Оценка неоднородности вязкости конструкционных сталей по измерению строения изломов средствами различной размерности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Арсенкин, Александр Михайлович

• Арсенкин, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арсенкин, Александр Михайлович

Введение.

1 Аналитический обзор литературы.

1.1 Классификация видов разрушения сталей.

1.1.1 Хрупкое разрушение.

1.1.2 Вязкое разрушение. Модели вязкого разрушения.

1.1.3 Вязкое зернограничное разрушение. Камневидный излом.

1.2 Влияние различных факторов на образование камневидного излома.

1.2.1 Влияние деформации, температурных режимов обработки и скорости охлаждения.

1.2.2 Влияние неметаллических включений.

1.2.3 Влияние структуры и химического состава стали.;

1.3 Методы исследования процессов разрушения сталей.

1.3.1 Методы, основанные на механических испытаниях (косвенные методы).

1.3.2 Фрактография.

1.3.2.1 Классификация фрактографических методов.

1.3.2.2 Качественная фрактография.

1.3.2.3 Количественная фрактография.

1.3.2.4 Применение фрактального анализа для исследования изломов.

Выводы по литературному обзору.

Постановка задач исследования.

2 Материал и методика исследования.

2.1 Материал.

2.2 Анализ структуры.

2.3 Фрактографический анализ.

2.4 Измерение фрактальной размерности поверхности разрушения.

2.5 Измерение критического раскрытия трещины по методу сопоставления ответных половинок излома.

3 Результаты и их обсуждение.

3.1 Макро-и микроструктура сталей.

3.2 Исследование морфологии поверхности изломов конструкционных сталей средствами различной размерности.

3.3 Анализ микрорельефа поверхности камневидной фасетки.

3.4 Измерение раскрытия трещины методом стыковки ответных половинок излома.

3.5 Определение фрактальной размерности.

Выводы.

Список цитируемых литературных источников.

Публикации по диссертационной работе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка неоднородности вязкости конструкционных сталей по измерению строения изломов средствами различной размерности»

В связи с развитием техники и повышением уровня интенсивности её эксплуатации по-прежнему актуальна проблема создания материалов обладающих высокой прочностью и вязкостью. Исследование механизмов разрушения конструкционных материалов и факторов, определяющих его развитие, является ключевой задачей при разработке новых материалов и технологий их получения. Это принципиально важно и при оптимизации технологии производства для повышения качества уже существующих материалов.

Практически все конструкционные материалы неоднородны (в зависимости от масштаба измерения) по структуре, химическому составу. В связи с этим необходимо знать степень влияния неоднородности на сопротивление разрушению материала.

Как известно, одним из основных методов исследования разрушения конструкционных материалов является фрактография. Однако пока качественная фрактография используется чаще. Это связано с трудоемкостью, а иногда и с невозможностью измерения параметров геометрии излома, особенно z-координат рельефа (на всех масштабных уровнях).

Бесконтактная профилометрия позволила производить измерения мезорельефа излома, а рост вычислительных мощностей (с помощью специальных компьютерных программ) - получить ЗЭ-изображение микрорельефа излома.

Для реконструкции трехмерной картины излома обычно применяется синтез 3D-картины из нескольких 2Б-изображений (техника стереофотограмметрии), полученных в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Это позволяет получить более полные знания о механизмах разрушения конструкционных материалов. Однако отсутствие системных исследований в данном направлении затрудняет понимание' механизмов разрушения разнообразных структур, оценку степени их опасности и, как следствие, разработку новых материалов и технологий их получения.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Арсенкин, Александр Михайлович

Выводы

1. Сопоставлены возможности использования средств различной размерности для выявления различий в строении вязких изломов.

2. Развита методика реконструкции трехмерных изображений рельефа изломов (с использованием тест - объектов) на основе стереопар, полученных в сканирующем электронном микроскопе.

3. На основе массовых измерений геометрии ямок вязких изломов сталей 16Г2АФ, 15Х2МФА, 40Х2Н2МА и ЗБХНЗМФА-Ш, показано, что они представляет собой в простейшем (квадратичном) приближении параболоид вращения у = с(х2 + z2), обрезанный «сверху» плоскостью мезоступени излома (или фасеткой камневидного излома) наклонённой под некоторым углом а к макроплоскости излома. При увеличении поперечника ямок отношение глубины к диаметру уменьшается.

4. Экспериментально обоснованы условия определения воспроизводимых значений фрактальной размерности изломов по методу вертикальных сечений (не менее 10 профилей длиной не менее 4 мм каждый на вариант и вариации шага измерения от 0,46 до 58,9 мкм). Показано, что её величина практически неизменна для различных видов излома (транскристаллитный, смешанный, камневидный и вязкий).

5. Из измерений рельефа фасетки камневидного излома стали ЗВХНЗМФА-Ш прослежена эволюция развития трещины по зернограничному кластеру включений: от его центра в радиальных направлениях.

6. С использованием развитых методов измерения изломов установлено, что траектория трещины в границах зернограничного кластера включений имеет периодический вид, а форма её переднего фронта (в виде полуэллипса) указывает на неоднородность напряжённого состояния в пределах скопления включений (от центра к периферии) и связанную с этим неравномерность пластической деформации.

7. Установлено, что на поверхности камневидной фасетки преимущественно наблюдаются три вида неоднородного ямочного строения: плотные скопления, кратеры, ямки от плён включений. Им соответствуют три вида размещения включений на границе: капельная россыпь дисперсных сульфидов марганца в её плоскости, скопление частиц сульфидов марганца сферической формы и зернограничные плёны силикатов.

8. Измерение пластической невязки неоднородностей строения камневидной фасетки позволило сопоставить уровень их вязкости: наиболее энергоёмким элементом являются кратеры, а наименее - плены.

Список цитируемых литературных источников

1. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия 1971.264 с.

2. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд. 3, в 2-х частях. М., "Машиностроение", 1974

3. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов, 1974, 471 с.

4. Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов - М.: Машиностроение, 1978. - 200 с.

5. Новиков И.И., Ермишкин В.А. Микромеханизмы разрушения. М.: Наука, 1991

6. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979, 167 с.

7. Белан Н.В., Ермишкин В.А. Исследование изломов монокристаллического молибдена методом цветной металлографии // Физико-механические и теплофизические свойства металлов. М.: Наука, 1976, с. 190-193

8. Гарафало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов. М.: Металлургия, 1968,304 с.

9. Розенберг В.М. Ползучесть металлов. М.: Металлургия, 1967, 276 с.

10. Курдюмова Г.Г., Мильман Ю.В. Трофимов В.И. К вопросу классификации микромеханического разрушения по типам // Металлофизика. 1979. Т1 № 2 с. 55-62

И. Evans A.G. Energies for crack propagation in polycrystalline MgQ // Pliilos Mag. 1970. V01.22., № 178, P. 841-852/

12. Бичем К.Д. Микропроцессы разрушения // Разрушение. М.: Мир, 1973. Т.1 с. 265-375 13.Энгель А., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. Справочник. Пер. с нем. -М. Металлургия, 1986. 231 с.

14. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев A.M. Строение и анализ изломов металлов. - М.: Наука, 1960

15. Пью С. Фрактография в связи с вязкостью разрушения и структурой. Вязкость разрушения высокопрочных материалов. Перевод с англ. Под ред. M.JI. Бернштейна-М.: Металлургия, 1973

16. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов / B.C. Шанова, JI.K. Гордиенко, В.Н. Геминов и др. М.: Наука 1965 г. 180 с.

17. Орлов А.Н., Владимиров В.И. Микромеханизмы распространения трещин // Усталость и вязкость разрушения металлов. М.: Наука, 1974 с. 141-147

18. Келли А. Высокопрочные материалы. М.: Мир, 1976. 261 с.

19. Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М.: Мир, 1979, 496 с.

20. Разрушение Т.1 Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения. Пер. с англ. под ред. А.Ю. Шиминского - М.: Мир 1973

21. McClintock F.M. // International Journal of Frac ture Mechanics, 1968, 4, P. 101

22. Rice J.R., Tracey D.M. // J. Mech. Phys. Solids, 1969, 17, P.201.

23. Margolin B.Z., Karzov G.P., Shvetsova V.A., Kostylev V.I. // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1998. №21. P. 123-127

24. Margolin B.Z., Kostylev V.I. // Int. J. Pres. Ves. & Piping. 1999. N 76. P. 731-740

25. Марголин Б.З., Костьтлев В.И., Ильин А.В., и др. Прогнозирование JR-кривых для корпусных реакторных сталей на основе модели вязкого разрушения // Вопросы материаловедения, 2001. №4(28). С. 18-38

26. О камневидном изломе в конструкционных сталях. А.Б. Кутьин, В.М. Умова, JI.B. Смирнов, В.Д. Садовский // ФММ, т.42, № 4, 1976

27. Счастливцев В.М., Кутьин А.Б., Смирнов А.К. Исправление структуры и изломов перегретой конструкционной стали — Екатеринбург. УрОРАН, 2003

28. Кутьин А.Б. Развитие представлений о природе камневидного излома в сталях // ФММ 2001 т. 94 №4

29. Bodimeade A.H., O'Brien R.N., Jack D.N., Nutting J. // Proc.conf. on inclusions and their affect on steel properties. Leeds: British Steel Corp., 1974.

30. O'Brien R.N., Jack D.N., Nutting J. // Heat Treatment. L.: The Metal Soc., 1976. P.161-168

31. Штремель M.A. Проблемы металлургического качества стали (Неметаллические включения) // МиТОМ. 1980. №8. с.

32. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря А.В. Взаимосвязь двух аномалий излома высоколегированной конструкционной стали // Изв. РАН. Металлы. 1994. №2

33. Joy G., Nutting J. Influence of intermetallic phases and non-metallic inclusions upon the ductility and fracture behavior of some alloy steels // Effect of second-phase particles on the mechanical properties of steel. L., 1971. P.95-100

34. Кутьин А.Б., Садовский В.Д., Гербих H.M. Особенности образования камневидного излома в стали с низким содержанием серы // Сталь.1988. №7. С.80-83

35. Кутьин А.Б., Садовский В.Д., Гербих Н.М. и др. Межзеренное разрушение конструкционной стали высокой чистоты // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов. Ижевск, 1985. С.3-4

36. Preston S., Hale G., Nutting J. Overheating behavior of a grain-refined low-sulphur steel // Met. Sci.Tech. 1985.V.1, N.3, P.192-197

37. McLeod N.P., Nutting J. Influence of manganese on susceptibility of low-alloy steel to overheating // Met. Technol. 1982. V.9. P.399-404

38. Соколовская Э.А. Методы прогнозирования пластичности и вязкости конструкционных сталей: Дисс. на соиск. канд. техн. наук. - Москва, 2001, 146 с.

39. Glue D.R., Jones С.Н., Lloyd Н.К. Effect of composition and thermal treatment on the overheating characteristics of low-alloy steels // Met. Technol. 1975.V.2, N.9, P. 14-23

40. Нотт Дж.Ф. Основы механики разрушения. Пер. с англ. Д.В. Лаптев. М.: Металлургия, 1978. 256 с

41. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

42. Одесский П.Д., Ведяков И.И. Ударная вязкость сталей для металлических конструкций. М.: Интермет инжиниринг, 2003.

43. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах.

44. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря А.В., Мочалов Б.В. Определение температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению образца по измерениям акустической эмиссии // Заводская лаборатория. 1991. №8. С.66.

45. Фрактография - средство диагностики разрушенных деталей. М.А. Балтер, А.П. Любченко. С.И. Аксенова и др. М.: Машиностроение, 1987. 160 с.

46. Практическая растровая электронная микроскопия. Пер. с англ. Под ред. Д. Гоулдстейн, X. Яковиц. М.: Мир, 1978, с.433

47. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочник. Пер. с англ. Под ред. M.JI. Бернштейна. М.: Металлургия, 1982. 489 с.

48. Кузько Е.И., Кудря А.В., Стариков С.В. Бесконтактный автоматический лазерный профилограф для изучения макрогеометрии образцов // Заводская лаборатория. 1992. №9. С. 63-66

49. Бочарова М.А. Оценка информативности мезостроения изломов для определения факторов вязкости сталей. Дисс. На соиск. уч. ст. канд. тех. наук. М. 2000.148 с.

50. Штремель М.А. Возможности фрактографии // МиТОМ. 2005. №5. С.35-43

51. Штремель М.А., Кудря А.В., Бочарова М.А., Пантелеев Г.В. К происхождению пилообразного мезорельефа вязких изломов // ФММ. 2000. т.90. №5. С. 102

52. Калантаров Е.И., Сагындыкова М.Ж. Фотограмметрическая обработка электронно-микроскопических снимков. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1984. №2. С.82-85

53. Брандон Д., Каплан У. Мир материалов и технологий. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера, 2004.

54. Stampfl J., Scherer S., Berchthaler M., Gruber M. and Kolednik O. // International Journal of Fracture 1996, vol.78, PP.35-44

55. Маркелов В.А., Андреев Ю.Г., Штремель M.A., Савельева В.В. Микромеханика разрушения пакета мартенсита // ФММ, 1988, т.66, вып.5, С.1010-1018

56. Электронно-микроскопическая фрактография. Альбом. Под ред. JI.M. Утевского. М.: Металлургия, 1973. 44 с.

57. Кальнер В.Д., Зильберман А.Г. Практика микрозондовых методов исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981, 215с.

58. Кальнер В.Д. Применение микрозондового анализа для исследования металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1984. 62 с.

59. Кудря А.В. Наблюдение и измерение неоднородности структур, пластичности и вязкости для управления качеством конструкционной стали. Дисс. На соиск. докт. техн. наук. М. 2002.

60. Новиков И.И., Ботвина JI.P., Клевцов Г.В. Рентгеноструктурный анализ изломов. М.: Институт металлургии АН СССР, 1983. 31с.

61. Тайра С. Анализ поверхности излома рентгеноконструкционным методом. Тэцу то хагане, 1979. т.65. №3. С.450-460.

62. Mandelbrot В.В., Passoja D.E., Pullay AJ. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature. 1984. Vol.308. P.721-722.

63. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 384 с.

64. Учаев А.Я., Пунин В.Т., Завада Н.И. и др. О количественных характеристиках процесса динамического разрушения металлов, диэлектриков, взрывчатых веществ. Саров. РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2002. 175с.

65. Кроновер Р. М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. - М.: Постмаркет, 2000. 352 с.

66. Krupin U.A., Kiselev I.K. // Scr. Met. 1991.Vol.25. #3. P.655-658

67. Pande C.S., Richards L.E., LouatN. et al. // Acta met. 1987. Vol.35. №7. P.1633-1637.

68. Hao Y., Wang Z.G., Tian J.F. // Mater. Sci. and Eng. A.1993. Vol.161. #2. P.195-200.

69. Yan Su, Wei-Sheng Lei. Relationship between fracture toughness and fractal dimension of fracture surface of steel // International Journal of Fracture. 2000. Vol.106. P.41-46.

70. Thompson A.W., Ashby M.F. Fracture surface micro-roughness // Scripta Metallurgica, 1984. #18. P.127-130.

71. Электрошлаковый металл. Под ред. Б. Е. Патона и Б. И. Медовара. Киев: Наукова думка. 1981.

72. Снитко Ю.П., Введенский А.В., Королев Н.В. Расчет растворимости карбонитридов в рельсовой стали. // Сб. докладов. Материалы юбилейной рельсовой комиссии. Новокузнецк, 2002г.

73. Мельник В.Н. Фотограмметрическая обработка снимков, полученных на растровом электронном микроскопе // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 1981, 28 с.

74. Маркелов В. А. Структурные факторы вязкости мартенсита конструкционной стали, выявленные в испытаниях псевдомонокристаллов // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 1985, 183с.

75. Ходжер Т.А. Информационная система фотограмметрического моделирования микрообъектов для биологических исследований // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Иркутск, 2008, 8 с.

76. Горицкий В.М., Гусева И.А. Связь параметров ямочного излома с характеристиками структуры термоулучшенной стали // ФММ, 1983, т.56, №1, с.192-194.

77. Малинецкий Г.Г. Управление риском. Риск, устойчивое развитие, синергетика. М.: Наука. 2000. 432с.

78. Штремель М.А. Обобщение распределения Парето в задачах статистической металлографии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. Т.71. №8. С.25-31.

79. Кудря А.В., Соколовская Э.А., Сухова В.Г. и др. Наблюдение и измерение характеристик структур, пластичности и вязкости в конструкционных сталях // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 5. С. 60-67.

80. Штремель М.А. Вязкость разрушения структур с разномасштабными включениями // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 99. № 4. С. 16-29.

81. Броек Д. Основы механики разрушения М.: Высшая школа. 1980. 368 с.

82. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970. 251 с.

83. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. Пер. с англ. - М.: ИКИ, 2002. - 656с.

Публикации по диссертационной работе

1. Арсенкин A.M., Соколовская Э.А., Скородумов С.В., Теплухина Н.С.Хорева Е.Г. «Оценка риска неоднородности структур в конструкционной стали по наблюдениям изломов» Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия. №11,2009. С.38-41.

2. Кудря А.В., Никулин С.А., Николаев Ю.А., Арсенкин A.M., Соколовская Э.А., Скородумов С.В., Чернобаева А.А., Кузько Е.И., Хорева Е.Г. «Факторы неоднородности вязкости низколегированной стали 15Х2НМФА» Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия. №9,2009, С. 23-28.

3. Кудря А.В., Соколовская Э.А., Сухова В.Г., Марков Е.А., Арсенкин A.M., Салихов Т.Ш. «Наблюдение и измерение характеристик структур, пластичности и вязкости в конструкционных сталях». МиТОМ, №5, 2009, С. 60-67.

4. Кудря А.В., Арсенкин A.M. «Разрушение конструкционных сталей по кластерам частиц» // IV Международная школа «Физическое материаловедение». Сборник трудов. Тольятти. 2009. С. 27-29

5. Соколовская Э.А., Салихов Т.Ш., Арсенкин A.M., Скородумов С.В., Теплухина Н.С., Хорева Е.Г. «Измерение структур и изломов для прогноза свойств конструкционных материалов» // 48-я конференция «Актуальные проблемы прочности». Труды конференции. Тольятти. 2009. С. 89-91

6. Кудря А.В., Соколовская Э.А., Арсенкин А.М, Салихов Т.Ш. «Измерения морфологии вязкого излома средствами наблюдения различной размерности» //47-я конференция «Актуальные проблемы прочности». Труды конференции. Н.Новгород. 2008. С. 32-34.

7. Кудря А.В., Бочарова М.А., Арсенкин A.M. «Измерения фрактальной размерности поверхности разрушения для классификации сталей по вязкости». // 3-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур ". Тезисы конференции. М.: 2006. С. 48.

8. Кудря А.В., Соколовская Э.А., Арсенкин A.M. «Возможности измерения морфологии вязкого излома средствами наблюдения различной размерности». // 4-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур». Тезисы конференции. М.: 2008. С. 72.