ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ ТИПА 08Г2Б С УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРОЙ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК
В последние годы при строительстве топливопроводов, зданий, судов и т.д. во все возрастающих объемах используется толстолистовой прокат из высокопрочных сверхнизкоуглеродистых сталей типа 08Г2Б (группа прочности К65(Х80) и выше). Ключевым вопросом их использования является стабильность функциональных свойств. Однако современные высокопрочные строительные стали в силу технологии производства толстого листа, сверхмелкого зерна с повышенной плотностью дислокаций предрасположены к деформационному старению (ДС), способному привести к деградации функциональных свойств и повреждению защитного покрытия. Это вызвало пристальное внимание к эффекту деформационного старения в высокопрочных сталях, возможности минимизировать и даже подавить его, а главное, к влиянию ДС на комплекс свойств в процессе производства и эксплуатации конструкций.
Несмотря на интенсивные исследования на протяжении многих десятилетий в этом направлении, весьма удачные модели, дающие трактовку с общих позиций, эффект деформационного старения требует детального экспериментального изучения для сплавов с различной основой, в том числе строительных сталей нового поколения. Это позволит сформулировать рекомендации по возможности управления данным эффектом после различных температурно-деформационных воздействий и в итоге дать научно обоснованный прогноз длительной безаварийной эксплуатации строительных конструкций.
Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленных в ней цели и задач.
Степень разработанности темы исследования
Подавляющее большинство структурных исследований, в том числе на сталях группы прочности К65(Х80), ограничивалось изучением деформационного старения (полос Чернова-Людерса) в пределах площадки текучести, хотя для понимания влияния ДС на уровень свойств необходимо рассмотрение пластического течения и разрушения на всех стадиях деформации растягиваемого образца.
На сегодняшний день имеется крайне малое количество исследований особенностей деформации Людерса в сталях с различным структурно-фазовым состоянием, например, с различной плотностью дислокаций и закрепляющих их карбидных частиц.
Отсутствуют сравнительные данные по проявлению эффекта деформационного старения в плоских образцах, на которых выполнено большинство структурных исследований, и в цилиндрических образцах, широко используемых для оценки механических свойств.
На сталях группы прочности К65(Х80) не имеется в полном объеме исследований влияния режимов термообработки, включающих нагрев и охлаждение с различными скоростями в диапазоне температур до Ас1, а также в межкритический интервал.
Целью работы явилось изучение деформационного старения в сталях типа 08Г2Б, его влияния на все стадии растяжения образцов в различном структурно-фазовом состоянии и комплекс механических свойств.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. С помощью метода корреляции цифровых изображений исследовать формирование и распространение полос Чернова-Людерса (ПЧЛ) в образцах, испытавших нагрев и охлаждение с различными скоростями в интервале температур от 100 до 1000°С.
2. Выявить основные факторы эффекта деформационного старения, влияющие на величину и распределение деформации в растягиваемых образцах, а также на уровень механических свойств.
3. Разработать необходимый для оценки состояния металла после изготовления и/или эксплуатации элементов строительных конструкций параметр В, характеризующий по изменению механических свойств как плоских, так и цилиндрических образцов для растяжения величину деформационного старения.
4. Установить режимы термообработки, приводящие к минимизации или устранению эффекта деформационного старения (ЭДС), а также температурные интервалы нагрева/охлаждения, при попадании в которые стали типа 08Г2Б испытывают снижение вязкости.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
- впервые с привлечением метода корреляции изображений прослежено возникновение и функционирование каналов течения на всех стадиях растяжения плоских образцов;
- показано, каким образом различные механизмы деформации Людерса определяют месторасположение в образце шейки и магистральной трещины, а также задают комплекс механических свойств;
- выделен период II на сосредоточенной стадии деформации плоских образцов, начало и протяженность которого может использоваться в качестве критерия трещиностойкости сталей группы прочности К65(Х80);
- выявлены основные факторы эффекта деформационного старения, влияющие на комплекс механических свойств сталей типа 08Г2Б.
Несмотря на интенсивные исследования на протяжении многих десятилетий в этом направлении, весьма удачные модели, дающие трактовку с общих позиций, эффект деформационного старения требует детального экспериментального изучения для сплавов с различной основой, в том числе строительных сталей нового поколения. Это позволит сформулировать рекомендации по возможности управления данным эффектом после различных температурно-деформационных воздействий и в итоге дать научно обоснованный прогноз длительной безаварийной эксплуатации строительных конструкций.
Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленных в ней цели и задач.
Степень разработанности темы исследования
Подавляющее большинство структурных исследований, в том числе на сталях группы прочности К65(Х80), ограничивалось изучением деформационного старения (полос Чернова-Людерса) в пределах площадки текучести, хотя для понимания влияния ДС на уровень свойств необходимо рассмотрение пластического течения и разрушения на всех стадиях деформации растягиваемого образца.
На сегодняшний день имеется крайне малое количество исследований особенностей деформации Людерса в сталях с различным структурно-фазовым состоянием, например, с различной плотностью дислокаций и закрепляющих их карбидных частиц.
Отсутствуют сравнительные данные по проявлению эффекта деформационного старения в плоских образцах, на которых выполнено большинство структурных исследований, и в цилиндрических образцах, широко используемых для оценки механических свойств.
На сталях группы прочности К65(Х80) не имеется в полном объеме исследований влияния режимов термообработки, включающих нагрев и охлаждение с различными скоростями в диапазоне температур до Ас1, а также в межкритический интервал.
Целью работы явилось изучение деформационного старения в сталях типа 08Г2Б, его влияния на все стадии растяжения образцов в различном структурно-фазовом состоянии и комплекс механических свойств.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. С помощью метода корреляции цифровых изображений исследовать формирование и распространение полос Чернова-Людерса (ПЧЛ) в образцах, испытавших нагрев и охлаждение с различными скоростями в интервале температур от 100 до 1000°С.
2. Выявить основные факторы эффекта деформационного старения, влияющие на величину и распределение деформации в растягиваемых образцах, а также на уровень механических свойств.
3. Разработать необходимый для оценки состояния металла после изготовления и/или эксплуатации элементов строительных конструкций параметр В, характеризующий по изменению механических свойств как плоских, так и цилиндрических образцов для растяжения величину деформационного старения.
4. Установить режимы термообработки, приводящие к минимизации или устранению эффекта деформационного старения (ЭДС), а также температурные интервалы нагрева/охлаждения, при попадании в которые стали типа 08Г2Б испытывают снижение вязкости.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
- впервые с привлечением метода корреляции изображений прослежено возникновение и функционирование каналов течения на всех стадиях растяжения плоских образцов;
- показано, каким образом различные механизмы деформации Людерса определяют месторасположение в образце шейки и магистральной трещины, а также задают комплекс механических свойств;
- выделен период II на сосредоточенной стадии деформации плоских образцов, начало и протяженность которого может использоваться в качестве критерия трещиностойкости сталей группы прочности К65(Х80);
- выявлены основные факторы эффекта деформационного старения, влияющие на комплекс механических свойств сталей типа 08Г2Б.
Анализ диаграмм растяжения, результатов, полученных методом корреляции цифровых изображений и литературных данных, показал, что благодаря микролегированию сильными карбидообразователями (V, N6, Т1), а также Си, повышенной плотности дислокаций в феррите и особенно в бейните/мартенсите, огромному количеству зернограничных дислокаций из-за большой протяженности границ зерен в сверхмелкозернистой структуре стали группы прочности К65(Х80) обладают повышенной склонностью к деформационному старению.
Вследствие закрепления дислокаций и блокировки их источников дисперсными карбидными частицами наряду с атмосферами растворенных атомов эффект деформационного старения (ЭДС) в данных сталях термически устойчив - сохраняется при нагреве вплоть до Ас1=770°С, хотя термообработкой можно в значительном диапазоне менять его величину, в частности, минимизировать вплоть до полного подавления.
ЭДС, как и обусловленная им деформация Людерса, многогранен, охватывает все структурные уровни материала, внося существенные изменения в ход пластического течения на всех стадиях растяжения образцов, что связано с действием следующих факторов:
- интенсификацией дисперсионного твердения, поскольку дисперсные частицы, зародившиеся на дислокациях, препятствуют их движению на всех этапах пластического течения;
- локализацией деформации: с увеличением степени закрепления исходных дефектов, уменьшается объем растягиваемого образца, участвующий в пластическом течении;
- концентрацией напряжений в очагах деформации - участках пересечения полос Чернова - Людерса.
При наименьшей величине ЭДС происходит возникновение и движение одной полосы Чернова-Людерса (ПЧЛ). При более сильном ЭДС в образце возникает несколько попарно пересекающихся ПЧЛ, что приводит к формированию очагов деформации (ОД), состоящих из центральной области и четырех выходящих из его углов периферийных остатков ПЧЛ.
По окончании деформации Людерса ОД достигает максимального размера, который в образце с одной ПЧЛ занимает всю рабочую часть образца, а в образцах с пересекающимися ПЧЛ - лишь её долю (в худшем случае ~ 75%). Пластическое течение на равномерной стадии повышает плотность дислокаций в деформирующихся областях образцов - возрастает площадь под кривыми еуу - Ьобр, но на них сохраняются четыре пологих пика, связанных с действием каналов течения.
Ход пластического течения на сосредоточенной стадии деформации весьма единообразен во всех изученных плоских образцах, включая образец, не проявляющий ЭДС. Под влиянием ЭДС однотипные процессы (периоды на сосредоточенной стадии) смещаются на диаграмме растяжения по шкале 8 (т - времени растяжения). Происходит стягивание ОД к тому участку, который соответствует максимуму на кривой еуу - кобр и на котором образуются шейка и магистральная трещина. Это свидетельствует о том, что место будущей шейки и магистральной трещины предопределяется еще на равномерной стадии деформации.
На основе проведенных исследований рекомендовано начало и протяженность периода II на сосредоточенной стадии кривой растяжения плоских образцов, который контролируется пластической деформацией в окрестностях магистральной трещины, рассматривать как критерий трещиностойкости сталей группы прочности К65 (Х80).
Исходя из изменений прочностных и пластических свойств на площадке текучести и равномерной стадии растяжения плоских и цилиндрических образцов, предложенный параметр И имеет многосторонний научно-практический интерес. Так, он позволяет оценить состояние металла на отдельных технологических переделах изготовления изделий, прогнозировать поведение элементов конструкций при дальнейшей эксплуатации. Даже при относительно большой величине И = 4...5, например, после нанесения антикоррозионного покрытия при 250оС высокочистые сверхмелкозернистые стали типа 08Г2Б обладают значительным ресурсом вязкопластических характеристик (КСУ-4° > 250 Дж/см2, у > 70 %).
Нагрев под Ас1 позволяет минимизировать И при сохранении высокого комплекса механических свойств, тогда как нагрев с любой скоростью в МКИ с охлаждением в различных средах устраняет эффект деформационного старения. После нагрева образцов в нижнюю область МКИ 00,2 резко падает до ~ 500 МПа, Ов растет до ~ 800 МПа, что приводит к уменьшению отношения 00,2/ов до 0,6-О,7, пластические свойства меняются слабо, резко ухудшается вязкость (KCV-40 = 70 Дж/см2) по сравнению с таковой в исходном состоянии (KCV-40 > 250 Дж/см2).
Выявлено, что пребывание сталей Х80 в области распада переохлажденного аустенита по I ступени при изотермической выдержке (замедленном охлаждении) приводит к снижению при всех температурах испытаний ударной вязкости до уровня ниже требуемого. Это подтверждает необходимость ускоренного охлаждения (^хл > 20 оС/с) по окончании контролируемой прокатки или аустенитизации.
Рекомендован в качестве оптимального режим термообработки: нагрев на Тн - 880оС (чуть ниже Асз) с ускоренным охлаждением, обеспечивающий при отсутствии ЭДС наилучшую конструктивную прочность сталей типа 08Г2Б (сто,2 = 750 МПа, Св = 820 МПа, с .- с. = 0,75, 5 - 25 %, у - 80 %, KCV-40 > 250 Дж/см2). Данный уровень механических свойств превышает требования API 5L для сталей группы прочности X80 и соответствует сталям групп прочности Х90, Х100.
В качестве перспектив дальнейшей разработки данной тематики можно сформулировать следующие направления:
- применение разработанной оценки величины ЭДС и уровня трещиностойкости для оценки состояния металла строительных конструкций, испытавших эксплуатацию в течение различного времени;
- детальное изучение возникновения и эволюции эффекта деформационного старения в сталях, у которых первоначально он отсутствовал;
- опробование термообработки (по рекомендованным в диссертации режимам) для восстановления служебных свойств элементов конструкций из сталей группы прочности К65(Х80), потерявших необходимый комплекс свойств после длительной эксплуатации.
Вследствие закрепления дислокаций и блокировки их источников дисперсными карбидными частицами наряду с атмосферами растворенных атомов эффект деформационного старения (ЭДС) в данных сталях термически устойчив - сохраняется при нагреве вплоть до Ас1=770°С, хотя термообработкой можно в значительном диапазоне менять его величину, в частности, минимизировать вплоть до полного подавления.
ЭДС, как и обусловленная им деформация Людерса, многогранен, охватывает все структурные уровни материала, внося существенные изменения в ход пластического течения на всех стадиях растяжения образцов, что связано с действием следующих факторов:
- интенсификацией дисперсионного твердения, поскольку дисперсные частицы, зародившиеся на дислокациях, препятствуют их движению на всех этапах пластического течения;
- локализацией деформации: с увеличением степени закрепления исходных дефектов, уменьшается объем растягиваемого образца, участвующий в пластическом течении;
- концентрацией напряжений в очагах деформации - участках пересечения полос Чернова - Людерса.
При наименьшей величине ЭДС происходит возникновение и движение одной полосы Чернова-Людерса (ПЧЛ). При более сильном ЭДС в образце возникает несколько попарно пересекающихся ПЧЛ, что приводит к формированию очагов деформации (ОД), состоящих из центральной области и четырех выходящих из его углов периферийных остатков ПЧЛ.
По окончании деформации Людерса ОД достигает максимального размера, который в образце с одной ПЧЛ занимает всю рабочую часть образца, а в образцах с пересекающимися ПЧЛ - лишь её долю (в худшем случае ~ 75%). Пластическое течение на равномерной стадии повышает плотность дислокаций в деформирующихся областях образцов - возрастает площадь под кривыми еуу - Ьобр, но на них сохраняются четыре пологих пика, связанных с действием каналов течения.
Ход пластического течения на сосредоточенной стадии деформации весьма единообразен во всех изученных плоских образцах, включая образец, не проявляющий ЭДС. Под влиянием ЭДС однотипные процессы (периоды на сосредоточенной стадии) смещаются на диаграмме растяжения по шкале 8 (т - времени растяжения). Происходит стягивание ОД к тому участку, который соответствует максимуму на кривой еуу - кобр и на котором образуются шейка и магистральная трещина. Это свидетельствует о том, что место будущей шейки и магистральной трещины предопределяется еще на равномерной стадии деформации.
На основе проведенных исследований рекомендовано начало и протяженность периода II на сосредоточенной стадии кривой растяжения плоских образцов, который контролируется пластической деформацией в окрестностях магистральной трещины, рассматривать как критерий трещиностойкости сталей группы прочности К65 (Х80).
Исходя из изменений прочностных и пластических свойств на площадке текучести и равномерной стадии растяжения плоских и цилиндрических образцов, предложенный параметр И имеет многосторонний научно-практический интерес. Так, он позволяет оценить состояние металла на отдельных технологических переделах изготовления изделий, прогнозировать поведение элементов конструкций при дальнейшей эксплуатации. Даже при относительно большой величине И = 4...5, например, после нанесения антикоррозионного покрытия при 250оС высокочистые сверхмелкозернистые стали типа 08Г2Б обладают значительным ресурсом вязкопластических характеристик (КСУ-4° > 250 Дж/см2, у > 70 %).
Нагрев под Ас1 позволяет минимизировать И при сохранении высокого комплекса механических свойств, тогда как нагрев с любой скоростью в МКИ с охлаждением в различных средах устраняет эффект деформационного старения. После нагрева образцов в нижнюю область МКИ 00,2 резко падает до ~ 500 МПа, Ов растет до ~ 800 МПа, что приводит к уменьшению отношения 00,2/ов до 0,6-О,7, пластические свойства меняются слабо, резко ухудшается вязкость (KCV-40 = 70 Дж/см2) по сравнению с таковой в исходном состоянии (KCV-40 > 250 Дж/см2).
Выявлено, что пребывание сталей Х80 в области распада переохлажденного аустенита по I ступени при изотермической выдержке (замедленном охлаждении) приводит к снижению при всех температурах испытаний ударной вязкости до уровня ниже требуемого. Это подтверждает необходимость ускоренного охлаждения (^хл > 20 оС/с) по окончании контролируемой прокатки или аустенитизации.
Рекомендован в качестве оптимального режим термообработки: нагрев на Тн - 880оС (чуть ниже Асз) с ускоренным охлаждением, обеспечивающий при отсутствии ЭДС наилучшую конструктивную прочность сталей типа 08Г2Б (сто,2 = 750 МПа, Св = 820 МПа, с .- с. = 0,75, 5 - 25 %, у - 80 %, KCV-40 > 250 Дж/см2). Данный уровень механических свойств превышает требования API 5L для сталей группы прочности X80 и соответствует сталям групп прочности Х90, Х100.
В качестве перспектив дальнейшей разработки данной тематики можно сформулировать следующие направления:
- применение разработанной оценки величины ЭДС и уровня трещиностойкости для оценки состояния металла строительных конструкций, испытавших эксплуатацию в течение различного времени;
- детальное изучение возникновения и эволюции эффекта деформационного старения в сталях, у которых первоначально он отсутствовал;
- опробование термообработки (по рекомендованным в диссертации режимам) для восстановления служебных свойств элементов конструкций из сталей группы прочности К65(Х80), потерявших необходимый комплекс свойств после длительной эксплуатации.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИОННОГО
СТАРЕНИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СТАЛЕЙ ТИПА 08Г2Б С УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРОЙ
Диссертация , материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 5780 р. Год сдачи: 2019