Введение к работе
Актуальность. Высокий уровень физико-механических свойств конструкционных сталей, широко применяемых в промышленности, обусловлен формирующейся в них мартенситной структурой. Материаловедение стали интенсивно начало развиваться в XIX веке. Усилиями школ академика Г.В. Курдюмова и академика В.Д. Садовского в первой половине XX века было положено начало развитию физического материаловедения стали. Большую роль в этом сыграло широкое применение стремительно развивающихся методов рентгеноструктурного анализа и методов сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии. В работах целого ряда исследователей и руководимых ими коллективов: российских - В.Г. Курдюмова, В.Д. Садовского, Л.М. Утевского, В.М. Счастливцева, М.Е. Блантера, М.А. Штремеля, В.В. Рыбина, В.И. Изотова, Л.И. Тушинского, М.Н. Спасского, А.А. Батаева и др.; ученых ближнего зарубежья - В.Н. Гриднева, М.В. Белоуса, Ю.Я. Мешкова, В.Г Гаврилюка; ученых дальнего зарубежья - G. Thomas, G. Krauss, A.R. Marder, S.A. Apple, K. Wakasa, CM. Wayman и др. проведено детальное изучение кристаллогеометрии, морфологии и дефектности структуры пакетного мартенсита и пластинчатого низкотемпературного мартенсита в закаленном и отпущенном состояниях. Выявлены факторы, приводящие к образованию в стали того или иного типа мартенсита, рассмотрены вопросы о влиянии термической обработки на параметры структуры мартенситной фазы.
Одним из наиболее эффективных направлений улучшения служебных
характеристик конструкционных сталей является разработка оптимальных
режимов термической обработки. Это дает возможность получать изделия с
определенными заданными характеристиками, отвечающими
эксплуатационным требованиям, а с другой стороны, прогнозировать изменение свойств деталей и конструкций при изготовлении и эксплуатации. Известно, что механические свойства стали определяются состоянием ее структуры. Общепризнанно, что основными факторами, определяющими механические свойства материала, являются структура твердого раствора, наноразмерные частицы вторых фаз (карбиды, нитриды, карбонитриды и т.д.), дислокационная структура, типы и расположение различного рода границ, внутренние поля напряжений. Необходимость тщательного и всестороннего анализа структурно-фазовых состояний, формирующихся при закалке стали, и их эволюции при последующем деформационном упрочнении обусловлена научным и прикладным характером решаемых задач. Несмотря на значительное количество работ, посвященных
исследованию деформационного упрочнения стали, к моменту постановки настоящих исследований основной объем исследований был выполнен на сталях, находящихся в отпущенном состоянии. Закономерности и механизмы изменения фазового состава и состояния дефектной субструктуры закаленной стали анализировались, в основном, на качественном уровне. В связи с этим актуальным является выявление количественных закономерностей эволюции фазового состава и структуры, выявление механизмов деформационного упрочнения закаленной стали.
Целью работы являлось установление закономерностей эволюции фазового состава и дефектной субструктуры, выявление механизмов деформационного упрочнения закаленной стали 38ХНЗМФА, деформированной одноосным сжатием при комнатной температуре.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Аттестация структуры и фазового состава стали 38ХНЗМФА, закаленной от температуры аустенизации 950 С (состояние стали перед деформацией);
Исследование эволюции структуры и фазового состава закаленной стали в процессе деформирования одноосным сжатием;
Выявление количественных закономерностей, характеризующих структуру и фазовый состав закаленной стали на различных этапах ее деформирования;
Выявление и анализ механизмов деформационного упрочнения закаленной стали, реализующихся в условиях одноосного сжатия.
Научная новизна. Впервые методами электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа экспериментально исследованы на количественном уровне дислокационная субструктура и фазовый состав закаленной конструкционной стали 38ХНЗМФА, подвергнутой пластической деформации вплоть до разрушения. Определены качественные и количественные параметры структуры, среди которых основное внимание уделено скалярной плотности дислокаций, внутренним полям напряжений, их источникам, кривизне-кручению кристаллической решетки. Впервые проведены оценки механизмов деформационного упрочнения закаленной стали и выполнен анализ физических основ повышения прочности конструкционной стали 38ХНЗМФА при деформировании.
Научная и практическая значимость работы. Закономерности эволюции фазового состава и состояния дефектной субструктуры, выявленные в настоящей работе, могут быть использованы, с одной стороны, для анализа деформационного поведения конструкционных сталей,
находящихся в закаленном состоянии, и, с другой стороны, для целенаправленного изменения режима термической обработки, позволяющего управлять состоянием структуры и, следовательно, механическими характеристиками стали. Методы, примененные для исследования структуры и свойств закаленной стали 38ХНЗМФА, параметры структуры, выявленные в настоящей работе, оказывающие определяющее влияние на деформационное упрочнение стали, могут быть учтены при исследованиях других сталей.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследования, применяемых в современном физическом металловедении, большим объемом экспериментальных данных, их сопоставлением между собой, детальным исследованием процессов, имеющих место в стали на различных этапах ее деформирования, четким определением взаимосвязей между различными структурными параметрами стали, необходимым и достаточным объемом экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, справками об использовании результатов работы.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Параметры фазового состава и дефектной субструктуры, характеризующие
конструкционную сталь в закаленном состоянии.
2. Количественные закономерности, выявленные при анализе эволюции
дефектной субструктуры закаленной стали при пластической деформации
одноосным сжатием.
3. Объем экспериментальных данных, характеризующих изменение фазового
состава и перераспределение углерода при пластической деформации
закаленной стали.
4. Механизмы деформационного упрочнения закаленной стали,
реализующиеся в условиях одноосного сжатия.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач
исследования, анализе литературных данных, выполнении
металлографических, электронно-микроскопических и других исследований и механических испытаний стали 38ХНЗМФА, статистической обработке и анализе полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции "Научное наследие И.П. Бардина", Новокузнецк, 2008; YII международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-
Петербург, 2009; XYII Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Самара, 2009; Международной конференции «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (МНТ-Х), Обнинск, 2009; XLYIII Международной конференции, посвященной памяти М.А. Криштала, Тольятти, 2009; IY международной школы "Физическое материаловедение", Тольятти, 2009; Бернштейновских чтений по термомеханической обработке металлических материалов. Москва, 2009; Первых московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященные 85-летию В.Л. Инденбома, Москва, 2009 г.; Y Российской научно-практической конференции "Физические свойства металлов и сплавов", Екатеринбург, 2009; XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы фазовых и структурных превращений в сталях и сплавах», Пермь, 2010; V международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (MPFP - 2010), Тамбов, 2010; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давиденкова, Санкт-Петербург. 2010; V-я Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур 2010», Москва, 2010; XVIII Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2010; XI международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 2010; 50 Международном симпозиуме "Актуальные проблемы прочности", Витебск, 2010; 6 международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", посвященная памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2010; LI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; XIX республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния». Гродно, 2011; 4 международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2011.
Публикации. Результаты работы представлены в 37 публикациях, в том числе 1 монографии, в 2-х статьях в зарубежных журналах, 10 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том
числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 216 наименований. Диссертация содержит 157 страниц, в том числе 60 рисунков и 6 таблиц.
