

Продолжая проблему эволюции структуры для феррито-перлитных сталей, отметим, что пластическая деформация этого класса материалов на различных структурных уровнях фактически не изучена. До настоящей работы не существовало даже полного списка структурно-масштабных уровней в этих сталях. Поэтому в настоящей работе выполнено детальное исследование закономерностей деформации феррито-перлитных сталей на различных

структурных уровнях. Новизна работы этим не ограничивается. В центре внимания настоящего исследования стоят проблемы неоднородной пластической деформации феррито-перлитной стали. Поэтому наряду с деформацией сжатием основными видами пластической деформации являются волочение и объемная осадка. Для этих видов деформации (формирование проволоки и заготовки болта) впервые выполнено цельное комплексное исследование закономерностей неоднородной пластической деформации в широком интервале масштабных уровней от макроуровня до микроуровня с привлечением оптической и электронной микроскопии. При этом были использованы различные методы электронной микроскопии: 1) метод экстрактных угольных реплик с дифракционным анализом, 2) метод тонких фольг с дифракционным анализом для изучения фазового состава и дислокационной структуры. При этом были изучены: зеренная структура, структурная текстура, дислокационная субструктура и эволюция распределения цементита на макро - мезо - микроуровнях. Превращения в дислокационной субструктуре на количественном уровне были исследованы как при однородной деформации сжатием, так и при сильно неоднородной - волочение и изготовление заготовки болта. Было прослежено изменение субструктуры в локальных участках и зонах материала, обладающих различными параметрами зеренной анизотропии и структурной текстуры. Особое внимание при этом было обращено на роль цементита и твердорастворного упрочнения водородом в закономерностях эволюции субструктуры.

Формирование в завершенном изделии фрагментированной субструктуры - последней в ряду субструкгурных превращений [13-15,19-22] создает условие для зарождения микротрещин [41,42]. Зарождение микротрещин является опасным явлением в технологическом переделе. Поэтому условия их возникновения и связь с субструктурой были детально исследованы.

Параллельно с исследованием дислокационной субструктуры в настоящей работе методами оптической и электронной микроскопии детально

прослежено разрушение цементита и аномальное перераспределение его между поверхностью и центром образца. Обнаружено и описано явление зонального строения волоченой стали, количественно исследованы параметры зон и обращено внимание на объемную долю цементитной фазы.

Среди трудных проблем пластического формоизменения стали одно из важных мест занимает проблема водорода в стали и возможное при этом охрупчивание [43,44]. Обычно этот вопрос пытаются решать исходя лишь из взаимодействия водорода с дислокациями и трещинами. Здесь вопрос поставлен шире. Представляется, что влияние водорода на пластичность стали следует изучать через его воздействие на поведение дислокационного ансамбля. Такое исследование в настоящей работе выполнено.

Проблема повышения пластичности стали и сплавов за счет внешних энегретических воздействий является в настоящее время одной из важнейших в физике и механике пластичности и прочности и в современной технике. Интерес к данной проблеме обусловлен как разработкой новых технологий обработки материалов, так и фундаментальными аспектами, связанными с выяснением физической природы отклика материалов на такие воздействия. В существующих к настоящему моменту моделях влияния токовых импульсов на процесс пластической деформации отмечается многофакторность такого влияния и необходимость учета структуры материала. В отдельных работах делается попытка описания влияния электростимулирования на процессы ползучести, релаксации напряжения и активной деформации. В некоторых из них такое влияние обуславливается чисто термическими эффектами. В других - из детального анализа представлений механики деформируемого твердого тела - делается вывод о влиянии электростимулирования на макроскопическую пластичность.

Разработка эффективных способов внешнего токового воздействия на прочность и пластичность материалов и создание на этой базе физико-технических основ высокопроизводительных технологических процессов

должны опираться на исследовании поведения энергосиловых параметров, физико — механических характеристик материалов различных структурных классов в этих условиях. Для этого необходимы специальные экспериментальные исследования и новые теоретические разработки. В то же время количество данных об изменении структуры и механических свойств материалов при электростимулировании током ограничено.

Целью работы является.

Изучение закономерностей структурно фазовых превращений при интенсивной пластической деформации в ходе волочения и холодной объемной штамповки сталей разных структурных классов.

Для реализации цели в ходе работы решались следующие задачи:

1. Анализ фазово - градиентных структур, формирующихся при волочении проволоки, на макроуровне и уровне зерна.

2. Исследование зеренной структуры феррито — перлитных сталей в условиях холодной объемной штамповки крепежных изделий.

3. Исследование эволюции дислокационной субструктуры феррито - перлитных сталей в условиях неоднородной пластической деформации.

4. Изучение фазовых превращение и разрушение цементита на различных структурных уровнях в условиях сложных пластических деформаций.

5. Анализ процессов, протекающих в феррито - перлитных сталях, подверженных наводороживанию и обработке давлением.

6. Исследование изменения физико-механических макро- и микро характеристик сталей различных структурных классов и закономерностей эволюции субструктуры при волочении в условиях внешних энергетических воздействий.

Научная новизна.

1. Впервые детально описано зональное строение волоченой стали по следующим параметрам: структурная текстура, зеренное строение, дислокационная субструктура, расслоение по цементиту.

2. Впервые исследована эволюция дислокационной субструктуры стали при холодной объемной штамповки крепежных изделий. Установлено, что готовое изделие обладает фрагментированной субструктурой, склонной к зарождению микротрещин. Установлены места зарождения микротрещин.

3. Воздействие водорода на деформационную способность феррито-перлитных сталей исследовано при анализе поведения дислокационных ансамблей. Определены количественные параметры этого воздействия.

4. Впервые детально изуч�