Структурно-фазовые превращения в сталях при интенсивной пластической деформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, доктор технических наук Целлермаер, Владимир Яковлевич

• Целлермаер, Владимир Яковлевич
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Целлермаер, Владимир Яковлевич

Глава 1. Введение и постановка задачи исследования.

Глава 2. Методика исследования.

2.1. Определение объемных долей морфологических составляющих.

2.2. Определение скалярной и избыточной плотности дислокаций.

2.3. Определение параметров, характеризующих карбидную фазу.

Глава 3. Эволюция структуры материала в условиях волочения.

Макроуровень и уровень зерна.

3.1. Структурные уровни и неоднородность пластической деформа-ци.

3.2. Фазовый состав и морфология исследуемых сталей.

3.3. Зональное строение и неоднородность структуры материала после волочения.

3.4. Градиентные зеренные структуры.

3.5. Распределение цементита по зонам.

3.6. Анизотропия размеров зерен в условиях волочения.

3.7. Структурная текстура в условиях волочения.

3.8. Строение зерен а-фазы при волочении.

Глава 4. Зеренная структура в условиях сильной неоднородной деформации.

4.1. Параметры неоднородной деформации при формировании заготовки болта.

4.2. Эволюция зеренной структуры и локальная деформация при фор моизменении болта.

4.3. Структурная текстура неоднороднодеформированного материала.

Глава 5. Субструктура в условиях неоднородной деформации.

5.1. Классификация наблюдаемых дислокационных субструктур.

5.2. Количественные параметры дислокационной структуры в условиях волочения.

5.3. Количественные параметры дислокационной структуры в условиях неоднородной деформации при объемной штамповки.

Глава 6. Фазовые превращения и разрушение цементита в условиях сложных пластических деформаций.

6.1. Морфология цементита низко - и среднеуглеродистых сталей на различных структурных уровнях.

6.2. Разрушение цементита и аномальный массоперенос в условиях волочения.

6.3. Разрушение цементита в условиях сложной пластической деформации.

6.4. Эволюция перлитных зерен в условиях неоднородной пластической деформации.

6.5. Эволюция частиц цементитной фазы, расположенной по границам и в теле зерна.

6.6. Структурно-фазовые превращения при интенсивной пластической деформации.

Глава 7. Влияние водорода на пластические свойства феррито-перлитных сталей. Субструктура и микроуровень.

7.1. Поведение водорода в стали на микроуровне.

7.2. Влияние водорода на параметры субструктуры. Однородная деформация.

7.3. Влияние водорода на параметры субструктуры. Деформация волочением.

Глава 8. Эволюция структуры стали феррито-перлитного и аустенитно-го класса при электростимулированном волочении.

8.1. Изменение свойств сталей при обычном электростимулированном волочении.

8.2. Внутренние напряжения в стали 08Г2С после ЭСВ OB.

8.3. Порог хладноломкости и усталостное разрушение стали 08Г2С после ОСВ.

8.4. Особенности структурных изменений феррито-перлитной стали 08Г2С.

8.5. Особенности структурных изменений в аустенитной стали Х18Н10Т после ЭСВ.

8.6. Развитые субструктуры при волочении аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т.

Выводы.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Целлермаер, Владимир Яковлевич

ВЫВОДЫ

На основании выполненного исследования в работе сделаны следующие выводы.

1. Волочение феррито - перлитной стали с малыми скоростями создает неоднородные структуру и химический состав по сечению, что проявляется на всех структурных уровнях. В сформировавшихся трех зонах размер зерен максимален в наружной зоне и минимален внутри. Для внешней части образца характерны процессы с признаками динамической рекристализации, которые внутри подавлены

2. Во внешней зоне цементит почти отсутствует, в промежуточной имеют место его прослойки по границам зерен, в центральной сохранились прослойки цементита по границам зерен феррита и зерен перлита. Анизотропия размера зерен возрастает от центра к поверхности образца и убывает с увеличением скорости волочения.

3. Установлено, что степень относительной деформации в локальных участках материала на разных этапах формирования болта меняется в пределах 0.300% по модулю и меняет знак в отдельных участках на отдельных операциях. Выявлены участки с максимальным градиентом деформации.

Выполнен анализ эволюции структурной текстуры на всех стадиях заготовки болта. Разориентировка вектора структурной текстуры достигает 160 градусов, а градиент вектора наиболее велик в местах локализации деформации. В локальных участках с сильно неоднородной деформацией обнаружены зародыши микротрещин, которые формируются в местах максимальных ротационных деформаций.

4. Проанализировано образование типов дислокационных субструктур (сетчатая, ячеистая, фрагментирорванная), при сложной пластической деформации в феррито-перлитных сталях. Установлено, что объемные доли дислокационных субструктур меняются по сечению таким образом, что их эволюция ближе к завершению в центре образца. Увеличение скорости волочения уменьшает совершенство субструктуры. Скалярная плотность дислокаций и кривизна-кручение кристаллической решетки возрастают по мере приближения к центру образца. Соответственно, в центре образца размер ячеек и фрагментов меньше. Увеличение скорости волочения приводит к увеличению скалярной плотности дислокаций и уменьшению различия этой характеристики по зонам образца.

5. Установлено, что закономерности превращений в дислокационной подсистеме слабо зависят от способа деформации, а определяются накопленной скалярной плотностью дислокаций. С ростом плотности дислокаций имеет место следующая последовательность субструктур: сетчатая, ячеисто-сетчатая, анизотропные фрагменты, изотропные фрагменты.

6. Впервые количественно изучена дислокационная структура, формирующаяся на различных этапах изготовления сложной детали с большими градиентами пластической деформации. Установлено, что большинство параметров субструктуры зависит только от степени пластической деформации. В полностью сформированном изделии почти 100% материала занимает фрагментированная структура. Внутри фрагментов начинает формироваться ячеисто-сетчатая субструктура.

7. Процесс разрушения цементита в ходе пластической деформации волочением и ХОШ протекает в несколько этапов на различных структурных уровнях. Он состоит из разрушения зерен перлита, дробления перлитных колоний, разрезания и измельчения пластинок цементита вплоть до образования наномерных частиц. Этим процессом охвачены структурные уровни от зерен до микроуровня. Показано, что механизм разрушения перлитных колоний зависит от ориентации их по отношению к оси деформации. Установлена различная стабильность к пластической деформации цементита в перлитных колониях и в прослойках по границам зерен и отмечено, что частицы по границам зерен значительно стабильнее. С ростом скорости деформации цементит в перлите становится более стабильным. Обнаружено взаимодействие формирующихся дислокационных субструктур и измельчаемых карбидных частиц. Неоднородное дислокационно-карбидное взаимодействие при деформации приводит к росту кривизны-кручения кристаллической решетки.

8. Показано, что влияние водорода на параметры дислокационной структуры осуществляется на микро - и мезоуровне. Рост плотности дислокаций с деформацией в наводороженных образцах происходит быстрее, чем в ненаводороженных. Этот эффект наблюдается независимо от вида пластической деформации. Наводороживание увеличивает число источников дальнодействующих полей напряжений, ускоряет процесс фрагментации дислокационной структуры и увеличивает разориентировку во фрагментированной субструктуре. Зародыши микротрещин наблюдались исключительно в наводороженных образцах. Данные эволюции к/ К* 1 количественных характеристик дислокационнои структуры сталей феррито-перлитного классов обосновывают, необходимость замены кислотного удаления окалины на механический.

9. Внешнее энергетическое воздействие импульсов электрического тока на процесс волочения, приводящее к увеличению пластичности, интенсифицирует процессы возврата и отдыха, что приводит к снятию наклепа и общей стабилизапции структуры, при этом не оказывает влияние на температуру соответствующую порогу хладноломкости феррито-перлитной стали. Для аустенитной стали скалярная плотность дислокаций ниже при ЭСВ, наблюдается рост ширины двойников и запаздывание формирования типов дислокационной субструктуры. Полученные результаты закладывают физико-технические и материаловедческие основы технологии электростимулированной обработки металлов давлением.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Целлермаер, Владимир Яковлевич, 1999 год

1. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела. - Томск: Изд-во Красное знамя, 1941.-Т.2.-771 с.

2. Мак-Лин Д. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1965.-431 с.

3. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлография, 1958.-445с.

4. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974.- Т.1.- 472 с.

5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974,- Т.2.- 368 с.

6. Бэлл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука, 1984.- 4.1: Малые деформации. - 596 с.

7. Бэлл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука, 1984.- 4.2: конечные деформации. - 431 с.

8. Гардин А.И. Электронная микроскопия стали. М.: Металлургия, 1954.234 с.

9. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М.: Мир, 1968.- 574 с.

10. Панан В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни твердых тел// Известия ВУЗов. Физика. 1982.- №6,- С.5-27.

11. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985.- 231 с.

12. Панан В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения.-Новосибирск: Наука, 1990,-255с.

13. Конева H.A., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации// Известия ВУЗов. Физика. 1990,- №2,1. С.89-106.

14. Конева H.A., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации //Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990.- С. 123-186.

15. Козлов Э.В., Попова H.A., Григорьева H.A. и др. Стадии пластической деформации, эволюция субструктуры и картина скольжения в сплавах с дисперсным упрочнением //Известия ВУЗов. Физика.-1991.-№3. -С.112 -128.

16. Предводителев A.A. Современное состояние исследований дислокационных ансамблей //Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975,- С.

17. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. и др. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наукова думка, 1987.- 245 с.

18. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. и др. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наукова думка, 1989,- 256 с.

19. Козлов Э.В., Старенченко В.А., Конева H.A. Эволюция дислокационной субструктуры и термодинамика пластической деформации металлических материалов // Металлы.-1993,- №5.-С. 152-161.

20. Козлов Э.В., Попова H.A., Теплякова Л.А. и др. Эволюция дефектной структуры и перераспределение углерода при пластической деформации стали с пакетным мартенситом // Физические проблемы прочности и пластичности материалов. Самара: КПИ, 1990.-С.57-70.

21. Козлов Э.В., Попова H.A., Игнатенко JI.H. и др. Субструктурные и карбидные превращения при пластической деформации в отпущенной хромоникелевой мартенситной стали // Известия ВУЗов. Физика.-1992.-№12.-С.25-32.

22. Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова H.A., Теплякова Л.А. Эволюциясубструктуры и стадийность пластической деформации поликристаллов стали с отпущенным мартенситом // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1994.- №8,- С.35-39.

23. Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Конева H.A. и др. Влияние легирования азотом на деформационное упрочнение и эволюцию дислокационной структуры при активной деформации стали Х18Н15//Металлофизика.-1993.-Т.15, №5.-С.80-86.

24. Козлов Э.В., Попова H.A., Игнатенко Л.Н. и др. Закономерности субструктурно-фазовых превращений при пластической деформации мартенситной стали//Извеегия ВУЗов Физика.-1994.-№4.-С.76-82.

25. Ветер В.В., Попова H.A., Игнатенко Л.Н., Козлов Э.В. Фрагментация и образование трещин в перлитной стали опорных валков прокатного стана// Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1994.-№10.-С.44-48.

26. Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Ошкадеров С.П., Трефилов В.И. Физические основы электротермического упрочнения стали. -Киев: Наукова думка, 1973.-235 с.

27. Гриднев В.Н. В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка, 1974.-231с.

28. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977,- 647 с.

29. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977,- 236 с.

30. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургия, 1958.-267 с.

31. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка, 1987,- 208 с.

32. Штейнберг С.С. Металловедение. Свердловск: Металлургиздат, 1961. - 598 с.

33. Кащенко Г.А. Основы металловедения. М.-Л.: Машгиз, 1957,- 359 с.

34. Металлография железа. М.: Металлургия, 1972.-Т.1: Основы металлографии. - 240 с.

35. Металлография железа. М.: Металлургия, 1972.-Т.2: Структура сталей.-284 с.

36. Блантер М.Е. Металловедение и термическая обработка.- М.: Машгиз, 1963.-416 с.

37. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика железоуглеродистых сплавов. -М.: Металлургия, 1972.- 328 с.

38. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. -Термодинамика сплавов железа. -М.: Металлургия, 1984.-208 с.

39. Сорокин В.Г., Волосникова A.B., Вяткин С. А. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

40. Попова Л.Е., Попов A.A. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета раствора в сплавах титана. Справочник термиста. - М.: Металлургия, 1991.- 503 с.

41. Козлов Э.В., Теплякова Л. А., Тришкина Л.И. и др. Субструктура и закономерности развития трещин (электронно-микроскопические исследования)//Прочность и разрушение гетерогенных материалов. -Л.ФТИ им. А.Ф.Иоффе, 1990.-C.3-30.

42. Козлов Э.В., Конева H.A., Тришкина Л.И. Эволюция субструктуры и зарождение разрушения//Современные вопросы физики и механики материалов. Санкт-Петербург, 1997.-С.322-332.

43. Арчакрв Ю.И. Водородоустойчивостъ стали. -М.¡Металлургия, 1978.-151с.

44. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов/ Под ред. К.Л.Брайента, С.К.Бенерджи. -М.: Металлургия, 1988.-552 с.

45. Громов В.Е., Зуев Л.Б., Козлов Э.В., Целлермаер В .Я. Электростиму-лированная пластичность металлов и сплавов. М.: Недра, 1996,- 273 с.

46. Громов В.Е., Козлов Э.В., Базайкин В.И., Целлермаер В.Я. и др. Физикаи механика волочения и объемной штамповки. -М.: Недра, 1997.-293 с.

47. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977. - 280 с.

48. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970. - 376 с.

49. Конева H.A., Лычагин Д.В., Теплякова Л.А., Козлов Э.В. Развороты кристаллической решетки и стадии пластической деформации // Экспериментальное исследование и теоретическое описание дисклина-ций. Л.: ФТИ. 1984. - С. 161-164.

50. Конева H.A., Лычагин Д.В., Жуковский С.П. и др. Эволюция дислокационное структуры и стадии пластического течения поликристаллического железо-никелевого сплава// ФММ. -1985.-Т. 60,1.-С. 171-179.

51. Конева H.A., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения// Извес тая ВУЗов. Физика. 1982, №8.- С.3-14.

52. Штремель М. А. Прочность сплавов. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1982. -280 с.

53. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. -М.: Металлургия, 1979. 208 с.

54. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-443 с.

55. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. -М.Мир, 1972.-408 с.

56. Колупаева С.Н., Старенченко В.А., Попов Л.Е. Неустойчивости пластической деформации кристаллов. Томск: Изд-во Томского государственного, университета, 1994.- 301 с.

57. Пресняков A.A. Локализация пластической деформации. -Алма-Ата: Наука, 1981,- 122 с.

58. Савин Т.Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наукова думка, 1968.- 887 с.

59. Теплякова Л.А., Игнатенко Л.Н., Касаткина Н.Ф. и др. Закономерности пластической деформации стали со структурой отпущенного мартенсита// Пластическая деформация сплавов. Структурно-неоднородные материалы. Томск: Изд-во ТГУ, 1987,- С.26-51.

60. Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Эволюция дислокационной структуры с деформацией в сплавах Си-AI и Cu-Mn// Субструктура и механические свойства металлов и сплавов. Томск: Изд-во ТГУ. 1988,- С.5-11.

61. Дударев Е.Ф., Корниенко Л.А., Бакач Г.П. Влияние энергии дефекта упаковки на развитие дислокационной субструктуры, деформационное упрочнение и пластичность гцк твердых растворов// Известия ВУЗов. Физика. 1991, №3,- С.35-46.

62. Кайбышев O.A., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987.- 212 с.

63. Рыбин В.В. Структурно-кинетические аспекты физики развития пластической деформации //Известия ВУЗов. Физика. 1991, №3,-С.7-22.

64. Перевалова О.Б., Конева H.A. Распределение дислокаций вблизи границ зерен в гцк поликристалле с ближним и дальним атомным порядком// Эволюция дислокационной структуры, упрочнение и разрушение сплавов. Томск: Изд-во ТГУ, 1992,- С.25-34.

65. Козлов Э.В., Лычагин Д.В., Попова H.A. и до. Дальнодействующие поля напряжений и их роль в деформации структурно-неоднородных материалов// Физика прочности гетерогенных материалов. Ленинград: ФТИ, 1988.-C.3-13.

66. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. Киев: Техшка, 1975,- 304 с.

67. Аветисян Ю.А., Волосевич П.Ю., Горбач В.Г. и др.// Мартенситные превращения в металлах и сплавах. Киев: Наукова думка, 1979.-С.171-177.

68. Варлимонт X., Дилей Л. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота. -М.: Наука. Физматгиз, 1980,- 205 с.

69. Попов Л.Е., Козлов Э.В. Механические свойства упорядоченных твердых растворов. М.: Металлургия, 1970,- 216 с.

70. Попов Л.Е., Конева H.A., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. М.: Металлургия, 1979,- 256 с.

71. Сагарадзе В.В., Уваров А.Т. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука, 1989,- 270 с.

72. Белоус М.В. Распределение углерода по состояниям при отпуске закаленных сплавов// Металлофизика. 1970, №32.- С.79-82.

73. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращения при отпуске стали. М.: Металлургия, 1973.- 232 с.

74. Иванов Ю.Ф., Гладышев С.А., Попова H.A. и др. Взаимодействие углерода с дефектами и процессы карбидообразования в конструкционной стали //Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов. Тула: ТПИ, 1986.- С. 100-105.

75. Белоус М.В., Молчановская Г.М., Новожилов В.Б. и др. Состояние углерода в холоднодеформированной стали //Металлофизика и новейшие технологии. -1994.- Т. 16, №2.- С.52-60.

76. Теплякова Л.А., Игнатенко Л.Н., Попова H.A. и др. Структурные уровни и пластичность деформированной стали //Дефекты и физико-механические свойства металлов и сплавов. -Барнаул: АПИ, 1987. -С.95-102.

77. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М.: Машиностроение, 1981.- 391 с.79.