Введение к работе
Актуальность. В современных условиях требования к свойствам конструкционных материалов становятся все более жесткими. Особенно это касается материалов аэрокосмической техники, энергетики и других отраслей, отличающихся крайне неблагоприятными, экстремальными условиями эксплуатации ответственных деталей, элементов конструкций и агрегатов. Вместе с тем резервы повышения эксплуатационных характеристик материалов традиционными способами практически исчерпаны.
В связи со встающими перед сообществами ученых и производственников проблемами создания материалов с высоким комплексом физико-механических свойств вполне закономерен всё возрастающий интерес к композиционным материалам и металлам с градиентной структурой и, более глобально, - к научному направлению - исследованию градиентных структурно-фазовых состояний в твердых телах, позволяющих приобрести им новые ранее недоступные свойства. Они формируются в объеме материала в условиях различного типа дифференцированных обработок, когда механическое воздействие и (или) тепловое поле не распределяются равномерно по объему заготовки, а локализуются в ее отдельных слоях.
Действительно, в большинстве случаев градиентные структуры имеют искусственное происхождение, являясь откликом материала на тот или иной способ внешнего воздействия. Сегодня разработаны наиболее действенные методы, восстанавливающие свойства металлов и сплавов, подвергшихся различного вида внешним воздействиям, позволяющие повышать, оптимизировать важные для потребителя, общества в целом, их физико- механические свойства. Они, безусловно, имеют комплексный характер и проявляются как в структурных, так и в фазовых изменениях материала. Однако, физическая природа процессов, протекающих при формировании и последующей эволюции градиентных структурно-фазовых состояний, мало изучена, а соответствующее научное направление находится на стадии интенсивного накопления и осмысления фактического (экспериментального) и теоретического материала.
Сказанное определяет актуальность выполненного исследования.
Цель работы: установление закономерностей и механизмов формирования градиентных структурно-фазовых состояний на различных структурных и масштабных уровнях в сплавах на основе железа, подвергнутых различным видам энергетических воздействий.
Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:
1. Установление закономерностей формирования градиентных структурно- фазовых состояний в сплавах на основе железа:
в условиях обработки сильноточными электронными пучками;
при формировании швов сварных соединений;
при деформации прокаткой;
при ударном нагружении;
при цементации;
в условиях мало - и многоцикловой усталости;
при скоростной закалке из жидкого состояния (метод спинингования).
-
Выявление параметров, характеризующих градиентный характер материала на различных структурных (образец в целом; ансамбль зерен; отдельное зерно; внутризеренная структура) и масштабных (от единиц сантиметров до десятых долей нанометров) уровнях, осуществленное путем количественного анализа структурно-фазового состояния сталей.
-
Выявление закономерностей формирования структурно-фазового градиента в сталях различных структурных классов.
-
Выяснение механизмов формирования градиентных структурно- фазовых состояний в сплавах на основе железа на различных масштабных (макро-, мезо-, микро-, нано-) уровнях.
Научная новизна работы. Впервые методами современного физического материаловедения:
-
-
-
Получены количественные и качественные закономерности, демонстрирующие градиентные структурно-фазовые состояния в углеродистой стали У7А, обработанной электронными пучками микросекундной длительности, и изучены закономерности формирования мартенсита в условиях твердофазного и жидкофазного превращений.
-
На основе данных качественного и количественного анализа изучен градиентный характер дефектной субструктуры и фазового состава толстых сварных швов, установлены механизмы их формирования и причины возникновения трещиноопасных участков в них.
-
Установлен градиентный и изучен стадийный характер формирования структуры, фазового состава, дальнодействующих полей напряжений, возникающих при ударных нагрузках и деформации прокаткой в квазиэвтектоидных перлитных сталях.
-
Выявлен усталостно-индуцированный градиент структурно-фазовых состояний, формирующихся при мало- и многоцикловой усталости по непрерывной схеме и с промежуточным импульсным токовым воздействием в сталях аустенитного и мартенситного классов.
-
На макро-, мезо-, микро- и наноструктурных уровнях иерархии систематизированы факторы, определяющие усталостную долговечность сталей, и установлены механизмы, ответственные за повышение работоспособности сталей при действии импульсным электрическим током.
-
На основе выявленных корреляций между качественными картинами и количественными данными обнаружен градиентный характер эволюции структурно-фазовых состояний, возникающих в стали 9ХФ при цементации в зонах реакционной и объемной диффузии.
-
Идентифицирован макро- и микроградиентный характер микрокристаллических структур сплавов Fe - (29-32)% Ni, полученных закалкой из расплава. Обнаружено, что расслоение по Ni приводит к различной степени протекания мартенситного превращения.
-
Установлены общие закономерности и механизмы формирования градиентных структурно-фазовых состояний в сталях различных структурных классов, подвергнутых различным видам энергетических воздействий.
Научная и практическая значимость результатов работы заключается в том, что на основе установленных закономерностей формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний в сталях и сплавах на различных масштабных уровнях:
-
-
-
-
Создан банк данных по эволюции фазового состава и дефектной субструктуры стали У7А, позволивший в условиях импульсной электронно- пучковой обработки выявить физический механизм формирования градиента структуры и фазового состава при переходе от зоны воздействия пучка к зоне термического влияния в зависимости от градиента температур, а также концентраторы напряжений при таком энергетическом воздействии.
-
Спрогнозировано поведение толстых сварных швов кожухов доменной печи в ходе эксплуатации в течение 3-х и 16-ти лет в зависимости от целенаправленного выбора метода, режима сварки и способа исполнения шва.
Сопоставлены морфология формирующихся структур и качественные показатели сварного шва в зависимости от способа сварки и отдано предпочтение электродуговому ручному способу с вертикальным исполнением шва перед электрошлаковым автоматическим с горизонтальным исполнением шва.
-
-
-
-
Классифицированы источники дальнодействующих полей напряжений и установлен уровень локальных внутренних напряжений зарождения микротрещин при прокатке и ударных нагрузках в сталях 9ХФ и 9Х2ФМ, составляющий (1,3-1,8) ов, а также сопоставлены ему максимально допустимые деформации: smax=0,7 - при прокатке и smax=5,7 при ударном нагружении.
-
Предложены оптимальные режимы химико-термической обработки стали 9ХФ, способствующие достижению коррозионных и прочностных свойств поверхностных слоев с повышенными эксплуатационными и технологическими характеристиками материала.
-
Диагностированы места зарождения и развития микротрещин, экстремальные точки в поведении материала и установлен пластифицирующий эффект электростимулирования, обеспечивающий существенное (~ в 1,5-1,7 раза) увеличение усталостной долговечности сталей 08Х18Н10Т (аустенитная структура) и 60ГС2 (мартенситная структура), при экспериментальном выборе параметров воздействия импульсным электрическим током на промежуточной точно контролируемой стадии усталостного нагружения.
6. На основе выявленного микро - и макроградиентного характера микрокристаллической структуры быстрозакаленного сплава Fe - (29-32)% Ni установлена взаимосвязь механических характеристик с механизмами быстрой кристаллизации и атермического мартенситного превращения.
Достоверность полученных результатов, обоснованность и правомерность представляемых выводов обеспечиваются комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием наиболее важных, часто используемых материалов, современных методов и методик физического материаловедения, широким применением классических статистических методов обработки и представления результатов экспериментов в их взаимосвязи с известными закономерностями, фактами и результатами других авторов, а также специальными методами контроля за параметрами физического эксперимента.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели, постановке задач исследования, логическом построении положений, выносимых на защиту; в проведении усталостных испытаний на образцах из сталей различных структурных классов, обработке и интерпретации результатов оптических, электронно-микроскопических и рентгенографических исследований; в выявлении и комплексном представлении закономерностей, механизмов формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний в сплавах на основе железа.
Настоящая работа проводилась в соответствии с Грантом Президента РФ по поддержке молодых российских ученых-кандидатов наук и их научных руководителей (шифр МК-3830.2004.8); с программой фундаментальных исследований «Повышение надежности систем: «машина-человек-среда» АН СССР на 1989-2000 г.г.; Федеральной программой «Интеграция» на 1997-2002 г.г. (направление 1.4. проект П0043 «Фундаментальные проблемы материаловедения и современные технологии»); Федеральной целевой программой «Интеграция» на 2002-2006 г.г.); Грантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии 1998-2001 г.г. и 1996-2004 г.г.; Грантом Российского фонда фундаментальных исследований на 2005-2007; региональной научно-технической программой «Кузбасс» (1997- 2000г.г.); ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.» (госконтракт П332); темами ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
-
Совокупность параметров, характеризующих градиентное структурно- фазовое состояние стали. Данные о типах структурно-фазовых градиентов, формирующихся в объеме и в поверхностных слоях сплавов на основе железа.
-
Совокупность экспериментальных результатов, полученных при исследовании фазовых и структурных градиентов, формирующихся в сплавах на основе железа на макро-, мезо- и микромасштабных уровнях. Закономерности, выявленные при анализе реализации градиентных структурно- фазовых состояний в сталях различных структурных классов при различных видах энергетических воздействий.
-
Механизмы формирования градиентных структурно-фазовых состояний, реализующиеся в сталях, подвергнутых различным видам внешнего воздействия.
-
Структурно-масштабные уровни проявления градиента, реализующиеся в сталях, подвергнутых различным видам внешнего воздействия.
-
Классификация градиентных структурно - фазовых состояний.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований
докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, симпозиумах, конференциях: научно - практической конференции «Новые индустриальные технологии и материалы», г. Новокузнецк, 2000 г.; научно - практической конференции «Новые конструкционные материалы», г. Москва, 2000 г.; Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», г. Томск, 2000 г., 2001 г.; Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», г. Киев (Украина), 2001 г., г. Санкт - Петербург, 2001 г., г. Москва, 2004 г., г. Вологда, 2005 г., г. Витебск (Беларусь), 2000 г., 2007 г., 2010 г.; Всероссийской научно - практической конференции «Металлургия на пороге XXI века, достижения и прогнозы», г. Новокузнецк, 2000 г.; «Euro met 2000: European metallographic conference and exhibition», Germany, 2000 г.; «Junior euromat 2000: europian conference», Switzerland, 2000 г.; IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г. Клязьма, 2000 г.; Международном семинаре им В. А. Лихачева «Современные проблемы прочности», г.Великий Новгород, 2000 г., 2003 г.; Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков», г. Томск, 2000 г.; Международной научной конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков», г. Пенза, 2000 г.; VII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых», г. Екатеринбург, 2001 г.; X International metallurgical and materials conference «Metal-2001», Чехия, 2001 г.; New materials and technologies in XXI-nd centure: proceethings of the sixth Sino-Russian international symposium on new materials and technologies, Китай, 2001 г.; «Progress in metallography: special edition of the practical metallography»,
Германия, 2001 г.; Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», г. Обнинск, 2001 г., 2005 г.; X Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах», г. Тула, 2001 г.; VII Международной конференции «Computer- aided of advanced materials and technologies», г.Томск, 2001 г.; Бернштейновских чтениях «Термомеханическая обработка металлических материалов», г.Москва, 2001 г.; Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», г. Томск, 2001 г., 2006 г.; IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 2001 г.; X Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках», г.Пермь,
-
-
-
-
-
-
г. ; Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении-2001», г. Пенза, 2001 г. 2002 г.; Международном семинаре «Мезоструктура. Вопросы материаловедения», г. Санкт - Петербург, 2001 г.; IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург, 2002 г.; I Евразийской научно- практической конференции «Прочность неоднородных структур», г. Москва,
-
г.; Петербургских чтениях по проблемам прочности, г. Санкт - Петербург, 2002 г., 2003 г., г. Томск, г. Санкт - Петербург, 2005 г.; г. Санкт - Петербург, 2010 г.; республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов, г. Гродно, 2002 г., 2005 г.; Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В.Курдюмова «Дефекты структуры и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2002 г., 2010 г.; I Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионального холодного климата, г. Северо-Якутск, 2002 г.; The 2-d Russia- Chineese school-seminar fundamental problems and modern technologies of material science (FP.MTMS), г. Барнаул, 2002 г.; Всероссийском научном семинаре и выставке инновационных проектов «Действие электрических полей (электрического тока) и магнитных полей на объекты и материалы», г. Москва, 2002 г.; Международной конференции «Science for materials in the frontier of centuries», г. Киев, 2002 г.; III Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», г.Тамбов, 2003г.; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», г.Тольятти, 2003 г.; V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», г. Алушта, 2003г.; Международной конференции «Действие электромагнитных полей и тока на материалы», г.Москва, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004 (к 85-летию научной школы МИСиС по обработке металлов давлением)», г. Москва, 2004 г.; 2 - nd International conference and exhibition on new developments in metallurgical process technology, Riva del Garda, Италия, 2004 г.; Metal - 2004: 13 - th International metallurgical and materials conference, Чехия, 2004г.; Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах», г.Кемерово, 2004 г.; 7 - th International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows, г. Томск, 2004 г.; Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур. Прост - 2004», г. Москва, 2004 г.; «Euromat 2005. The biennial meeting of the Federation of European materials societies (FEMS)», г. Прага, Чехия, 2005 г.; научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов (ФСМиС - III), г. Екатеринбург, 2005 г., 2007 г.; IV Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2006 г.; XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Тольятти, 2006г.; Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», г.Самара, 2006 г., 2009 г.; III Международной школе «Физическое материаловедение», г.г. Самара - Тольятти - Ульяновск - Казань, 2007 г.; IX Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии», г. Астрахань, 2007 г.; XI международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов «ДСМСМС-2008», г. Екатеринбург, 2008 г.; Всероссийской научно- технической конференции к 125-летию со дня рождения И.П.Бардина «Научное наследие И.П.Бардина», г. Новокузнецк, 2009 г.; IV Российской научно- технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 монографий, включая главы монографий, 61 научная статья, из них 34 в рецензируемых изданиях перечня ВАК Минобрнауки РФ, а также другие статьи и труды конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 12 глав, основных результатов и выводов, изложена на 453 страницах, иллюстрирована 263 рисунками, содержит 16 таблиц и библиографический список из 295 наименований.
Похожие диссертации на Закономерности формирования градиентных структурно-фазовых состояний в сталях при энергетических воздействиях
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
