автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Ударная вязкость и усталостная прочность металлических материалов после равноканального углового прессования

005535457

На правах рукописи

Фесенюк Максим Викторович

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ И УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Тольятти 2013

005535457

Работа выполнена в федеральных государственных бюджетных образовательных учреждениях высшего профессионального образования «Тольяттин-ский государственный университет», «Уфимский государственный авиационный технический университет» (Институте физики перспективных материалов) и ОАО «ПО «Стрела».

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Клевцов Геннадий Всеволодович, д.т.н., профессор

Валиев Руслан Зуфарович, заслуженный деятель науки РФ и РБ, д.ф.-м.н., профессор

Муратов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, декан физико-технического факультета ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Федоров Виктор Александрович, заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина»

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)

Защита состоится

2013 г. в . У? часов на заседании диссертационного совета Д212.217.02 ФГБОУ ВПО «СамГТУ» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корп. № 6, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г.Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.02.

Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.21^ доктор технических наук, профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимые требования к современным изделиям во многих областях человеческой деятельности - это, прежде всего, прочность, малые вес и материалоемкость. Поэтому в последнее время значительно возросли требования к прочностным характеристикам материалов и методам их упрочнения. При этом особое внимание уделяется разработке физически обоснованных критериев конструктивной прочности используемых материалов, основанных на глубоком изучении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения.

В последнее время интенсивно разрабатываются технологии получения наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой. Для получения данного класса материалов широко используется технология равноканального углового прессования (РКУП). Материалы, полученные путем РКУП, привлекают внимание специалистов благодаря ряду уникальных свойств, прежде всего высокой твердости и прочности при растяжении. Однако данных об ударной вязкости и усталостной прочности таких материалов крайне мало. Поэтому широкое использование в машиностроении материалов с субмикрокристаллической структурой предполагает расширение наших представлений об их поведении при различных условиях нагружения и механизмах разрушения на различном масштабном уровне.

Настоящая работа выполнялась в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 годы)» (проекты № 1383 и 9687), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.513.11.3018), грантов РФФИ (проект 08-08-99122р_офи, № 11-08-00208).

Цель работы. Установление закономерностей влияния РКУП и последующей обработки на ударную вязкость, усталостную прочность, макро- и микростроение изломов материалов в субмикрокристаллическом состоянии с различным типом кристаллической решетки, а также экспериментальное обоснование путей повышения прочностных свойств данных материалов.

Задачи исследования:

1. Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов стали 10 с субмикрокристаллической структурой (материал с ОЦК решеткой) в интервале вязко-хрупкого перехода после различных режимов РКУП.

2. Экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости стали 10 с субмикрокристаллической структурой путем оптимизации режимов РКУП и последующей обработки.

3. Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов аустенитной стали А181 321, алюминиевого сплава Д16 (материалы с ГЦК решеткой), магниевого сплава АМ60 (материал с ГПУ решеткой) и титанового сплава ВТ6 (материал с ГПУ+ОЦК решеткой) с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП.

4. Определить рентгеновским методом количество и глубину пластических зон под поверхностью ударных изломов стали 10 и аустенитной стали AISI 321 с субмикрокристаллической структурой, оценить трещиностойкость данных материалов по глубине пластических зон и исследовать распределение мартенситной фазы в пластических зонах аустенитной стали AISI 321.

5. Исследовать усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения материалов с субмикрокристаллической структурой (на примере титана Grade 2, Grade 4, титанового сплава системы Ti-6A1-4V, магниевого сплава АМ60), а также исследовать макро- и микростроение усталостных изломов.

Объект исследования. Конструкционные металлические материалы с различными типами кристаллических решеток в исходном микроструюурном состоянии и после РКУП с субмикрокристаллической структурой.

Предмет исследования. Прочностные характеристики, макро- и микростроение изломов металлических материалов, полученных при однократном и циклическом видах нагружения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический анализ, просвечивающую электронную микроскопию, механические испытания образцов, макро- и микрофрактографический анализ (растровая электронная и лазерная микроскопия), рентгеноструктурный анализ.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что РКУП при 200 °С стали 10, формируя субмикрокрн-сталлическую структуру, практически не изменяет порог хладноломкости стали по сравнению с исходным состоянием, однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода; повышение температуры РКУП до 400 °С смещает данный интервал в сторону низких температур, повышая тем самым конструктивную прочность материала.

2. Установлено, что трещиностойкость стали 10 и аустенитной стали AISI 321 после РКУП не уменьшается по сравнению с исходным состоянием.

3. Установлено, что РКУП стабилизирует аустенитную структуру стали AISI 321 в пластических зонах под поверхностью изломов по отношению к у—>а превращениям.

4. Показана (на примере стали 10 и титанового сплава ВТ6) принципиальная возможность повышения ударной вязкости материалов с субмикрокристаллической структурой без существенного снижения твердости и прочности за счет формирования более равновесной структуры путем совершенствования технологических процессов РКУП и последующей обработки материалов.

5. Установлено, что повышение предела усталости титана Grade 4 с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП, происходит за счет увеличения времени до зарождения усталостной трещины и более низкой скорости ее распространения, при этом коэффициент п в уравнении Пэриса практически в 2 раза больше, чем в случае с титаном в исходном состоянии.

6. Установлены закономерности формирования макро- и микростроения изломов материалов с субмикрокристаллической структурой, полученных при различных видах нагружения и температурах испытания.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны и экспериментально обоснованы режимы РКУП и последующей термической обработки стали 10 с субмикрокристаллической структурой, позволяющие повысить ее конструктивную прочность за счет повышения ударной вязкости при сохранении высоких значений твердости, пределов прочности и текучести.

2. Полученные при выполнении диссертации результаты внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» при подготовке магистров по направлению магистратуры 150600.68 — Материаловедение и технология новых материалов. Разработанный способ идентификации полезных сигналов акустической эмиссии по их профилю принят к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» для проведения усталостных испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

1. Механические свойства и особенности макро- и микростроения изломов материалов с различным типом кристаллической решетки в субмикрокристаллическом состоянии, определенные при различных видах нагружения и температурах испытаний.

2. Установленные закономерности сужения после РКУП интервала вязко-хрупкого перехода стали 10 по сравнению с исходным состоянием.

3. Разработанные режимы проведения РКУП и последующей термической обработки стали 10, позволяющие, при незначительном уменьшении твердости и прочности, увеличить ее ударную вязкость.

4. Кинетические диаграммы усталостного разрушения и уравнения Периса для титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на: XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2008, Магнитогорск, 2012); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009, 2011); XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009); Первых Московских чтениях по проблемам прочности (Москва, 2009); Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009 (Москва, 2009, 2011); Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» (Витебск, Беларусь, 2009); 49 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Киев, Украина, 2010); V Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP-2010) (Тамбов, 2010); 50 Международном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2010); V и VI Международных научных конференциях «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008, 2010); 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина, 2011); VI Еврозийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (ПРОСТ 2012) (Москва, 2012).

Личный вклад автора. Испытания материалов на твердость и ударную вязкость были проведены лично автором. Усталостные испытания материалов, а

также исследование макро- и микростроения изломов были выполнены при непосредственном участии автора.

Степень достоверности научных результатов и выводов. Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием комплексных методик исследования, включающих в себя апробированные научные методы и стандартные методики, значительным объемом экспериментальных исследований, а также публикацией в реферируемых научных журналах и обсуждением на российских и международных конференциях.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка использованных источников. Работа изложена на 148 страницах, содержит 81 рисунок, 21 таблицы, список использованных источников содержит 104 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел посвящен аналитическому обзору по вопросам прочности и механизмам разрушения металлических материалов при однократных и циклическом видах нагружения, технологиям интенсивной пластической деформации, в частности РКУП.

Во втором разделе рассмотрены материалы и методики исследования. В качестве основных исследуемых материалов после РКУП1' были использованы материал с ОЦК решеткой (сталь 10 (табл. 1)), материалы с ГЦК решеткой (ау-стенитная сталь AISI 321 (табл. 1) и алюминиевый сплав Д16 (4,2 % Си; 0,6 % Мп; 1,5 % Mg; 0,2 % Si; 0,23 % Fe; 0,12 % Zn)), материалы с ГПУ решеткой (титан Grade 2, Grade 4, титановые сплав ВТ6 (6 % А1; 4 % V), титановый сплав системы Ti-6A1-4V, магниевый сплав АМ60 (6 % А1; 0,13 % Мп)).

Таблица 1 - Химический состав исследуемых сталей (в % по массе)

Материал С Мп Сг Ni Ti

Сталь 10 0,11 0,39 0,15 0,25 -

Сталь AISI321 0,06 1Д 17,5 9,4 0,48

Сталь 10 в исходном состоянии (горячекатаное состояние) имела средний размер зерна 45 мкм. Субмикрокристаплическое состояние было получено путем РКУП при температуре 200 °С, количество проходов - 4 и 6 (ёср = 300 нм) и при 400 °С, количество проходов 4 и 8 ^ср= 500 нм), с поворотом образца вокруг продольной оси на 90° после каждого прохода (маршрут Вс).

Аустенитная сталь А181 321 (аналог стали 12Х18Н9) в исходном состоянии имела средний размер зерна 60 мкм. Субмикрокристаллическое состояние стали было получено путем РКУП (маршрут Вс). Средний размер зерна составил 300 нм. Охлаждение стали до температуры -196 °С как в исходном состоянии, так и после РКУП не приводило к мартенситным превращениям.

''РКУП материалов бьио проведено сотрудниками Института физики перспективных материалов ФГБОУ ВПО УГАТУ.

Алюминиевый сплав Д16 исследовали в отожженном состоянии, после стандартной обработки (закалка + старение) и после РКУП (маршрут Вс). В последнем случае средний размер зерна составлял 300 нм.

Исходный титан марки Grade 4 имел средний размер зерна 25 мкм. Заготовки подвергали отжигу при температуре 680 °С в течение 1 часа, затем 6 проходам РКУП-конформ в оснастке с квадратным сечением 11x11 мм при температуре 250 °С. Средний размер зерна титана Grade 4 после РКУП-конформ составлял 300 нм. Средний размер зерна титана марки Grade 2 в исходном состоянии был равен 240 мкм, после РКУП - 150 нм. Титановый сплав ВТ6 испытывали на ударный изгиб в исходном состоянии (горячекатаное состояние) (dcp=15 мкм), после РКУП + экструзия (dcp=300 нм) и после РКУП + экструзия + изотермическая штамповка (ИЗШ) (dcp= 0,9 мкм). РКУП проводили на оснастке с ■углом пересечения каналов ср=120° при температуре 700 °С; экструзию - при 300 °С; изотермическую штамповку - при 750 °С. Размер зерна титанового сплава системы TÍ-6A1-4V, предназначенного для усталостных испытаний, имел средний размер зерна в исходном состоянии 15 мкм, а после РКУП - 300 нм.

Магниевый сплав АМ60 в исходном литом состоянии (гомогенизация при 450 °С, 6 час.) имел размер зерна 1 мм, а после РКУП при 150 °С, 10 проходов -размер зерна составлял 1 мкм.

Средний размер зерна в исходном состоянии определяли с помощью металлографического микроскопа МИМ-8 по ГОСТ 5639-82. Исследование структуры стали 10 после РКУП и последующего нагрева проводили в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEOLJEM2100.

Твердость материалов определяли по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) и по Бри-неллю (ГОСТ 9012-59); микротвердость - на приборе ПМТ-ЗМ согласно ГОСТ 9450-76. Определение прочностных характеристик материалов при статическом растяжении проводили на разрывной машине Р-10 по ГОСТ 1797-84. Диаметр образцов из стали 10 и AISI 321 был равен 3 мм, а из сплава АМ60 — 5 мм.

Испытания на ударный изгиб проводили на копре МК-30 по ГОСТ 945478 и ГОСТ 22848-77. Использовались образцы с V-образным концентратором напряжения. Образцы из стали AISI 321 имели размер 6x6x55 мм.

Все усталостные испытания проводили при комнатной температуре. Испытания консольно закрепленных образцов из магниевого сплава АМ60 проводили при симметричном цикле на плоских образцах с рабочим сечением 1x10 мм. Для усталостных испытаний титана Grade 2 и титанового сплава системы TÍ-6A1-4V использовали цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 3 мм. Испытания проводили на изгиб с вращением с частотой нагружения 50 Гц. Усталостные испытания образцов из титана Grade 4 на трехточечный изгиб проводили на машине «The Nano Plug'n'Play» фирмы BiSS P.Ltd. Частота нагружения образцов была выбрана 15 Гц с коэффициентом асимметрии цикла R=0,2; расстоянием между опорами 40 мм; максимальные нагрузки 0,8, 1,0, 1,2 кН. Для определения количества циклов нагружения до зарождения усталостной трещины использовали разработанный метод акустической эмиссии, основанный на анализе профиля сигнала.

Микрофрактографические исследования проводили в растровых электронных микроскопах JSM-6092, JSM-2T и SIGMA фирмы ZEISS, а также в лазерном конфокальном сканирующем микроскопе Lext OLS4000.

Определение глубины пластических зон под поверхностью изломов и структурных изменений материала в данных зонах (в том числе и распределения а-мартенсита) проводили рентгеновским методом. Съемку изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4-07. В работе приведен анализ погрешностей определения глубины пластических зон.

Третий раздел посвящен оценке влияния РКУП на ударную вязкость, трещиностойкость, на макро- и микростроение изломов материалов с различным типом кристаллической решетки при однократных видах нагружения.

Из таблицы 2 видно, что после РКУП твердость и прочностные характеристики стали 10 (материал с ОЦК структурой) повышаются почти в 1,6 - 2,2 раза, а пластичность снижается.

_Таблица 2 — Механические свойства стали 10 исходном состоянии и после РКУП_

Состояние стали НВ о», МПа ат, МПа 5,%

Исходное состояние 121 460 350 25

После РКУП, 200 "С, 4 прохода 235 1028 989 8

После РКУП, 200 иС, 6 проходов 235 1050 955 11

После РКУП, 400 иС, 4 прохода 194 760 716 18

После РКУП, 400 иС, 8 проходов 220 735 690 20

Vo

I1'5 3 1.0

0,5

¿—4-®,—á

На температурной зависимости ударной вязкости (КСУ) стали 10 видно (рис. 1), что сталь 10 в исходном состоянии характеризуется наличием ярко выраженного интервала вязко-хрупкого перехода (примерно от -5 до 100 °С), а после 4 проходов РКУП, проведенном при температуре 200 °С, - узким интервалом вблизи температуры 50 °С. При этом порог хладноломкости стали 10 практически не изменился. После 4 проходов РКУП, при 400 °С, порог хладноломкости стали 10 сместился на 100 °С в сторону низких температур (рис. 1). При этом интервал вязко-хрупкого перехода, как и в предыдущем случае, занимает узкую область температур вблизи -50 °С.

Рисунок 1 — Температурная зависимость КСУ стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП

При низких температурах образцы из стали 10 в исходном состоянии разрушились по механизму микроскола и межзеренного хрупкого разрушения; после РКУП при 200 °С, 4 и 6 проходов - квазискола (рис. 2 а, г), а после РКУП при 400 °С, 4 прохода - скола. В средней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 в исходном состоянии разрушается по сосредоточенному механизму (микроскол и ямочный микрорельеф), а после РКУП, 200 °С, 4 и 6 проходов — с образованием ступенек и малорельефных вы-

А исходное состояние

# 4 прохода 200 °С

О в проходов 200 °С

□ 4 прохода 400 *С О 8 проходов 400 °С

100 150 200 250

тянутых участков (рис. 2 б, д). После РКУП, 400 °С, 4 и 8 проходов, сталь 10 в данной области разрушается с образованием ямочного микрорельефа в периферийной части изломов и участками скола - в центральной части изломов.

Г) Д) е)

Эбщий ов РКУ (в, е): г, д, е- х4000

Рисунок 2 - Общий вид (а-в) и микрорельеф поверхности (г-е) ударных изломов стали 10 после 4 проходов РКУП, 200 °С, полученных при температурах -196 °С (а, г), 20 °С (б, д), 50 °С

В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10, как в исходном состоянии, так и после различных режимов РКУП, разрушается вязко с образование ямочного микрорельефа (рис. 2 в, е). Причем, разрушение стали после РКУП сопровождается образованием более глубоких ямок, по сравнению с исходным состоянием

Под поверхностью изломов стали 10 после РКУП, 200 °С, полученных при температурах -196, -70 и 20 °С рентгеновским методом была обнаружена одна пластическая зона, глубиной (30-50) мкм (табл. 3). Наличие одной пластической зоны, а также то, что значение отношения ЬтахЛ не превышает 10"2, позволяет сделать вывод, что ударное разрушение образцов стали 10 после РКУП в указанном интервале температур произошло в условиях плоской деформации (ПД). О том же свидетельствуют и результаты фрактографического анализа.

Таблица 3 - Глубина пластической зоны (Иу) под поверхностью ударных изломов стали 10 после РКУП и отношение ЬтахЛ

Температура, "С -196 -70 20

Ьу, мкм 30 30 50

Ьшах^ з,ою-' 3,0 10"' 5,0' КГ*

Таблица 4 - Трещиностойкость (К]с) стали 10 в исходном состоянии и после РКУП

Состояние К]с, MПa^'м

Исходное состояние 28,0

После РКУП 31,0

Расчет трещиностойкости стали 10 в условиях плоской деформации (К1о) в исходном состоянии и после РКУП, проведенный по глубине пластических зон под поверхностью изломов [Р 50-54-52/2-94. Расчеты и испытания на прочность. - М.: ВНИИНМАШ Госстандарта России, 1994.- 28 е.], показал (табл. 4), что

трещиностойкость (К]С) стали 10 с субмикрокристаллической структурой после РКУП не уменьшается, а даже несколько увеличивается по сравнению с исходным состоянием.

Для выяснения природы наблюдаемых закономерностей была исследована тонкая структура стали после РКУП методом ПЭМ (рис. 3).

Рисунок 3 - Тонкая структура стали 10 после РКУП при 200 "С, 4 прохода (а), РКУП при 400 "С, 4 прохода (б), после РКУП при 200 °С, 4 прохода и последующего нагрева до температуры 350 °С (в) и 550 °С (г)

В структуре стали 10 после РКУП при 200 °С, 4 прохода (рис. 3 а) наблюдается ярко выраженная полосчатость; после РКУП при 400 °С, 4 прохода (рис. 3 б) полосчатость структуры выражена не так явно; дефектность такой структуры ниже. По-видимому, более низкая дефектность структуры после РКУП при 400 °С благоприятно повлияла на ударную вязкость, сместив интервал вязко-хрупкого перехода в сторону низких температур.

С целью повышения ударной вязкости стали 10 после РКУП исследовали влияние температуры последующего нагрева на твердость и ударную вязкость стали после РКУП при 200 °С. Результаты исследования показали, что интенсивное снижение твердости и прочностных свойств стали 10 начинается при температуре нагрева выше 550 °С. Образцы, испытанные на ударную вязкость (KCV) после такой обработки, полностью не разрушились, т.е. ударная вязкость стали 10 возросла более чем в 6 раз, превышая ударную вязкость стали в исходном состоянии более чем в 3 раза (табл. 5). Это свидетельствует о том, что такой вид обработки сместил интервал вязко-хрупкого перехода стали 10 в сторону низких температур, что благоприятно для конструктивной прочности материала.

После нагрева до температуры 350 °С в результате возврата наблюдается ячеистая структура. Ячейки практически свободны от дислокаций (рис. 3 в). Полосчатость структуры исчезает, границы становятся более четкими. Такие изменения несущественно влияют на твердость стали, однако снижают прочность. Относительное удлинение и ударная вязкость стали при этом повышаются.

После нагрева до 550 °С в структуре наблюдается характерный для высокоугловых границ полосчатый контраст (рис. 3 г). Такие изменения структуры повышают пластичность и ударную вязкость стали.

Таблица 5 — Механические свойства стали 10 после РКУП + нагрев

Вид обработки HB о., МПа От, МПа 5,% KCV, МДж/м2

Исходное состояние 121 460 350 25 0,95

РКУП, 4 прохода 235 1028 989 8 0,45

РКУП, 4 прохода + нагрев 350 "С 230 696 660 10 3,00Т

РКУП, 4 прохода + нагрев 550 "С 218 612 504 40 3,00t

Исследование материалов с ГЦК решеткой проводили на примере образцов из аустенитных сталей А181 321 и сплава Д16.

Из таблиц 6 и 7 видно, что РКУП привело к повышению твердости стали А181 321 более чем на 50 %, микротвердость возросла от 3610 до 3910 МПа, пределы прочности и текучести стали увеличились на 20-30 %, а относительное удлинение снизилось примерно на 28 %. При этом ударная вязкость (КСУ) стали уменьшилась на 66-68 % как при комнатной, так и при низкой температурах.

Таблица 6 - Механические свойства стали AISI321

Состояние HRC HV, МПа о"в, МПа со,2, МПа S0,%

Исходное состояние 24 3610 766 673 34,8

После РКУП 37 3910 917 869 25,2

Таблица 7 - Ударная вязкость (KCV) и микрорельеф изломов стали AISI321

Состояние Исходное состояние После РКУП

t,uC 20 -196 20 -196

KCV, МДж/м^ 2,48 2,25 1,65 1,54

Ударные изломы стали А181 321 как в исходном состоянии, так и после РКУП, волокнистые, матовые, серого цвета. Вблизи очага разрушения видно Сообразную зону Ь, состоящую из параллельных гребней, микрорельеф которой состоит из вытянутых ямок. Микрорельеф центральной части изломов состоит в исходном состоянии из мелких неглубоких ямок, после РКУП - из глубоких равноосных различного размера ямок, чередующихся с порами.

Рентгеновские исследования позволили выявить под поверхностью всех изломов две пластические зоны: сильнодеформированную микрозону Ьуь и сла-бодеформированную макрозону Ьу (табл. 8). Глубина пластических зон под поверхностью изломов меньше в случае разрушения стали А181 321 после РКУП, по сравнению с исходным состоянием. Такое состояние материала характеризуется большей локализацией пластической деформации при ударном нагруже-нии. Разрушение стали во всех случаях произошло в условиях плоского напряженного состояния (ПН), т.к. отношение Ьтах/1>10"'.

Из таблицы 9 видно, что трещиностойкость стали после РКУП в условиях ПН (К,;) не снижается по сравнению с исходным состоянием.

Таблица 8 - Глубина микрозоны (Ьуь) и макрозоны (Ьу) под поверхностью изломов стали А151 321 в исходном состоянии и после РКУП, отношение ЬтахЛ, а также количество а-мартенсита на поверхности изломов

Таблица 9 - Трещино-стойкость (Кс) стали AISI 321 в исходном состоянии и после РКУП

Состояние t, "С hvh, мкм hv, мм hmax/t а, %

Исходное состояние 20 180 3,5 5,6510-' 55

-196 140 3,0 4,8410"' 100

После РКУП 20 100 2,5 4,1710"' 20

-196 80 2,0 3,3310"' 88

Состояние Кс, MnaVM

Исходное состояние 99,8

После РКУП 106,4

В результате исследования мартенситных у—>а превращений в пластических зонах при ударном разрушении аустенитной стали AISI 321 было установлено, что большее количество а-мартенсита образуется на поверхности изломов стали в исходном состоянии, чем после РКУП (табл. 8). Можно предположить, что РКУП стабилизирует аустенитную структуру. Выявлено также, что в пределах сильнодеформированной микрозоны hyh количество а-мартенсита от поверх-

Рисунок 4 - Зависимость количества а-,мартенсита от толщины стравленного слоя металла (h) с поверхности низкотемпературного излома стали AISI 321 после РКУП

ности излома вглубь образца практически не изменяется (рис. 4), несмотря на монотонное о.оо о.о4 о.оз о!5 1.о <5 2.о уменьшение по глубине степени искаженности

h. 10 м „

кристаллическои структуры материала в данной зоне, оцененной по ширине рентгеновской дифракционной линии. При переходе в слабодеформированную макрозону hy количество а-мартенсита резко уменьшается. Такое распределение а-мартенсита свидетельствует о сильном локальном разогреве стали у вершины распространяющейся трещины.

Испытания образцов из сплава Д16 на ударную вязкость (KCV) показали (табл. 10), что самую высокую ударную вязкость сплав Д16 имеет после РКУП, чуть ниже после закалки + старения и самую низкую — в случае отжига (табл. 10). Все ударные изломы сплава Д16 однородные, волокнистые, однако в микрорельефе ямочного разрушения сплава после РКУП отсутствуют крупные хрупкие фрагменты. Результаты оценки искаженности кристаллической структуры (уширения рентгеновской линии) (табл. 10) хорошо коррелируют с данными ударной вязкости и фрактографического анализа.

Таблица 10 - Твердость, ударная вязкость (KCV) и физическое уширение (ДР) рентгеновской дифракционной линии (311)Каь полученной с поверхности изломов сплава Д16 после различных видов обработки

Состояние сплава Отжиг Закалка + старение После РКУП

Твердость (НВ) 60 121 78

KCV, МДж/м" 0,23 0,31 0,39

АР, рад. 6,8310"J 8,423'10"J 9,36 Ю'^

Сравнивая результаты исследования статических изломов образцов из сплава АМ60 в исходном состоянии (размер зерна 1 мм) и после РКУП (размер зерна 1 мкм), можно заключить, что существуют различия не только в прочности (увеличивается предел прочности сплава примерно в 2 раза), но и в макро- и микростроении изломов. Так разрушение образцов из сплава АМ60 при статических испытаниях на растяжение в исходном состоянии происходит путем образования вязких гребней, представляющих собой локальные утяжки, а после РКУП - вязко, с образованием ямочного микрорельефа.

Твердость и ударная вязкость титанового сплава ВТ6 в значительной степени зависит от его состояния (табл. 11). Структура исходной заготовки состояла из (а+Р) фаз. Объемная доля первичной Р-фазы была примерно 13 %. Интенсивная пластическая деформация заготовки привела к измельчению структуры сплава. Средний размер зерен а-фазы составил примерно 300 нм. При этом было установлено, что Р-фаза локализуется в обособленных объемах на стыках зерен а-фазы, а ее объемная доля уменьшилась от 13 до 6 %. После изотермической штамповки а-фаза имела форму тонких пластин толщиной от 1,2 до 0,8 мкм, а р-фаза - межфазных прослоек. Объемная доля Р-фазы после данной обработки увеличилась от 6 до 10 % по сравнению с исходным состоянием.

Таблица 11 - Механические свойства и микрорельеф изломов сплава ВТ6

Состояние Исходное состояние РКУП + экструзия РКУП + экструзия + ИЗШ

HRC 33 42 35

а,, МПа 950 1450 1270

сг0 2, МПа 830 1380 1150

5,% 15 12 13

KCV, МДж/м"1 0,39 0,15 0,32

Разрушение сплава ВТ6 во всех случаях вязкое, с образованием ямочного микрорельефа. После РКУП + экструзии ямки более мелкие и неоднородные по сравнению с исходным состоянием, что свидетельствует о неоднородности структуры сплава после данного вида обработки. После РКУП + экструзии + ИЗШ ямки неглубокие, с гладкой поверхностью.

Четвертый раздел посвящен изучению кинетики, макро- и микростроения изломов при усталостном разрушении титана Grade 2, Grade 4, титанового сплава системы Ti-6A1-4V и магниевого сплава АМ60 в исходном состоянии и после РКУП.

Проведенные исследования показали, что РКУП повышает предел усталости титана в 1,7 раза, а титанового сплава - в 1,2 раза. Макро- и микрофракто-графический анализ показал, что строение всех изломов, кроме изломов образцов из титана в исходном состоянии (с размером зерна 240 мкм), практически не отличаются друг от друга. Вблизи очага разрушения микрорельеф практически бесструктурный от взаимодействия поверхностей изломов в процессе нагруже-ния. С увеличением длины усталостной трещины увеличивается шероховатость излома, микрорельеф становится ямочный, просматриваются вязкие усталостные бороздки. Зона долома вязкая, с ямочным микрорельефом.

Чтобы понять, за счет чего происходит повышение предела усталости титановых материалов, исследовали кинетику развития усталостных трещин в титане Grade 4. Исследования показали, что РКУП-конформ приводит к увеличению долговечности титана Grade 4 на стадии зарождения трещины, что, вероятно, связано с более высокой прочностью материала после такой обработки.

Кинетическая диаграмма усталостного разрушения исследуемого титана после РКУП-конформ расположена ниже диаграммы разрушения титана в исходном состоянии (рис. 5). Из этого следует, что при одном и том же значении АК скорость распространения усталостной трещины в титане после РКУП-конформ ниже, чем в исходном состоянии. Анализ кинетических диаграмм усталостного разрушения

Рисунок 5 — Кинетические диаграммы усталостного разрушения титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ (верхний график - исходное состояние, нижний - после РКУП-конформ).

в исходном состоянии:

dN

и после РКУП-конформ:

6 8 10 12 14 16 18 20 _ 2 . 10"15ДАГ6,34

дЦМПам1") dN

показал, что коэффициент п в уравнении Пэриса для титана после РКУП-конформ практически в 2 раза больше, чем в исходном состоянии. Это свидетельствует о повышенной чувствительности материала к увеличению АК, например, при кратковременных перегрузках в процессе эксплуатации.

Усталостное разрушение титана Grade-4 в исходном состоянии произошло в результате расслоения по кристаллографическим плоскостям, а после РКУП-конформ — микрорельеф напоминает квазискол с язычками отрыва.

Усталостные испытания образцов из магниевого сплава АМ60 показали, что РКУП, формируя ультрамелкозернистую структуру, повышает предел усталости магниевого сплава АМ60 от 80 до 125 МПа. При усталостном разрушении сплава в исходном состоянии доминируют циклический скол с участками вязкого микрорельефа, характерного для древовидного излома. После РКУП микрорельеф изломов состоит из квазибороздок и вязких гребней.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены закономерности влияния РКУП и последующей обработки на прочность, ударную вязкость, кинетику усталостного разрушения, макро- и микростроение изломов металлических материалов в субмикрокристаллическом состоянии с различным типом кристаллической решеткой. В частности показано, что РКУП в 1,5-2,5 раза повышает твердость и прочностные характеристики материалов по сравнению с исходным состоянием, однако сни-

жает пластические свойства. При этом трещиностойкость стали 10 в субмикрокристаллическом состоянии (материал с ОЦК решеткой) в условиях плоской деформации (К1с) и аустенитной стали AISI 321 (материал с ГЦК решеткой) в условиях плоского напряженного состояния (Кс) не уменьшается по сравнению с исходным состоянием.

2. РКУП при 200 °С, практически не изменяет порог хладноломкости стали 10, однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода. Повышение температуры РКУП до 400 °С смещает интервал вязко-хрупкого перехода в область низких температур.

3. Доминирующим микрорельефом низкотемпературных ударных изломов образцов из стали 10 (материал с ОЦК решеткой) после РКУП, 200 °С является квазискол, а после РКУП , 400 °С - скол. В интервале вязко-хрупкого перехода сталь 10 после РКУП, 400 °С, разрушается с образованием скола и ямочного микрорельефа, а после РКУП, 200 °С - с образованием вязких гребней, ступенек и малорельефных вытянутых участков. В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 после различных режимов РКУП разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа.

4. Показана принципиальная возможность повышения ударной вязкости стали 10 с субмикрокристаллической структурой без существенного снижения твердости и прочности за счет формирования более равновесной структуры путем совершенствования технологических операций получения и последующей термической обработки. Разработан режим термической обработки стали 10 после РКУП, позволяющий увеличить ударную вязкость стали более чем в 6 раз при незначительном уменьшении твердости и прочности.

5. Установлено, что ударное разрушение стали AISI 321 (материал с ГЦК решеткой) после РКУП в субмикрокристаллическом состоянии при температурах -196 и +20 °С происходит вязко в условиях плоского напряженного состояния с образованием ямочного микрорельефа. Показано, что РКУП стабилизирует аустенитную структуру в пластических зонах стали AISI 321 по отношению к у—»а превращениям.

6. Показано, что РКУП приводит к повышению предела усталости титана Grade 4 за счет увеличения времени до зарождения усталостной трещины и более низкой скорости ее распространения. Однако коэффициент п в уравнении Пэриса для титана после РКУП-конформ практически в 2 раза больше, чем для титана в исходном состоянии, и составляет соответственно 6,34 и 3,46.

7. Исследованы закономерности макро- и микростроение усталостных изломов титана (Grade 2, Grade 4), титанового (TÍ-6A1-4V) и магниевого (АМ60) сплавов с субмикрокристаллической структурой.

8. Полученные в результате выполнения результаты внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный университет» при подготовке магистров по направлению магистратуры 150600.68 — Материаловедение и технология новых материалов. Разработанный способ идентификации сигналов акустической эмиссии, позволяющий определять время до зарождения усталостной трещины по профилю сигнала, принят к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» для проведения усталостных испытаний.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях: - в изданиях из Перечня ВАК РФ:

1. Фесенюк, М. В. Усталостное разрушение образцов из титана и титанового сплава в микрокристаллическом и субмикрокристаллическом состояниях / Клевцова H.A., Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Семенова И.П., Фесенюк М.В. // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010.- № 1.- С. 134-138.

2. Фесенюк, М. В. Статическое и усталостное разрушение образцов из магниевого сплава АМ60 с различным размером зерна / Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова H.A., Кулясова О.Б., Фесенюк М.В. // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010. - № 2. - С. 144-149.

3. Фесенюк, М. В. К вопросу об оценке времени до зарождения усталостной трещины методом акустической эмиссии / Фесенюк М.В., Клевцова H.A., Клевцов Г.В., Кашапов М.Р. // Деформация и разрушение материалов, 2010. -№ 10. - С. 46-48.

4. Фесенюк, М. В. Механизм разрушения и мартенситные превращения в пластических зонах аустенитной стали AISI 321 после равноканапьного углового прессования / Валиев Р.З., Клевцова H.A., Клевцов Г.В., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р., Абрамова М.М. // Деформация и разрушение материалов, 2010.-№ 10.-С. 14-18.

5. Фесенюк, М. В. Механизм ударного разрушения стали 10 с субмикрокристаллической структурой в интервале вязко-хрупкого перехода / Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Рааб Г.И., Клевцова H.A., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р. // Деформация и разрушение материалов, 2011.- № 8,- С. 9-13.

6. Фесенюк, М. В. Кинетика усталостного разрушения титана в субмикрокристаллическом состоянии / Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Ботвина JI.P., Клевцова H.A., Семенова И.П., Кашапов М.Р., Фесенюк М.В., Солдатенков А.П. // Вестник Оренбургского государственного университета, 2012.- № 9 (145) / сентябрь,- С. 123-125.

7. Фесенюк, М. В. Влияние режимов равноканального углового прессования и последующего нагрева на прочность и механизм разрушения стали 10 / Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Клевцова H.A., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р., Рааб А.Г., Караваева М.В., Танеев A.B. // Деформация и разрушение материалов, 2013.- № 1,-С. 21-25.

- в других изданиях:

8. Фесенюк, М.В. К вопросу об оценке времени зарождения усталостной трещины методом акустической эмиссии / Фесенюк М.В., Клевцова H.A., Клевцов Г.В., Кашапов М.Р.: Физическое материаловедение: IV Международная школа: сборник трудов, 14-18 сентября 2009 г., Тольятти / под ред. A.A. Ви-карчука, Д.Л. Мерсона. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 27-28 с.

9. Фесенюк, М.В. Механизм ударного разрушения наноструктурированной стали 10 при комнатной и низких температурах / Валиев Р.З., Клевцова H.A., Семенов В.И., Клевцов Г.В., Мурашкин М.Ю., Фесенюк М.В., Задорожный

В.Ю: сб. материалов Третьей междунар. конф., 12-15 октября 2009 г., Москва /' под общ. ред. О. А. Банных. - М: Интерконтакт Наука, 2009. - Т. 1.- С. 180-181.

10. Фесенюк, М.В. Влияние типа кристаллической решетки на прочность и механизм ударного разрушения наноструктурированных материалов в широком интервале температур / Клевцов Г.В., Вапиев Р.З., Клевцова H.A., Семенова И.П., Исламгалиев Р.К., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р: VI Еврозий-ская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (ПРОСТ 2012) (17-19 апреля 2012 г.). Сб. трудов конференции. М.: НИТУ «МИСиС», 2012,- С. 106.

11. Фесенюк, М.В. Механизмы ударного разрушения алюминиевого сплава Д16 после различных видов термической обработки и равноканального углового прессования / Клевцов Г.В., Вапиев Р.З., Клевцова H.A., Исламгалиев Р.К., Мурашкин М.Ю., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р., Ситдиков В.Д.: Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов: сб. докладов Междунар. научной конф. Орск, ОГТИ (24-25 ноября 2011 г.) в 2 т. Т. 2. - М.: Машиностроение, 2012,- С. 499-503.

12. Фесенюк, М.В. Прочность и механизм ударного разрушения стали 10 в интервале вязко-хрупкого перехода в исходном и субмикрокристаллическом состояниях / Клевцова H.A., Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Рааб Г.И., Караваева М.В., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р., Рачинских A.B.: Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов: сб. докладов Междунар. научной конф. Орск, ОГТИ (24-25 ноября 2011 г.) в 2 т. Т. 2. -М.: Машиностроение, 2012.- С. 504-510.