Закономерности изменения структурно-фазовых состояний и механических свойств аустенитных сплавов при термомеханической обработке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Тусупжанов Айдын Елеусызович

• Тусупжанов Айдын Елеусызович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Тусупжанов Айдын Елеусызович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РОСТ ЗЕРНА В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

1.1 Понятие сверхпластичности и основные определения

1.1.1 Структурная сверхпластичность и сверхпластичность превращения в неравновесных процессах

1.1.2 Образование неравновесных структурных составляющих при пластической деформации

1.1.3 Особенности определения истинных напряжений при пластической деформации

1.2 Оценка вклада динамического роста зерна при пластической деформации

1.2.1 Критические замечания и альтернативные взгляды на динамический рост зерна

1.2.2 Взгляды на количественный анализ динамического роста зерна

1.2.3 Влияние частиц второй фазы на рост зерна в результате

пластической деформации

Выводы к главе 1 и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материал исследования и обоснование его выбора

2.2 Методики проведения термомеханических обработок и подготовки образцов

2.3 Методика испытания образцов на растяжение при комнатной температуре

2.4 Методика высокотемпературных механических испытаний образцов с определением оптимальных режимов сверхпластичности

2.5 Оптическая микроскопия

2.6 Методика испытания образцов на микротвердость

2.7 Методика структурно-фазовых исследований

2.8 Метод просвечивающей электронной микроскопии

2.9 Метод растровой электронной микроскопии

2.10 Энергодисперсионный микроанализ

2.11 Мёссбауэровская спектроскопия

Выводы к главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТИННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

3.1 Результаты исследований структурно-фазового состояния сплава 67КН5Б после закалки для формирования пересыщенного твердого раствора

3.2 Определение истинных напряжений при сверхпластической

деформации аустенитных сталей и сплавов

Выводы к главе

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ С РАЗЛИЧНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ РАЗМЕРА ЗЕРЕН

4.1 Влияние режимов деформации и отжига на структурно-фазовое состояние и свойства стали 12Х18Н10Т

4.2 Результаты исследований природы второй фазы и особенностей

её выделения в сплаве Со-М-ЫЬ

4.3 Результаты исследований влияния режимов закалки и температурно-скоростных условий деформации на сверхпластичность сплава Со-М-ЫЬ

4.4 Изменение показателя сверхпластичности в зависимости от величины размера зерна в образцах сплава Со-М-ЫЪ

4.5 Апробация результатов экспериментальных исследований и

рекомендации к применению

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Перечень сокращений и условных обозначений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А Справка о промышленном внедрении

Приложение Б Акт о внедрении результатов НИР в учебный процесс

Приложение В Внешний вид образцов сплава 67КН5Б до и после СПД

Приложение Г Вид образца сплава 67КН5Б при СПД

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности изменения структурно-фазовых состояний и механических свойств аустенитных сплавов при термомеханической обработке»

Актуальность темы исследования

В настоящее время в мире особое внимание уделяется технологиям, которые позволяют сберегать энергетические ресурсы. Эффект сверхпластичности (СП) в технологии обработки металлов давлением позволяет за одну операцию получать детали сложной формы, при этом уменьшаются энергозатраты, трудоемкость и стоимость изготовления изделий, а также повышается коэффициент использования материала.

Особый интерес представляют аустенитные стали и сплавы, которые применяются для изготовления деталей, работающих на ответственных участках. Однако все ещё недостаточная изученность физической природы эффекта СП сплава, влияния вторичных фаз на СП, а также технологические трудности получения ультрамелкозернистых (УМЗ) структур, необходимых для реализации структурной СП, выступают сдерживающими факторами при внедрении этого эффекта в реальное производство.

Для успешного выбора технологии и режимов термомеханической обработки, ведущих к получению оптимальных механических свойств сплава, необходимо знание структурных и фазовых превращений в них. В связи с этим установление закономерностей изменения структурно-фазовых состояний и механических свойств сплавов при термомеханической обработке актуально и имеет большое практическое значение.

Степень разработанности темы

Большой вклад в исследование эффекта СП внесли отечественные ученые в частности широкий круг экспериментальных работ и их описание были проведены учеными института проблем сверхпластичности металлов О.А. Кайбышевым, И.И. Новиковым, Р.Р. Мулюковым, Р.З. Валиевым, А.П. Жиляевым и др.

Вклад в исследование динамического роста зерна при пластической деформации внесли П. Коттерилл, П. Р. Моут, П. Бейт, К. Курибаяши, Г.С. Ванг, Ф. Ли, А.К. Гош и др.

Дж. С. Лангер внес серьезный вклад в термодинамическую теорию дислокационной пластичности и ввел понятие сдвиговых трансформационных зон. Согласно Дж. Лангеру, управление структурой и свойствами напрямую зависит от фазовых и структурных превращений при кристаллизации, проходящей в условиях градиентов концентраций, температур и напряжений.

Эксперименты и теория пластического течения материала при деформации представлены в работах А.М. Глезера, В.А. Плотникова и В.Е. Панина.

В.Е. Панин посвятил свои работы формированию наноструктурных образований в условиях градиентных полей напряжений.

Но, несмотря на широкое практическое применение и исследование коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т и дисперсионно-твердеющего сплава 67КН5Б (Со-М-ЫЬ), не все особенности структурных и фазовых превращений в них хорошо изучены. В частности, недостаточно сведений о влиянии структурно-фазовых превращений на сверхпластические и прочностные свойства, о механизмах сверхпластической деформации (СПД) и изменения напряжения течения в результате СПД.

Цели и задачи: установление механизмов сверхпластической деформации и закономерностей влияния фазового состава и разномасштабных структурных составляющих на пластичность аустенитных сплавов 67КН5Б и 12Х18Н10Т.

Для достижения цели был сформулирован и решен ряд научных задач:

1. Разработать метод определения истинных напряжений при сверхпластической деформации материалов.

2. Выявить особенности влияния структуры и фазового состава на СПД сплавов 67КН5Б и 12Х18Н10Т, а также определить рациональный режим сверхпластической деформации.

3. Исследовать процессы структурообразования на разномасштабных уровнях при пластической деформации сплавов 67КН5Б и 12Х18Н10Т, в

условиях градиентных полей напряжений, создаваемых при пластической деформации.

4. Выявить механизмы сверхпластической деформации сплава 67КН5Б и определить их вклады в общую деформацию, а также развить модельные представления особенностей структурообразования в сплаве 67КН5Б.

5. Разработать и апробировать в промышленных условиях способ термомеханической обработки для увеличения срока службы упруго-чувствительных элементов из сплава 67КН5Б.

Научная новизна и теоретическая значимость

Научная новизна диссертационного исследования определяется следующими результатами:

- разработан экспериментальный метод, позволяющий определить изменение истинных напряжений при сверхпластической деформации материалов и их стадийность;

- установлено, что кривые истинных напряжений стали 12Х18Н10Т и сплава 67КН5Б, построенные по разработанной методике, имеют несколько «пиков» на кривой нагружения, напряжения аномально повышаются в предразрушительном этапе деформации и наиболее выражены при рациональных режимах СП;

- выявлено, что снижение температуры закалки и увеличение степени деформации при предварительной обработке Со-М-ЫЬ сплава приводит к существенному увеличению показателя сверхпластичности (относительное удлинение) до 1140 %, а также к снижению оптимальной температуры испытаний от 930 0С до 870 0С.

- экспериментально доказано появление мезосубструктуры в виде выделений в ГПУ -фазе, такая мезосубструктура определяет предел измельчения зерен материала в условиях СПД;

- экспериментально выявлены условия возникновения неравновесных мартенситных фаз в стали 12Х18Н10Т при переходе у-Ре в а'-фазу при пластической деформации, которая инициирует в стали 12Х18Н10Т обратный

переход а'- фазы в у^ при повышении температуры (сверхпластичность превращения);

- установлено влияние начального размера зерна на вклады различных механизмов в общую деформацию, при уменьшении размеров зерен от 12 до 2,7 мкм проявляется СП превращения в сплаве 67КН5Б, при этом вклад ЗГС повышается от 60% до 68%;

- аккомодационным процессом деформации является аномально быстрый массоперенос атомов по границе зерна по эстафетному механизму, инициируемый растворением частиц второй фазы при СПД превращения в сплаве

- Установлены искривления кристаллической решетки порядка нескольких десятков градусов на микрометр, происходящие при СПД. В условиях кривизны кристаллической решетки возникают наномасштабные и мезомасштабные структурные состояния, необходимые для реализации неравновесных структурно-фазовых переходов.

Практическая значимость работы

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы:

- при изготовлении деталей сложной формы обработкой материалов давлением с использованием эффекта СП, что позволит сберегать энергоресурсы, трудозатраты и ресурсозатраты;

- при прогнозировании механических свойств сплава 67КН5Б;

- определенные в работе рациональные режимы СП и структурно-фазовые изменения являются основой для оптимизации эксплуатационных свойств деталей и изделий, исследуемых аустенитных сплавов.

Методология и методы исследования

Для исследования использованы методы растровой электронной микроскопии с микроанализом и рентгеноструктурный анализ.

Деформационная обработка проводилась на стандартном прокатном стане. Термическая обработка образцов проводилась в вакууме в трубчатой печи «СУОЛ-4». Исследование микроструктуры было выполнено на сканирующих

электронных микроскопах JSM-6390LV, Hitachi ТМ3000 с микроанализаторами. Анализ фазового состояния образцов проводили на рентгеновских дифрактометрах «Дрон-3» и X'PertPRO. Пластическую деформацию проводили на разрывной машине типа 1246Р с возможностью высокотемпературных испытаний в глубоком вакууме. Измерения микротвердости образцов проводили на микротвердомере ПМТ-3.

Положения, выносимые на защиту

1. Эффект аномального повышения истинных напряжений при СПД для сплавов 67КН5Б и 12Х18Н10Т в предразрушительном этапе деформации.

2. Структурные неустойчивости, возникающие в процессе СПД в сплаве 67КН5Б, снижают порог прохождения фазовых превращений и температуру сверхпластичности, а также увеличивают относительное удлинение при сверхпластичности за счет аномально быстрого массопереноса.

3. Механизмы сверхпластической деформации сплава Co-Ni-Nb с разным исходным размером зерна.

4. Научное обоснование интервала проявления сверхпластичности (780-970 °С) сплава Co-Ni-Nb после закалки при 950 °С (10 мин) и деформации со степенью обжатия 90%.

5. Эффект повышения пластичности с 780% до 1140%, за счет уменьшения размера зерна в 3,5-4 раза при снижении температуры закалки сплава с 1150 °С до 950 °С.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена:

- применением современных методов исследования в физике конденсированного состояния: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, прецизионные методы рентгеноструктурного анализа, методы механических испытаний;

- корректностью постановки задач и обоснованным выбором материала исследования;

- достаточным объемом экспериментальных данных и их непротиворечивостью фундаментальным положениям физики

конденсированного состояния.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и российских конференциях: 7-ой международной конференций ядерная и радиационная физика ICNRP'09 2009г., Казахстан, Алматы; Открытой школе конференции стран СНГ «Ультра мелкозернистые и наноструктурные материалы», Россия, Уфа 2010; II-ой Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Единство образования, науки и инноваций», Казахстан, Усть-Каменогорск, 2011г.; 11-ой международной научно-технической конференции студентов магистрантов, аспирантов и молодых преподавателей «Творчество молодых инновационному развитию Казахстана», Казахстан, Усть-Каменогорск, 2011г.; 2-ой международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновации, технологии и экономика машиностроения», Россия, Юрга 2011г; «Международной конференций по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов», Россия, Томск, 2011г; Central European school on physical organic Chemistry "From molecule to material. Chemistry for the future", Przesieka, 2013; Международной научно-практической конференций «Увалиевские чтения-2018» Казахстан, Усть-Каменогорск 2018; Международной конференций «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» Россия, Томск, 2016; Открытая школа-конференция стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы", Уфа, Россия, 2016; Международной конференций «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» Россия, Томск, 2017; Открытая школа-конференция стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы", Уфа, Россия, 2017; Международной конференций «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» Россия, Томск, 2018;

Открытая школа-конференция стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы", Уфа, Россия, 2018;

Публикации. Результаты работы представлены в 22 публикациях, в том числе 7 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, в 2-х изданиях, входящих в перечень Scopus и Web of Science, в 3-х патентах и монографиях.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в формулировке проблемы, определении цели и задач исследований, выборе, подготовке и исследовании образцов, анализе полученных результатов, обработке и анализе результатов экспериментальных исследований, написании статей и тезисов, формулировании основных выводов и положений, выносимых на защиту.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления», «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами», «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния» специальности 01.04.07-Физика конденсированного состояния.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, выводов, списка литературы из 187 наименований, изложена на 122 страницах машинописного текста и содержит 34 рисунка, 2 таблицы.

ГЛАВА 1. СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РОСТ ЗЕРНА В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

1.1 Понятие сверхпластичности и основные определения

Сверхпластичность (СП) - эффект необычайно высокой пластичности, присущий всем известным типам поликристаллов, как металлам, так и керамике, а также стеклам [1]. В 40-е годы ХХ века в работах академика А.А. Бочвара было открыто явление СП двухфазных цинк-алюминиевых сплавов, введено в науку само это понятие и выдвинута гипотеза о механизме сверхпластической деформации (СПД) [2, 3, 4]. Изменения, происходящие в свойствах различных металлов после пластической деформации и последующей термической обработки, наблюдались в ранних работах [5]. В 20-м веке ранние наблюдения были преобразованы в «законы рекристаллизации» и дополнены взглядами на теорию роста зерен [6].

Большой вклад в исследование теории и практики пластической деформации внесли такие ученые как О.А. Кайбышев [7], И.И. Новиков [8], Р.З. Валиев [9] и В.Е. Панин [10].

В последнее время развиваются новые взгляды на процессы деформации, в том числе физическая мезомеханика [10], активно развиваемая В. Е. Паниным и его научной школой. В физической мезомеханике деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая иерархически организованная система. При этом большое внимание уделяется проблеме нелинейности поведения твердого тела при пластической деформации, так как она не может быть решена в рамках неизменной структуры трансляционно-инвариантного кристалла [1 1].

Сверхпластичность проявляется у материалов с малым размером зерна, обычно менее 10 мкм, когда они деформируются в диапазоне скоростей деформации от 10-5 с-1 до 10-2 с-1 при температурах, превышающих половину их температуры плавления (Т=0,4-0,6 Тпл). Сверхпластическая деформация

характеризуется низкими напряжениями текучести и равномерностью пластического течения, что делает коммерчески привлекательными такие технологии, как сверхпластичная ковка и диффузионное соединение в сочетании со сверхпластичным формованием. Как отмечается в [12-14], подготовленная к СП структура материалов также может обеспечивать улучшенные физико-механические свойства готовых изделий. Например, для некоторых подготовленных к СП двухфазных сплавов (системы Ni-Cr, Ni-Mo, Al-Si) при повышенных температурах наблюдаются высокие показатели пластичности, а при пониженных температурах - высокая прочность [12].

На практике сверхпластические удлинения достигаются в ограниченном диапазоне скоростей деформации и температур [15]. Среди большого числа процессов, связанных с применением сверхпластичности особую роль занимают такие процессы как пневмоформовка, штамповка под давлением и соединение материалов. Изменение микроструктуры, структурно-фазового состояния и механизмы пластической деформации еще предстоит объяснить, поскольку это связано с деформацией в сверхпластических условиях при высоких температурах. Измельчение зерна в материалах приводит к увеличению скорости деформации и снижению температуры, при которой появляется сверхпластичность [16, 17]. Согласно работе [18] различают структурную сверхпластичность и сверхпластичность превращения.

1.1.1 Структурная сверхпластичность и сверхпластичность

превращения в неравновесных процессах

Структурная сверхпластичность свойственна металлам и сплавам с очень мелким равноосным зерном, а сверхпластичность превращения проявляется во время фазового превращения в процессе деформации, независимо от исходного размера и формы зерен. Структурная СП позволяет рассматривать СП как универсальное состояние материалов, наблюдающееся при ультра мелкозернистой (УМЗ) структуре (d < 10 мкм), температуре (0,5 - 0,8 Тпл),

скоростном интервале (10-5 - 10-1 с-1). Это явление родственно ползучести, однако, отличается от нее большей чувствительностью напряжения течения к скорости деформации. Главным отличием СПД от обычной пластической деформации является высокая устойчивость течения, поэтому рассмотрим вначале феноменологические параметры, которые обусловливают поведение материала

[19].

Результаты экспериментальных и теоретических исследований в области структурной сверхпластичности приведены во многих работах, в том числе обобщен в [1,7, 8, 20, 21].

В работе [22], рассматривается устойчивость течения при растяжении материалов, подверженных деформационному и скоростному упрочнению, автор сформулировал смысл соответствующих феноменологических параметров материала и использовал их для установления границы перехода от стабильного (равномерного) к нестабильному (локализованному) течению [23].

В работе [22] сделано предположение, что деформация устойчива, если скорость сужения в точке исходных геометрических несовершенств не превышает скорости сужения в однородной части образца. В противном случае деформация локализуется с последующим разрушением в области шейки. Деформация устойчива, если

Г+т>1, (1)

где у - безразмерный коэффициент деформационного упрочнения,

1 й1 а а п

У=---- = - • (2)

£ й1 д £ £

где показатель деформационного упрочнения п находится из соотношения:

й1 а а йа £ ,„ч

П = —— ----, (3)

й1 д £ й й£

Течение начнет локализоваться при деформации

п У „л

£ = (4)

где показатель скоростного упрочнения т (или показатель скоростной чувствительности напряжения течения) определяется как

й1 д а /сч

т = ——, (5)

й1 д £

Физический смысл влияния показателя т на способность Сверхпластичных материалов к равномерной деформации состоит в том, что локальное повышение скорости деформации в шейке требует повышения напряжения для дальнейшего её развития из-за высокой скоростной чувствительности напряжения течения. Приложенное напряжение оказывается меньше требуемого для развития шейки, поэтому течение концентрируется в другой части образца.

Высокая чувствительность показателя т к разным изменениям структуры подтверждает, что он является определяющим признаком сверхпластического состояния. Однако показатель т служит мерой сопротивления материала развитию шейки и не может быть критерием пластичности вязких материалов.

Для Сверхпластичных материалов характерно сочетание трех свойств: большого относительного удлинения 5, низкого напряжения течения и высокого показателя т. Поэтому к показателям, по которым оценивают СП материалов, относят относительное удлинение образцов до разрыва 5 и показатель скоростного упрочнения т.

Основная часть работ посвящена изучению структурной сверхпластичности, а сверхпластичность превращения изучена слабо [24, 25].

СП превращения наблюдается в процессе фазового превращения при деформации полиморфных металлов и сплавов. Внешние условия приводят к

образованию внутренних напряжений, не зависящих от внешнего напряженного состояния, например, в металлах с большим коэффициентом термического расширения при циклических изменениях температуры. В некоторых материалах СП проявляется при облучении нейтронами [26]. Другим примером является СП в случае превращения, наблюдаемая в железе [27] при деформации в условиях циклических изменений температуры вблизи температуры аллотропического превращения. Во время аллотропического превращения возникают такие внутренние дефекты как поры, трещины, расслоение, что резко снижает эксплуатационную стойкость материала [28].

По мнению авторов [14, 26] СП превращения обусловлена изменением относительных объемов фаз Аи/и в процессе циклирования температуры. Из-за разности удельных объемов превращающихся и вновь образующихся фаз возникают внутренние напряжения, которые, складываясь с внешней нагрузкой, вызывают пластическое течение материала. Зависимость между деформацией одного цикла и изменением относительного объема фаз имеет вид:

. Л-в а , Aß ,

£с = к(—т + вТ> (6)

где А - постоянная, равная примерно 2/3;

В - постоянная, зависящая от геометрии фронта превращения; аТ - предел текучести менее прочной фазы, МПа.

Значительный вклад в развитие исследований СП превращения металлов и сплавов внесли казахстанские ученые под руководством профессора А.А. Преснякова [27, 28]. Ими была исследована СП закаленных, горячедеформированных и отожженных сплавов, в частности эвтектоида алюминий-цинк, эвтектики олово-свинец, а также чистых металлов - медь, свинец, алюминий. Авторы считают, что основной причиной возникновения СП сплавов является их метастабильное состояние, способствующее развитию при деформации структурных и фазовых превращений, таких как эвтектические,

эвтектоидные, перитектические, перитектоидные, полиморфные, в том числе и скрытые, а также первичная и собирательная рекристаллизации.

В 50-60-х годах ХХ века А.А. Пресняков со своими сотрудниками установили принципиально важный факт, что относительное удлинение проходит через максимум с увеличением скорости деформации [29].

Большое сопротивление образованию шейки было объяснено высокой чувствительностью напряжения течения а к скорости деформации s :

а = к^ sт, (7)

где к - эмпирическая константа;

m - показатель скоростной чувствительности напряжения течения.

Наиболее полный обзор теоретических и экспериментальных работ по проблеме СП материалов проведен в работах [14-38].

Авторами работы [38] установлено, что в зависимости от условий обработки меняется и внешний вид образцов при СПД. Горячекатанный эвтектоид продолжительное время растягивается с последовательным образованием и замораживанием локальных очагов деформации. При этом наблюдалось колебание истинных напряжений около определенного уровня, сменяющееся монотонным упрочнением. Внешне образец выглядел равномерно растянутым. Хотя при внимательном рассмотрении на нем обнаружены заторможенные шейки.

При деформации в зонах стыка границ зерен образуются концентраторы напряжении что приводит к образованию неравновесных структурных составляющих.

1.1.2 Образование неравновесных структурных составляющих при пластической деформации

Пластическое течение твердого тела на различных масштабных уровнях и в различных условиях нагружения осуществляется путем зарождения и движения деформационных дефектов и зернограничного проскальзывания. В нагруженном кристалле при пластическом сдвиге происходит локальное структурное превращение. Данные превращения проходят в зонах локализации концентраторов напряжении любого масштаба, которая определяет механизмы пластической деформации и разрушения. В зонах локализации концентраторов напряжении в результате растяжения происходит увеличение молярного объема и «эффективной температуры» что приводит к производству энтропии. Увеличение энтропии приводит к образованию новых неравновесных фаз [39]. Структурно-фазовые переходы зарождаются на концентраторах напряжений различного масштаба и развиваются в полях градиентов напряжений как автоволновой релаксационный процесс распространения потоков различного рода дефектов кристаллической решетки [40].

Необходимость описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы в настоящее время является общепризнанной. Как правило, под многоуровневостью понимается иерархия масштабов потери сдвиговой устойчивости внутренней структуры в локальных зонах нагруженного материала на нано-, микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Неравновесная термодинамика локальных структурных превращений в таких зонах потери сдвиговой устойчивости связана с рассмотрением в них соответствующих локальных неравновесных термодинамических потенциалов Гиббса. Однако в рамках физической мезомеханики многоуровневость связана со структурной неоднородностью твердого тела, в котором различные структурные подсистемы имеют различную сдвиговую устойчивость. Связанная с ней несовместность упругой деформации различных структурных подсистем обусловливает возникновение в нагруженном твердом теле концентраторов напряжений различных масштабов, которые, в свою очередь, определяют масштабные уровни пластической деформации и разрушения твердых тел [41]. Все неравновесные

явления носят пороговый характер. Они начинают проявляться при достижении системы некоторого критического значения одного или нескольких параметров.

В процессе пластической деформации на большие степени идет образование и самоупрочнение шеек, что свидетельствует о неравномерном растяжении. Неравномерное растяжение приводит к образованию неравновесных структур. Неравновесные условия порождают неоднородные структуры. Поэтому нельзя описывать процессы СПД с позиции физики или динамики сплошной среды. Исходя из выше сказанного нами было предположено, что в процессе СПД напряжение меняется неравномерно. Параметром, который претерпевает неустойчивость при достижении критической нагрузки, является истинное напряжение течения.

1.1.3 Особенности определения истинных напряжений при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тусупжанов Айдын Елеусызович, 2021 год

- 64 с.

114. Баранова Л. В. Металлографическое травление металлов и сплавов : справочник / Л. В. Баранова, Э. Л. Демина. - М. : Металлургия, 1986. - 256 с.

115. Беккерт М. Способы металлографического травления / М. Беккерт, Х. Клемм : пер. с англ. Н. И. Туркиной. - М. : Металлургия, 1988. - 399 с.

116. Практические вопросы испытания металлов : перев. с нем., под ред. О. П. Елютина. - М. : Металлургия, 1979. - 280 с.

117. Харитонов Л. Г. Определение микротвердости / Л. Г. Харитонов. - М. : Металлургия, 1967. - 46 с.

118. Уманский Я. С. Кристаллография рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - М. : Металлургия, 1982. - 631 с.

119. Горелик С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - М. : МИСИС, 2002. - 360 с.

120. Уманский Я. С. Рентгенография металлов и полупроводников / Я. С. Уманский. - М. : Металлургия, 1963. - 456 с.

121. Утевский Л. М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении / Л. М. Утевский. - М. : Металлургия, 1973. - 584 с.

122. Китайгородской А. И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел. - М. : Гостехтеориздат, 1952. - 588 с.

123. Бокий Г. Б. Рентгеноструктурный анализ : в 2-т. / Г. Б. Бокий, М. А. Порай-Кошиц : ред. Н. В. Белов. - 3-е. изд. - М. : МГУ, 1964. - Т. 1. - 490 с.

124. Пинес Б. Я. Лекции по структурному анализу / Б. Я. Пинес. - 3-е. изд.

- Харьков : Изд. ХГУ, 1967. - 476 с.

125. Миркин Л. И. Рештеноструктурный контроль машиностроительных материалов : справочник / Л. И. Миркин. - М. : Изд. МГУ, 1976. -140 с.

126. Миркин Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Л. И. Миркин. - М. : Физматгиз, 1961. - 863 с.

127. Русаков А. А. Рентгенография металлов : учебник для вузов / А. А. Русаков. - М. : Атомиздат, 1977. - 480 с.

128. Горелик С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Е. Н. Расторгуев. - М. : МИСИС, 1994. -328 с.

129. Woolfson M.M. An introduction to X-ray crystallography / M. M. Woolfson. - Cambridge : Cambridge University Press, 1997. - 414 p.

130. Zachariasen W. H. Theory of X-Ray Diffraction in Crystals / W. H. Zachariasen. - Mineola : Dover Publications, 1967. - 280 p.

131. Ladd M. Structure Determination by X-ray Crystallography / M. Ladd, R. Palmer. - New York : Kluwer Academic, Plenum Publishers, 2003. - 819 p.

132. Hasek J. X-Ray And Neutron Structure Analysis In Materials Science / J. Hasek. - New - York ; London: Plenum Press, 1989. - 406 p.

133. Waseda Y. Diffraction Crystallography. Introduction, Examples and Solved Problems / Y. Waseda, E. Matsubara, K. Shinoda. - Berlin : Springer, 2011. -310 p.

134. Пилянкевич А. Н. Практика электронной микроскопии / А. Н. Пилянкевич. - М. : МАШГИЗ, 1961. - 176 c.

135. Утевский Л. М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении / Л. М. Утевский. - М. : Металлургия, 1973. - 583 c.

136. Кристаллография, рентгенография электронная микроскопия / Я. С. Уманский и др. - М. : Металлургия, 1982. - 631 c.

137. Смирнова А. В. Электронная микроскопия в металловедении : справочник / А. В. Смирнова. - М. : Металлургия, 1986. -191 c.

138. Хейденрайх Р. Основы просвечивающей электронной микроскопии / Р. Хейденрайх. - М. : Мир, 1966. - 471 с.

139. Хирш П. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, и др. - М. : Мир, 1968. - 574 c.

140. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии / Г. Шиммель. - М. : Мир, 1972. - 300 c.

141. Томас Г. Просвечивающая электронная микроскопия металлов / Г. Томас, М. Дж. Гориндж. - М. : Наука, 1983. - 320 с.

142. Амелинкс С. Дифракционные и микроскопические методы в материаловедении / С. Амелинкс. - М. : Металлургия, 1984. - 502 c.

143. Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения / Дж. Спенс. - М. : Наука, 1986. - 320 c.

144. Jackson A. G. Handbook of Crystallography For Electron Microscopists and Others / A. G. Jackson. - New-York : Springer-Verlag, 1991. -210 p.

145. Синдо Д. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия / Д. Синдо, Т. Оикава. - М. : Техносфера. 2006. - 249 c.

146. Эгертон Р. Ф. Физические принципы электронной микроскопии / Р. Ф. Эгертон. - М. : Техносфера, 2010. - 304 с.

147. Фульц Б. Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов / Б. Фульц, ДжМ. Хау. - М. : Техносфера, 2011. -904 с.

148. Andrews K.W. Interpretation of Electron Diffraction Patterns / K. W. Andrews, D. J. Dyson, S. R. Keown. - Berlin : Springer, 1967. -188 p.

149. Dorset D. Structural electron crystallography / D. Dorset. - Berlin : Springer, 1995. - 452 p.

150. Shindo D. High-Resolution Electron Microscopy for Materials Science / D. Shindo. - Berlin : Springer, 1998. - 190 p.

151. Ernst F. High-Resolution Imaging and Spectrometry of Materials / F. Ernst, M. Ruhle, С. Science. - Berlin : Springer, 2003. - 440 p.

152. Weirich T. Electron Crystallography / T. Weirich. - Berlin : Springer, 2006. - 536 p.

153. Williams D. B. Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science / D. B. Williams, C. B. Carter. - Berlin : Springer, 2009. - 760 p.

154. Reimer L. Transmission Electron Microscopy. Physics of Image Formation / L. Reimer. - Berlin : Springer, 2009. - 587 p.

155. Pennycook S. STEM Imaging and analisys / S. Pennycook. - Berlin : Springer, 2011. - 762 p.

156. Rong Y. Characterization of Microstructures by Analytical Electron Microscopy (AEM) / Y. Rong. - Berlin : Springer, 2012. - 552 p.

157. Thomas J. Analytical Transmission Electron Microscopy / J. Thomas. -Berlin : Springer, 2014. - 348 p.

158. Фрайштат Д. Реактивы и препараты для микроскопии / Д. Фрайштат. - М. : Химия, 1980. - 480 c.

159. Jeanne A. Sample Preparation Handbook for TEM. Techniques / A. Jeanne. - Berlin : Springer, 2010. - 338 p.

160. Jeanne A. Sample Preparation Handbook for TEM. Methodology / A. Jeanne. - Berlin : Springer, 2010. - 350 p.

161. Голдштейн Дж. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ : в 2-х кн. / Дж. Голдштейн. - М. : Мир, 1984. - Кн. 1. - 304 с.

162. Голдштейн Дж. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ : в 2-х кн. / Дж. Голдштейн. - М. : Мир, 1984. - Кн. 2. - 348 с.

163. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ / М. М. Криштал и др. - М. : Техносфера, 2009. - 208 с.

164. Глоэр О. М. Практические методы в электронной микроскопии. / М. Глоэр Одри. - Л. : Машиностроение, 1980. - 375 с.

165. Reimer L. Scanning Electron Microscopy. Physics of Image Formation and Microanalysis / L. Reimer. - Berlin : Springer, 1985. - 527 p.

166. Weilie Z. Scanning Microscopy for Nanotechnology. Techniques and Applications /Z. Weilie, L. W. Zhong. - Berlin : Springer, 1985. - 522 p.

167. Newbury D. Advanced scanning electron microscopy and X-ray microanalysis / D. Newbury. - New York : Springer Science ; Business Media, 1986. -454 p.

168. Bjerregaard L. Metalog Guide / L. Bjerregaard. - Rodovre : Struers, 2002. - 114 p.

169. Buehler Sum Met. The Sum Of Our Experience. A Guide to Materials Preparation & Analysis. - Düsseldorf : Buehler, 2013. - 150 p.

170. Echlin P. Handbook of Sample Preparation for SEM and X-Ray Microanalysis / P. Echlin. - Berlin : Springer, 2009. - 330 p.

171. Голдштейн Дж. Практическая растровая электронная микроскопия / Дж. Голдштейн. - М. : Мир, 1978. - 656 с.

172. Белозерский Г. Н. Мёссбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхности / Г. Н. Белозерский. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

173. Investigation of the structural-phase state under superplastic deformation of the Co-Ni-Nb alloy / A. Tussupzhanov, D. Yerbolatuly, L. I. Kveglis, A. Zak and A. Filarowski // Phase Transitions. - 2019. - P. 1-10.

174. Структурно-фазовые состояния и напряжение течения при пластической деформации стали 12Х18Н10Т / А.Е. Тусупжанов, Д. Ерболатулы, Л.И. Квеглис // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(4), -С. 438-448.

175. Investigation of Structural-Phase States and Features of Plastic Deformation of the Austenitic Precipitation-Hardening Co-Ni-Nb Alloy / A. E. Tussupzhanov, D. Yerbolatuly, L. I. Kveglis, A. Filarowski // Metals. - 2018. - P. 8 -19.

176. Эволюция структуры и механизмы сверхпластической деформации сплавов на Ni-Cr и Co-Ni основах / В. С. Гребнева, Д. Л. Алонцева, Д. Ерболатулы, А. Е. Тусупжанов // Вестник КазНУ, Cерия физ., №1(19). - Алматы, 2005. - С. 7782

177. Структурно-фазовое превращение в зонах локализации пластической деформации в сплаве Co-Ni-Nb / А. Е. Тусупжанов, Д. Ерболатулы, А. Жак, Л. И.

Квеглис // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2019. - T. 16. - №2. - C. 215-222.

178. Features of Structural-Phase Change of Austenitic Steel 110G13L after Deformation / A. M. Zhilkashinova, A. E. Tussupzhanov, A. V. Pavlov, Zh. Zhakipbekov // Applied Science and Advanced Materials International. - 2015. - Vol. 2 (1). - P. 3 - 6.

179. Создание поперечно-винтовой прокаткой многоуровневой иерархической мезосубструктуры и ее влияние на механическое поведение аустенитной стали / Н. С. Сурикова и др. // Физическая мезомеханика. -2018. -Т21(3). - С. 36-47.

180. Langer J. S. Dynamic Model of Super-Arrhenius Relaxation in Glassy Materials / J. S. Langer, A. Lemaitre // arXiv : cond-mat 2004 / 0411038v1

181. Панин В. Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / В. Е. Панин и др. - Новосибирск : Наука,1990. - 225 с.

182. Хирт Д. Теория дислокаций / Д. Хирт. - М. : Атомиздат, 1972. - 600 c.

183. Matsukawa Y. Dynamic observation of the collapse process of a stacking fault tetrahedron by moving dislocations / Y. Matsukawa, S. J. Zinkle // Journal of Nuclear Materials. - 2004. - №2. - P. 919-923.

184. Новая мода мезоуровня деформации механизмами динамических фазовых превращений в полях напряжений / А. Н. Тюменцев и др. // Физическая мезомеханика. - 2003. - Т6. - №2. - C.15-36.

185. Штамп для равноканального углового прессования: патент №2791 Республики Казахстан / Д. Ерболат^лы, И. А. Очередько, А. Е. Тусупжанов; заявитель и патентообладатель Восточно-Казахстанский государственный университет имени С.Аманжолова. Заяв.№2017/0207.2, 05.04.2017 ; опубл. 16.04.2018

186. Способ нанесения износостойкого покрытия на металлическую подложку: патент №102298 Республики Казахстан / А. М. Жилкашинова, А.В. Павлов, А. Е. Тусупжанов, С.К. Кабдрахманова, А.В. Троеглазова, Д. Ерболатулы; заявитель и патентообладатель Восточно-Казахстанский государственный

университет имени С.Аманжолова. Заяв.№2016/0864.1, 03.10.2016 ; опубл. 23.04.2018

187. Центробежный насос: патент №2954 Республики Казахстан / Д. Ерболат^лы, И. А. Очередько, А. Е. Тусупжанов; заявитель и патентообладатель Восточно-Казахстанский государственный университет имени С.Аманжолова. Заяв.№2017/0597.2, 18.09.2017 ; опубл. 12.06.2018

Приложение А. Справка о промышленном внедрении

Приложение Б. Акт о внедрении результатов НИР в учебный процесс

Результаты научнс-нсследовательской работы «Разработка способа тсрмомсханичсской обработки д."я увеличения длительности работы упруго чувствительного элемента» выполненная коллективом аптороп под руководством д.ф.-м.н. Кесглпс Л И., отвсгствснный исполнитель Тусупжаноп А.Е. и монографии «Технологические приемы упрочнения металлов», «Исследование механических свойств и структурно-фазового состояния аустениткых сплавов и сталей после упрочняющих обработок» ювторы: Езболатулы Д., Ерболатова Г.У, Тусупжанов А.Е.) внедрены в 2018-2019 уч.году в учебный п(юцесс по решению кафедры «Инженерии и технологий».

Указанные результата используются в учебном процессе при подготовке студентов, обучающихся по специальности «5В071000 -Г/а1ериаловеденис и технологи>: новых магериалов» и включены в курс лекций и практических заданий по дисциплинам «Фимка шердош гсла», «Физика конденсировании! о сосюмннм».

В результате внедрения повысилась научно-методическая обеспеченность указанных курсов и эффективность их изучения.

Заведующий кафедрой

УТВЕРЖДАЮ

.учебно-методической работе

внедрения результатов НИР в учебряГ процесс

инженерии и технологий

Декан факультета естественных наук н технологий

М. Мадия ров

Приложение В. Внешний вид образцов сплава 67КН5Б до и после сверхпластической деформации при различной температуре

а - после сверхпластической деформации при 900 °С; б - после сверхпластической деформации при 870 °С; в - после сверхпластической деформации при 850 °С; г - до сверхпластической деформации

Приложение Г. Вид образца сплава 67КН5Б при СПД ( 870 °С и ё =0,72-10"3 с-1. Предварительная обработка: закалка от 950 °С (10 мин), деформация со степенью обжатия 90%