Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. РОЛЬ СТРУКТУРЫ В ФОРМИРОВАНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ
УПРОЧНЕНИЯ II
1.1. Влияние легирующих элементов на структурные изменения
в закаленном и состаренном состоянии II
-
Структурные изменения при оС = Y превращении 20
-
Структура и прочность 24
-
Особенности влияния структуры на характеристики пластичности и разрушения 30
-
Структурные изменения при термическом воздействии
на металл в процессе сварки 37
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 40
-
Объекты исследования и их термическая обработка .... 40
-
Методика механических испытаний 43
-
Методика структурных исследований 52
-
Световая металлография 53
-
Рентгеноструктурный анализ 53
-
Электронномикроскопическое исследование 56
-
Количественная металлография 60
3. ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИИ И ОБЪЕМНОЙ ДОЖ ВЫДЕЛЕНИЙ НА
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
ПРИ УПРОЧНЕНИИ СТАРЕНИЕМ М
-
Влияние размера аустенитного зерна на характеристики прочности, пластичности и разрушения 64
-
Влияние характера легирования на структурные
изменения при старении 71
3.3. Кинетика изменения механических свойств в зависимости
от структурных изменений при старении 76
стр.
-
Количественные связи характеристик прочности и пластичности с параметрами структуры 86
-
Определение термокинетических параметров
процесса старения 95
4. СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИССЛЕДУЕМЫХ СТАЛЕЙ
В УСЛОВИЯХ оС— Г ПРЕВРАЩЕНИЯ 103
-
Структурные изменения при закалке из межкритического интервала температур 103
-
Определение термокинетических параметров
оС —- jr превращения 114
4.3. Структурная чувствительность характеристик прочности,
пластичности и разрушения 119
5. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИ НАГРЕВЕ НА ФОРШРОВАНЙЕ
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ МАРТЕНСИТНО-
СТАРЕЩЙХ СТАЛЕЙ 134
-
Структура и механические свойства сварного соединения . 134
-
Способ термического упрочнения сварных соединений . . . 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149
Список использованной литературы 153
Приложение 177
- ч -
Введение к работе
Мартенситностарегощие стали, благодаря своим уникальным свойствам (сочетанию высокой прочности и вязкости разрушения,технологичности) находят широкое применение в авиа- и судостроении для изготовления высоконапряженных элементов конструкций.
Различные сочетания характеристик прочности, пластичности и разрушения мартенситностареющих сталей, необходимые для снижения разнотолщинности элементов оболочечного типа при их изготовлении из листового материала и повышения уровня и стабильности их эксплуатационных показателей, могут быть сформированы на основе исследования структурного механизма процессов деформирования и разрушения указанных сталей в широком диапазоне термических условий аустенитизации, старения и о(-*- Г превращения.
Мартенситностарегощие стали относятся к дисперсионно-твердею-щим системам, физические теории прочности которых изучены в работах С.Анселла [5] , Е.Орована [192] , А.Келли и Р.Никлсона [б*Л , В.И.Трефилова [ї42,І43] и других. Применительно к мартенситноста-реющим сталям развитие этих теорий нашло отражение в работах М.Д.Перкаса, В.М.Кардонского и А.Л.Ройтбурда [бЗ,І07І. Однако экспериментальные подтверждения развитых представлений носят частный характер и не распространяются на широкий уровень упрочнения, определяемый характером легирования и термокинетическими условиями старения.
Характеристики пластичности и разрушения являются более сложной функцией структуры, чем прочность и могут зависеть не только от объемной доли выделений и их прочности, но также и от их морфологии и субструктуры мартенсита [38] . Однако систематические исследования зависимости характеристик пластичности и разрушения от структурных параметров отсутствуют. Характеристики вяз- кости разрушения -Kjc.Jjc , оцениваемые с позиций механики разрушения позволяют оценить работоспособность конструкций при наличии в них дефектов типа трещин, что имеет важное значение для высокопрочных мартенситностареющих сталей. В то же время методы определения характеристик вязкости разрушения достаточно сложны. Существующие корреляционные связи этих характеристик со стандартными механическими для ряда конструкционных сталей носят частный характер [lI5J . Для построения таких связей применительно к мар-тенситностареющим сталям необходимо выявить параметры структуры, определяющие указанные характеристики при разных уровнях упрочнения.
Оптимизация комплекса механических свойств применительно к процессам формообразования элементов конструкций требует существенного повышения деформативной способности материала, что для Fe-АЬ Fe-Cr- At сплавов может быть реализовано в результате термической обработки в межкритическом интервале температур, когда имеет место характерное для них фазовое превращение, связанное с образованием высокопластичной фазы - аустенита [26, 66] .
Исследованию структурных изменений при сС—-\г превращении, проведенному преимущественно для Fe - Ni сплавов и метастабиль-ных аустенитных сталей, посвящены работы В.Г.Гобача [23 - 26 | , В.М.Кардонского [56 - 58J, В.Л.Садовского [42,43,45] , К.А.Малышева и В.В.Сагарадзе [121 - 123] . Однако литературные данные для мартенситностарегощих сталей, отражающие закономерности изменения параметров структуры при развитии оС-*-]Ґпревращения в связи с их механическими свойствами весьма малочисленны [б5,П9] .
Неотъемлемой операцией формообразования элементов конструкций является сварка, зачастую обусловливающая преждевременное их разрушение. В результате этого становится актуальной задача исследования специфики структурных изменений при сварке мартенситно- - б - стареющих сталей и изыскание возможностей повышения комплекса механических свойств сварных соединений. Известные методы термической обработки сварных соединений мартенситностареющих сталей не устраняют полностью структурной неоднородности, в результате чего неравнопрочность и неравновязкость сварных соединений сохраняются.
В связи с изложенным научной задачей работы явилось установление закономерностей изменения характеристик прочности, пластичности и разрушения мартенситностареющих сталей в зависимости от параметров структуры (размера аустенитного зерна, субструктуры мартенсита, типа, морфологии и объемной доли интерметаллидных фаз и обратного аустенита), варьируемых характером легирования , температурио-временными условиями аустенитизации, старения и о(-—» превращения, а также процессами пластического деформирования и сварки.
Новизна работы заключается в том, что автором впервые: выявлены параметры структуры, определяющие закономерности изменения и корреляционные связи характеристик пластичности и разрушения при аустенитизации, старении и с(. -~-Г превращении с учетом характера легирования рассматриваемых сталей, процессов пластического деформирования и сварки; расширена область применимости уравнения Анселла на случай описания единой структурной зависимости предела текучести для состояния максимального упрочнения старением широкого класса мартенситностареющих сталей, направленно обогащенных интерметаллидо-образующими легирующими элементами; определены пределы применимости уравнения Орована для описания структурной зависимости предела текучести на стадии частичного разупрочнения при перестарива-нии; дано экспериментальное обоснование структурной зависимости предела текучести при сС-*-Ґ превращении; разработан способ повышения и выравнивания комплекса механических свойств по всем зонам сварного соединения из мартенситностареющих сталей.
Результаты проведенного исследования имеют большое научное значение, так как являются основой для развития физических представлений о механизме формирования характеристик пластичности и разрушения при различных уровнях упрочнения мартенситностареющих сталей, определяемых характером легирования, условиями аустенити-зации, старения и сЦ-^Ґ превращения.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработаны. метод оценки температурио-временных условий аустенитизации и старения, обеспечивающих формирование определенного комплекса механических свойств мартенситностареющих сталей применительно к задаче упрочнения изготавливаемых из них элементов конструкций; метод определения термических условий направленного повышения деформативной способности исследуемых сталей при оС—- Г превращении с целью снижения разнотолщинности элементов конструкций оболочечного типа при их формообразовании из листового металла (методами обработки давлением); способ упрочнения сварных тонкостенных элементов конструкций из мартенситностареющих сталей.
Разработанные практические рекомендации внедрены в промышленности,, в частности, во Всесоюзном институте авиационных материалов (МАМ), на Киевском механическом заводе (КМЗ), п/я В-2572.
Общий годовой народно-хозяйственный эффект от внедрения результатов работы на предприятиях страны составляет более 100 тыс. рублей.
Настоящая диссертационная работа состоит из 5-ти глав.
Первая глава посвящена обзору литературы по основным вопро- сам, затронутым в диссертации. Здесь приведен анализ данных о влиянии легирующих элементов на структурные изменения в FB -л/1 сплавах и мартенситностареющих сталях в зависимости от термических условий аустенитизации, старения и оС+ г превращения. Рассмотрено влияние структуры на характеристики прочности, пластичности и разрушения. Проанализированы теоретические модели упрочнения дисперсионно-твердеющих систем и возможности их приложения к мартенситностареющим сталям. Отмечена недостаточность, а в ряде случаев и противоречивость сведений о влиянии на механические характеристики параметров микроструктуры - размера аустенит-ного зерна, субструктуры мартенсита, морфологии интерметаллидных фаз, количества и деформационной стабильности обратного аустени-та, не позволяющие описать закономерности их изменения при термическом упрочнении.
Подчеркнуто отсутствие научно обоснованного приложения рассматриваемых вопросов применительно к процессам изготовления и эксплуатации сварных элементов конструкций.
В свете изложенного сформулированы задачи исследования.
Во второй главе описаны объекты исследования - мартенситно-стареющие стали, особенности их выбора, связанные с направленным изменением содержания интерметаллидообразующих легирующих элементов, обеспечивающим независимость прочностных свойств от характера легирования в закаленном состоянии и возрастание степени упрочнения при старении по мере обогащения интерметаллидообразующими легирующими элементами. Приведены режимы их термической обработки. Рассмотрены методики механических испытаний,рентгеноструктур-ного анализа, оптической и электронной микроскопии, количественной оценки структурных параметров исследованных сталей.
В третьей главе приведены результаты исследования закономерностей структурных изменений в зависимости от термокинетических условий аустенитизации и старения для рассматриваемого ряда мар-тенситностареющих сталей в связи с характеристиками прочности , пластичности и разрушения; рассмотрены количественные связи этих характеристик с параметрами структуры, а также определены термокинетические параметры процесса старения.
В четвертой главе приведены результаты исследования структурных изменений мартенситностареющих сталей при <*-*~Г превращении в зависимости от характера легирования и температуры закалки, дана оценка термокинетических параметров процесса с( -*- Ґ превращения, описаны структурные зависимости характеристик прочности , пластичности и разрушения в этих условиях, отмечена практическая важность результатов применительно к процессам формообразования из листового металла элементов конструкций оболочечного типа за счет улучшения его деформативной способности.
Пятая глава посвящена исследованию структурной и механической неоднородности сварного соединения из мартенситностареющих сталей, описанию разработанного способа повышения и выравнивания комплекса механических свойств по всем зонам сварного соединения и его применения для повышения несущей способности сварных шаровых баллонов высокого давления.
В заключении работы приводятся выводы.
Из всей совокупности полученных материалов заслуживают особого внимания следующие положения,которые и выносятся на защиту:
Зависимость от характера легирования закономерностей изменения морфологии и объемной доли формирующихся при старении и d —- Г превращении фаз и их связь с характеристиками пластичности и разрушения.
Физически обоснованные количественные связи характеристик прочности, пластичности и разрушения с параметрами структуры при старении и сС-*-Ґ превращении.
3. Способ термического упрочнения сварного соединения из мартенситностареющих сталей.
Основные результаты, полученные в настоящей работе, докладывались на X Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (г.Тбилиси,1973 г.), на УПДХ и X Всесоюзных конференциях по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г.Куйбышев,1973, 1979,1983 гг.), на Ш Всесоюзной конференции "Физика хрупкого разрушения" (г.Киев,1976 г.), на Семинаре "Применение в металловедении просвечивающей и растровой электронной микроскопии" (г.Москва, 1976 г.)» на Второй Республиканской научно-технической конференции "Применение электронной микроскопии в материаловедении,биологии и медицине" (г.Ивано-Франковск,1979 г.), на Девятом и Десятом научно-технических совещаниях по тепловой микроскопии металлических материалов "Структура и прочность металлических материалов в широком диапазоне температур" (г.Фрунзе,1980 г., г.Новокузнецк, 1982 г.) на Республиканской конференции "Механико-термическая обработка и субструктурное упрочнение металлов" (г.Киев,1981 г.),на Всесоюзной научно-технической конференции "Термическая и термомеханическая обработка стали - важнейший резерв экономии металла" (г.Днепропетровск,1981 г.), на Совещании "Перспективные высокопрочные стали в самолетостроении" (г.Москва,:1981 г.), на Семинаре "Пластичность и деформируемость при обработке давлением" (г.Свердловск, 1982 г.), на Семинаре Института механики АН УССР "Прочность, пластичность и разрушение" (г.Киев,1983 г.).
Материалы диссертации опубликованы в работах [3,4,9,21,22, 54,90,92-101,145-147,164-166] .
Работа выполнена в отделе пластичности и разрушения материалов Института механики АН УССР. Автор выражает благодарность к.т.н., ст.научн.сотр. СБ.Нижник за постоянное внимание и рекомендации при выполнении и оформлении работы. - II -
