Развитие научных основ повышения прочности материалов методами интенсивных воздействий, упрочняющей поверхностной обработки и нанесения покрытия Клевцова, Наталья Артуровна

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Клевцова, Наталья Артуровна. Развитие научных основ повышения прочности материалов методами интенсивных воздействий, упрочняющей поверхностной обработки и нанесения покрытия : диссертация ... доктора технических наук : 05.16.01 / Клевцова Наталья Артуровна; [Место защиты: Оренбург. гос. ун-т].- Оренбург, 2012.- 322 с.: ил. РГБ ОД, 71 14-5/27

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время значительно возросли требования к прочностным характеристикам используемых металлических материалов и методам их упрочнения, в том числе, путем измельчения зерна, термической обработки, нанесения ионно-плазменных покрытий и поверхностной упрочняющей обработки. Оптимизация режимов таких обработок остается актуальной задачей.

Разрушение метастабильных аустенитных сталей и сплавов сопровождается протеканием в пластических зонах у вершины трещины у^-а и у^-є^-а мар-тенситных превращений, неоднозначно влияющих на сопротивление материала распространению трещины. Поэтому исследование фазовых превращений в пластических зонах метастабильных аустенитных сталей и сплавов имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

В последнее время особенно интенсивно разрабатываются технологии получения наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической и ультрамелкозернистой структурой. Для получения данного класса материалов широко используют технологии интенсивной пластической деформации (ИПД), например, путем равноканального углового прессования (РКУП). Материалы, полученные с использованием технологий ИПД, привлекают внимание специалистов благодаря ряду уникальных свойств, многие из которых имеют непосредственное практическое применение. Перспективы широкого использования таких материалов предполагают расширение наших представлений о физической природе прочности и механизмах разрушения на разном масштабном уровне.

Работа выполнялась в рамках аналитических ведомственных целевых программ: «Развитие научного потенциала высшей школы (2003-2005 годы)» (проект №37605), «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 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 № 01-01-96411р2001урал, проект № 06-08-6904р_офи, проект 08-08-99122р_офи, проект № 11-08-00208), гранта Фонда ОАО «ММК», ИТЦ «Аусферр» и ФНиО «Интеле» (проект № 09-03-03),а также госбюджетной НИР ОГУ «Исследование кинетики мартенситных превращений в пластических зонах аустенитных сталей при различных видах нагружения» (№ гос. регистрации 01200011945).

Цель работы -установление закономерностей влияния интенсивной пластической деформации, упрочняющей поверхностной обработки и покрытий на прочность и механизмы разрушения металлических материалов на различном масштабном уровне, направленное на развитие научных основ повышения прочности металлических материалов.

Задачи исследования:

1. Исследовать влияние интенсивной пластической деформации на прочность и механизм разрушения в широком интервале температур материалов с объемно-центрированной (ОЦК) (сталь 10), гранецентрированной (ГЦК) (аусте-

нитные стали AISI 321 и 110Г13, сплавы АК4-1 и Діб) и гексагональной плотно-упакованной (ГПУ) (титан Grade4, сплавы ВТ6 и АМ60) решетками.

Экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости материала с ОЦК решеткой (на примере стали 10) в субмикрокристаллическом состоянии в интервале вязко-хрупкого перехода.
Исследовать связь распределения мартенситных фаз в пластических зонах аустенитных сталей с локальным напряженным состоянием в устье трещины при однократных видах нагружения материалов с микро- и субмикрокристаллической структурой.
Исследовать влияние РКУ прессования и коэффициента асимметрии цикла нагружения R на прочность и механизм разрушения материалов при циклическом нагружении (на примере титана Grade 4 и Grade 2, титанового сплава Ti-6A1-4V, стали 110Г13Л и алюминиевого сплава АК6).
Разработать способ нанесения ионно-плазменного покрытия при температуре фазового перехода стальной подложки с целью повышения усталостной прочности образцов с покрытием.
Исследовать влияние способов литья, поверхностной упрочняющей обработки и коррозии на усталостную прочность и механизм разрушения литейных алюминиевых сплавов.

Объект исследования -металлические материалы с ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками в исходном микроструктурном состоянии без покрытия и с ионно -плазменным покрытием, а также после РКУП с субмикрокристаллической и ультрамелкозернистой структурой.

Предмет исследования - прочностные характеристики и механизмы разрушения материалов при однократном и циклическом видах нагружения, а также фазовые превращения в аустенитных сталях и сплавах.

Методы исследования: металлографический анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические испытания образцов, фрактографический анализ.

Научная новизна работы:

1. Установлено на примере стали 10,титана Grade 4, титанового ВТ6 и
алюминиевого АК4-1 сплавов, что формирование субмикрокристаллической
структуры и изменение механических свойств таких материалов при ударном
нагружении связано как с типом кристаллической решетки, так и с режимами
РКУП. РКУП сужает интервал вязко-хрупкого перехода в материалах с
ОЦК решеткой и температурный интервал интенсивного изменения ударной
вязкости в материалах с ГПУ решеткой по сравнению с исходным состоянием.
Повышение температуры РКУП смещает интервал вязко-хрупкого перехода в
сторону низких температур. В материалах с ГЦК структурой после РКУП удар
ная вязкость практически не изменяется в широком интервале температур.

2. Установлено на примере стали 10 и AISI 321, что трещиностойкость ма
териалов с ОЦК и ГЦК решетками после РКУП не уменьшается по сравнению
с исходным состоянием.

Показана принципиальная возможность повышения ударной вязкости материалов с субмикрокристаллической структурой без существенного снижения твердости и прочности за счет формирования более равновесной структуры путем совершенствования технологических операций получения и последующей термической обработки.
Экспериментально установлены механизмы разрушения материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками в субмикрокристаллическом и ультрамелкозернистом состояниях при различных видах нагружения и температурах испытания.
Установлена связь мартенситных превращений в пластических зонах с локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины при однократных видах нагружения аустенитных сталей. Экспериментально выявлено наличие на поверхности изломов, полученных в условиях плоской деформации, двух видов мартенсита с различным периодом кристаллической решетки: мартенсита с меньшим периодом решетки, образовавшегося в условиях плоской деформации в момент разрушения образца, и мартенсита с большим периодом решетки, образовавшегося на свободной поверхности излома после прохождения трещины в условиях плоского напряженного состояния.
Разработана обобщенная схема влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения (R=G_mi_n/o_max) на долговечность образцов (N, цикл.) для случая постоянного значения размаха напряжений.

Установлены закономерности влияния способа литья, поверхностной упрочняющей обработки и коррозии на структуру, усталостную прочность и механизм разрушения литейных алюминиевых сплавов.
Установлено, что нанесение ионно-плазменного покрытия на стальные образцы при температуре фазовых превращений подложки увеличивает толщину переходной зоны между покрытием и материалом подложки более, чем в 2 раза, и повышает время до зарождения усталостной трещины.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработан режим термической обработки стали 10 после РКУП, позволяющий, при незначительном уменьшении твердости стали, увеличить ударную вязкость в 6 раз по сравнению с ударной вязкостью после РКУП.
Разработан способ нанесения ионно-плазменных покрытий при температуре фазовых превращений материала подложки, увеличивающий время до зарождения усталостной трещины в образцах с покрытием в 2,5-5,0 раз.
Во ВНИИНМАШ Госстандарта СССР (1988 г.) и Госстандарта России (1994 г.) изданы рекомендации: «Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью изломов» (Р 50-54-52-88) и «Определение характеристик разрушения металлических материалов рентгеновским методом» (Р 50-54-52/2-94).
Результаты исследования прочности и механизмов разрушения материалов с субмикрокристаллической структурой внедрены в учебный процесс ОГУ при подготовке магистрантов по направлению 011200.68 - Физика, магистерская программа «Физика металлов и наноструктур». Разработанный способ идентификации полезных сигналов акустической эмиссии по их профилю принят к

внедрению на ОАО «ПО «Стрела» (г. Оренбург) для проведения усталостных испытаний. Микрохирургический инструмент с ионно-плазменным покрытием прошел испытание и используется в Оренбургском филиале ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им. С.Н. Федорова.

Основные положения и научные результаты, выносимые на защиту:

Механические свойства и механизмы разрушения материалов в ультрамелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях при различных видах нагружения и температурах испытания.
Установленные закономерности сужения после РКУП интервала вязко-хрупкого перехода материала с ОЦК решеткой (на примере стали 10) и температурного интервала интенсивного изменения ударной вязкости материала с ГПУ решеткой (на примере титана Grade 4) по сравнению с исходным состоянием.
Разработанный режим термической обработки стали 10 после РКУП при 200 С, позволяющий, при незначительном уменьшении твердости стали, увеличить ее ударную вязкость более, чем в 6 раз.
Установленную связь распределения мартенситных фаз в пластических зонах с локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины при однократных видах нагружения аустенитных сталей в микро- и субмикрокристаллическом состояниях.
Способ нанесения ионно-плазменного покрытия при температуре фазовых превращений материала подложки, увеличивающий время до зарождения усталостной трещины.
Обобщенная схема влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения на усталостную долговечность образцов.
Влияние различных способов литья, поверхностной упрочняющей обработки и коррозии на усталостную прочность и механизм разрушения литейных алюминиевых сплавов.

Личный вклад соискателя состоит в научной постановке цели работы и задач исследования, получении и интерпретации результатов экспериментов, подготовке и написании статей. Лично диссертантом были проведены исследования механизмов разрушения материалов методами растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Соискателю также принадлежат идеи нанесения ионно-плазменного покрытия при температуре фазовых превращений материала подложки. Механические испытания образцов были выполнены при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих конференциях: VII и XIX Уральская школа металловедов-термистов (Свердловск-Пермь, 1981; Екатеринбург, 2008; Магнитогорск, 2012); IV всесоюзный семинар «Структура, дислокации и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1987); IV всесоюзный симпозиум «Стали и сплавы криогенной техники» (Батуми-Киев, 1990); 15-th Conference of Materials Testing. Metals., 11-th Congress on Materials Testing (EUROMAT 94) (Balatonszeplak, 1994); 8-th International Conference on Fracture «Fracture Mechanism.: Successes and Problems» (Kiev, Lviv, 1993); 5-th European Conference on Advanced Materials

and Processes and Applications «Materials, Functionality and Design» (Maastricht-NL, 1997); 6-th International Seminar of IFHT (Kyongju, Korea, 1997); 4-е и 5-е собрания металловедов России (Пенза, 1998; Краснодар, 2001); 11-th Conference of FHT, 4-th IFHT in Europe (Florence, Italy, 1998); 8-th International Conference on the Mechanical Behaviour of Materials «Progress in Mechanical Behaviour of Materials» (ICM 8) (Victoria, Canada, 1999); VI всероссийская конференция «Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2001); всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2001); ІУшкола-семинар «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Магнитогорск, 2006); международная школа «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2006, 2009, 2011); International Conference On Magneto-Science. «Magnetic Field Effects in Chemistry, Physics, Biology and Related Phenomena» (ICMS2007) (Hiroshima, Japan, 2007); V международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2008); международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008; Киев, Украина, 2010; Витебск, Беларусь, 2010; Харьков, Украина, 2011); International Conference on Crack Paths (CP 2009) (Vicenza, Italy, 2009); XVII международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009); первые Московские чтения по проблемам прочности (Москва, 2009); международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009 (Москва, 2009, 2011); международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» (Витебск, Беларусь, 2009); XVIII-XX Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт- Петербург, 2008, 2010, 2012); V международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007, 2010); 1-я - 6-я международные научные конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Орск, 1998, 2000, 2002; Оренбург, 2005, 2008, 2010).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 48 работ, в том числе 26 статей в изданиях из Перечня ВАК РФ, 5 коллективных монографий и учебных пособий, 2 нормативных документа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка использованных источников (330 наименований) и приложения. Работа изложена на 316 страницах, содержит 132 рисунка, 47 таблиц.