Введение к работе
Актуальность темы исследования
Оптическая и электронная металлография занимают весомое место в структурном анализе материала, благодаря визуальной оценке структурных изменений при различных энергетических, химических и иных воздействиях, возникающих в процессах обработки и эксплуатации материала, а также возможности получения количественных показателей отдельных структурных составляющих, используемых для прогнозирования, оптимизации и математического описания взаимосвязи «состава-структуры-свойств» материала.
Традиционные количественные показатели, определяемые по изображениям микроструктур, базируются, главным образом, на описании зеренного строения материала. К ним относят, в частности, количество зерен на единичной площади шлифа, балл зернистости, средний размер зерна и субзерна. Используя эти показатели, были получены важные для материаловедения математические соотношения между зеренной организацией и механической прочностью, пластичностью, деформационной упрочняемостью и сопротивляемостью материала различным видам разрушения, а также уравнения миграции границ зерен и кинетики роста новых фаз.
Развитие компьютерных программ обработки изображений расширило и усилило возможности количественной оценки состояния микроструктур. Приложение теории фракталов и синергетики к материаловедению позволило количественно оценивать степень неоднородности и упорядоченности структуры, развитость границ раздела, а также количественно описать кинетику структурной самоорганизации, развивающуюся в неравновесных условиях. Благодаря этому появилось новое направление - фрактальное материаловедение, позволяющее создавать материалы нового поколения с уникальными неравновесными структурами и физико-механическими свойствами.
Изображения микроструктур несет намного большую информативность, чем ту, которая поддается строгому количественному описанию. Этим можно объяснить, что при анализе изображений микроструктур преобладает качественный подход, в котором неизбежно присутствует субъективность, зависящая от квалификации специалиста.
Разработка новых количественных показателей структурной организации материала позволит разработать математический аппарат для более глубокого физического понимания структурных превращений при деформационном и термическом воздействии, структурной приспосабливаемости и структурную деградацию материала при эксплуатации в различных условиях и различных активных средах. Расширение арсенала количественных структурных показателей усиливает методологическую основу для развития компьютерной металлографии, активно внедряемой в научных исследованиях и производстве.
Цель работы: исследование взаимосвязи между количественными показателями изображения микроструктуры материала и его физико-механическими свойствами для описания структурных превращений при термической обработке,
оценке износостойкости конструкционных и инструментальных сталей, а также структурной деградации печных змеевиков из нержавеющих сталей. Основные задачи исследования:
-
Анализ количественных соотношений процесса структурных превращений в поликристаллических материалах при различных энергетических воздействиях.
-
Обоснование и разработка новых количественных показателей структурной организации материала, методов расчета и способов повышения точности их определения за счет компьютерной обработки изображений.
-
Установление связи между количественными показателями структурной организации материала и его физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
-
Разработка методов расчета энергии активации кинетических процессов, сопутствующих структурным изменениям при термической обработке конструкционных сталей и разложении мартенсита при отпуске.
-
Исследование структурной деградации трубных сталей (печных змеевиков) при длительном температурно-силовом воздействии в коррозионно-активных средах.
-
Внедрение результатов работы в учебный и производственный процесс.
Научная новизна:
-
Установлена связь между количественными показателями структурного состояния конструкционных сталей и ее физико-механическими свойствами. Показано, коэрцитивная сила, удельное электрическое сопротивление и твердость связаны прямо пропорциональной зависимостью с фрактальной размерностью и плотностью границ зерен.
-
Разработана методика компьютерной обработки изображения микроструктуры, заключающаяся в вычитании темного фона, которая позволяет минимизировать негативное влияние дефектов травления металлографического шлифа на точность вычисления количественных показателей структурного состояния материала.
-
Раскрыт характер изменения средней плотности и фрактальной размерности границ на разных стадиях разложения мартенсита при отпуске конструкционных сталей, на основании которых рассчитаны энергии активации зарождения зародышей новой фазы и их роста.
-
Получен комплекс эмпирических зависимостей между количественными характеристиками структурного состояния инструментальных сталей и их износостойкостью.
5. Установлено, что фрактальная размерность границ раздела наиболее
полно отражает характер изменения структуры при длительной эксплуатации
трубных сталей в условиях высоких температур, растягивающих напряжений и
активных коррозионных сред. Определены количественные показатели структур
ного состояния сталей 08Х18Н10Т и 15Х5М, соответствующие уровню критиче
ской деградации.
На защиту выносятся:
методика обработки цифрового изображения микроструктуры, устраняющая дефекты приготовления металлографического шлифа и травления путем вычитания темного фона;
методика определения энергии активации процессов образования зародышей новой фазы и их роста при разложении мартенсита в процессе отпуска на основе количественных показателей структурной организации материала;
обоснование характера изменения количественных показателей структурного состояния при деградации структуры печных змеевиков из нержавеющих сталей, подверженных длительному воздействию высоких температур, внутренних давлений и коррозионно-активных внешних сред, и критические значения фрактальной размерности, соответствующие стадии предразрушения.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов физики твердого тела, материаловедения, теории пластической деформации, принципов физической мезомеханики, процессов механической и физико-технической обработки, теории вероятности и математической статистики.
Экспериментальные исследования проводились с использованием современного оборудования, в частности, шлифовально-полировального станка EcoMet 250/300, дилатометра Netzsch DIL 402РС, микротвердомера SHIMADZU HMV-2 Series, металлографического микроскопа Микро-200 и растрового электронного микроскопа HITACHI S3400N.
Обработка изображений микроструктур осуществлялась с помощью программы Image.Pro .Plus. 5.1.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты исследований по структурным изменениям печных змеевиков внедрены на ООО «РН-Комсомольском НПЗ» (г. Комсомольск-на-Амуре), на основании которых были определены количественные показатели микроструктуры, соответствующие критической степени структурной деградации.
Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров материаловедческого и машиностроительного профиля.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 14 печатных работах, 2 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа изложена на 124 страницах, включая 49 рисунков, 12 таблиц. Список использованных источников содержит 151 наименование.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые техно-
логии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре 2007); международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре 2009г.); международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре 2010); российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» (Комсомольск-на-Амуре 2011).
Основные положения и результаты работы докладывались также на научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (2007 - 2013 г.)
