ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЯЗКОСТИ НИЗКО- И СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИХ ОЦЕНКИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 11
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
Список литературы 37
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 11
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
Список литературы 37
Актуальность темы исследования. Проблема конструктивной прочности сталей является одной из ключевых в научном и прикладном металловедении. Отыскание оптимальной конструктивной прочности конкретных изделий - это всегда компромисс между упрочнением и потерей пластичности, поскольку эти два свойства неразрывно связаны: упрочнение происходит при создании препятствий для движения дислокаций, что уменьшает их мобильность, то есть способность к скольжению, размножению и аннигиляции, и, соответственно, пластичность.
Существуют различные подходы и способы оценки пластичности материала при его деформации, из которых наиболее распространенным и признаваемым в металловедении является определение пластических характеристик при растяжении стандартных образцов. В этом случае под пластичностью понимается степень пластической деформация образца до разрушения (5), то есть рассматриваются характеристики пластического течения материала как при деформационном упрочнении до ав, так и при образовании и эволюции шейки и магистральной трещины.
Пластичность конструкционных сталей определяется физической природой феррита как основной фазовой составляющей, композицией стали и ее структурой, сформированной при термической и/или термомеханической обработке, а также условиями нагружения. Темп уменьшения пластичности в ходе деформации определяется скоростью накопления дефектов кристаллического строения в металле, то есть масштабом релаксационных процессов, и для реализации высокого равномерного удлинения 5р необходимо медленное накопление упругих напряжений в металл в ходе пластического течения.
Большой интерес к термомеханической обработке (ТМО) низко - и среднеуглеродистых сталей вызван возможность создания в них высокого уровня прочностных и вязко -пластических свойств путем целенаправленного влияния на структурное состояние феррита и упрочняющих структурных составляющих. Актуальным становится необходимость разработки новых подходов в оценке и трактовке пластичности и вязкости металла при заданном уровне прочностных свойств, что особенно важно при все более широком использовании высокопрочных строительных сталей нового поколения, обладающих нетривиальным комплексом механических свойств: 3 удовлетворительной пластичностью (5р ~ 7-10 %, 5 ~ 24-26 %), крайне опасным по традиционным меркам отношением о0,2/сув ~ 0,97 и рекордно высокой вязкостью как при комнатной (КСУ > 3,5 МДж/м2), так и при отрицательных температурах вплоть до 1исп = -60.. .-80оС.
Степень разработанности темы исследования. В основу диссертации положен разработанный и научно обоснованный Н.Н. Давиденковым и Я.Б. Фридманом принцип о взаимосвязи пластичности и прочности. При введении понятия «конструкционная прочность сталей» (Ф.Б. Пикеринг, М.И. Г ольдштейн, Л.И. Тушинский) отмечается, что все способы упрочнения, связанные с созданием препятствий для движения дислокаций, уменьшая их подвижность, приводят к потере пластичности.
Поскольку требуемый уровень вязко -пластических свойств лимитирует величину упрочнения, то необходимо решение важной научно -практической проблемы: отыскание закономерностей формирования пластичности и
вязкости и их потери на отдельных этапах нагружения. Предложенный подход в основном обосновывался с помощью качественных соотношений механических свойств низкоуглеродистых сталей, в то время как для практического использования необходимы конкретные корреляционные зависимости между функциональными характеристиками сталей для конкретных изделий.
В энциклопедическом четырехтомнике М.А. Штремеля (1997-2013 г.г.) дано широчайшее обобщение всех известных на тот период экспериментальных и теоретических работ по упрочнению и разрушению сплавов. В эти же годы коллективами под руководством В.Е. Панина, М.М. Криштала, А.М. Глезера интенсивно развиваются представления о структурных уровнях пластической деформации и разрушения, волновой природе пластической деформации и протекающих при этом процессах релаксации напряжений. В этих исследованиях разработаны новые физические подходы к решению фундаментальных вопросов о взаимосвязи «структура - пластическая деформация - механические свойства - разрушение».
Появление новых цифровых технологий в металловедении, в частности методов дифракции обратнорассеянных электронов (ББ8В), корреляции цифровых изображений (Э1С) и др., позволило не только повысить локальность, точность и объективность экспериментальных данных при изучении эволюции структуры металлов, но и отыскать научно обоснованные 4
критерии перехода от пластического течения к разрушению. В этом плане особый интерес представляет изучение сосредоточенной стадии растяжения образцов, на которой происходят важнейшие процессы локализации пластического течения при формировании шейки, зарождения и роста магистральной трещины, приводящие к нарушению сплошности металла.
Представленная диссертационная работа направлена на решение одного из основных в научном и прикладном плане вопроса - создания наивысшей конструкционной прочности изделий (конструкций) из низко - и среднеуглеродистых сталей, а также предлагает новые подходы для оценки пластичности и вязкости...
Существуют различные подходы и способы оценки пластичности материала при его деформации, из которых наиболее распространенным и признаваемым в металловедении является определение пластических характеристик при растяжении стандартных образцов. В этом случае под пластичностью понимается степень пластической деформация образца до разрушения (5), то есть рассматриваются характеристики пластического течения материала как при деформационном упрочнении до ав, так и при образовании и эволюции шейки и магистральной трещины.
Пластичность конструкционных сталей определяется физической природой феррита как основной фазовой составляющей, композицией стали и ее структурой, сформированной при термической и/или термомеханической обработке, а также условиями нагружения. Темп уменьшения пластичности в ходе деформации определяется скоростью накопления дефектов кристаллического строения в металле, то есть масштабом релаксационных процессов, и для реализации высокого равномерного удлинения 5р необходимо медленное накопление упругих напряжений в металл в ходе пластического течения.
Большой интерес к термомеханической обработке (ТМО) низко - и среднеуглеродистых сталей вызван возможность создания в них высокого уровня прочностных и вязко -пластических свойств путем целенаправленного влияния на структурное состояние феррита и упрочняющих структурных составляющих. Актуальным становится необходимость разработки новых подходов в оценке и трактовке пластичности и вязкости металла при заданном уровне прочностных свойств, что особенно важно при все более широком использовании высокопрочных строительных сталей нового поколения, обладающих нетривиальным комплексом механических свойств: 3 удовлетворительной пластичностью (5р ~ 7-10 %, 5 ~ 24-26 %), крайне опасным по традиционным меркам отношением о0,2/сув ~ 0,97 и рекордно высокой вязкостью как при комнатной (КСУ > 3,5 МДж/м2), так и при отрицательных температурах вплоть до 1исп = -60.. .-80оС.
Степень разработанности темы исследования. В основу диссертации положен разработанный и научно обоснованный Н.Н. Давиденковым и Я.Б. Фридманом принцип о взаимосвязи пластичности и прочности. При введении понятия «конструкционная прочность сталей» (Ф.Б. Пикеринг, М.И. Г ольдштейн, Л.И. Тушинский) отмечается, что все способы упрочнения, связанные с созданием препятствий для движения дислокаций, уменьшая их подвижность, приводят к потере пластичности.
Поскольку требуемый уровень вязко -пластических свойств лимитирует величину упрочнения, то необходимо решение важной научно -практической проблемы: отыскание закономерностей формирования пластичности и
вязкости и их потери на отдельных этапах нагружения. Предложенный подход в основном обосновывался с помощью качественных соотношений механических свойств низкоуглеродистых сталей, в то время как для практического использования необходимы конкретные корреляционные зависимости между функциональными характеристиками сталей для конкретных изделий.
В энциклопедическом четырехтомнике М.А. Штремеля (1997-2013 г.г.) дано широчайшее обобщение всех известных на тот период экспериментальных и теоретических работ по упрочнению и разрушению сплавов. В эти же годы коллективами под руководством В.Е. Панина, М.М. Криштала, А.М. Глезера интенсивно развиваются представления о структурных уровнях пластической деформации и разрушения, волновой природе пластической деформации и протекающих при этом процессах релаксации напряжений. В этих исследованиях разработаны новые физические подходы к решению фундаментальных вопросов о взаимосвязи «структура - пластическая деформация - механические свойства - разрушение».
Появление новых цифровых технологий в металловедении, в частности методов дифракции обратнорассеянных электронов (ББ8В), корреляции цифровых изображений (Э1С) и др., позволило не только повысить локальность, точность и объективность экспериментальных данных при изучении эволюции структуры металлов, но и отыскать научно обоснованные 4
критерии перехода от пластического течения к разрушению. В этом плане особый интерес представляет изучение сосредоточенной стадии растяжения образцов, на которой происходят важнейшие процессы локализации пластического течения при формировании шейки, зарождения и роста магистральной трещины, приводящие к нарушению сплошности металла.
Представленная диссертационная работа направлена на решение одного из основных в научном и прикладном плане вопроса - создания наивысшей конструкционной прочности изделий (конструкций) из низко - и среднеуглеродистых сталей, а также предлагает новые подходы для оценки пластичности и вязкости...
Сформулируем основные моменты, вытекающие из анализа полученных в работе экспериментальных данных.
Пластичность есть фундаментальное свойство конструкционных сталей и, как показали проведенные исследования, лимитирует и, следовательно, контролирует конструкционную прочность изделий. В сталях имеющуюся пластичность феррита (5р = 32 %, 5 = 48 %) необходимо рационально расходовать при изготовлении изделий (конструкций), поскольку оставшийся запас определяет деформационное поведение (ресурс их долговечности) при эксплуатации.
Все механизмы упрочнения (дислокационный, перлитный, дисперсионный) за исключением зернограничного (субзеренного) приводят к существенной и примерно одинаковой величине потери пластичности сталей (Да0,2/Д6р ~ 40-45 МПа/%), поскольку их действие сводится к взаимодействию движущихся дислокаций с дислокациями, сдерживаемыми препятствиями. Зернограничное упрочнение действует более мягко (Д <т0,2/Д 5р ~ 12 МПа/%), поскольку границы зерен являются не только препятствиями для движущихся дислокаций, но и их стоками и источником. Субзеренная структура способствует менее существенному по сравнению с зеренной структурой снижению пластичности сталей. Из этого следует, что наиболее перспективным способом упрочнения сталей, обеспечивающим сохранение высокой пластичности, является диспергирование ферритной матрицы (с!з = 3,0-4,0 мкм) с высокой протяженностью субграниц.
Однотипным влиянием на пластичность различных механизмов упрочнения можно объяснить установленное для широкого круга сталей в различных структурно-фазовых состояниях соотношение Да0>2/Д5 ~ 14 МПа/%, которое можно использовать для отыскания оптимальной конструкционной прочности.
Использование одного механизма упрочнения с точки зрения сохранения пластичности нерационально, так как каждый механизм упрочнения обладает одновременно положительными свойствами:
дисперсные частицы тормозят рост зерна и влияют, как и дислокации, на устойчивость переохлажденного аустенита; перлит - самый дешевый упрочнитель для широкого круга сталей. Примером такого дозированного использования нескольких механизмов упрочнения являются высокочистые строительные стали нового поколения типа Х80.
Пластичность - это релаксация напряжений в ходе пластического течения. Разбиение кривых нагружения на периоды (стадии), на которых действует своя мода пластического течения и определенная совокупность видов релаксации, дает возможность анализировать влияние различных факторов на 6 и ее компоненты (АЗ;). Так, экспериментально доказано, что доминирующий вклад в пластичность вносит степенной период равномерной стадии, в трещиностойкость - II период сосредоточенной стадии, и рост отношения 8с/8 свидетельствует об охрупчивании материала.
Использование для каждого периода параметров текучести: пластических (8, 8р, 8с, 8с/8), прочностных (<т0,2, пв, ск, пк/ав) и градиентных (Ап/А8, Ао/Ат) значительно расширяет информацию о деформационном поведении и разрушении материала в отличие от сравнительно небольшого набора стандартных механических свойств. Анализ параметров текучести и разрушения показывает, как при нагружении формируется уровень их свойств.
Существующая тесная связь периодов/стадий кривых растяжения заключается в том, что параметры каждого периода/стадии определяются параметрами предыдущего периода/стадии. Так, упругая стадия закладывает «фундамент» процессов на равномерной стадии через образование апериодически расположенных на поверхности образца локальных очагов пластического течения, при росте которых на равномерной стадии возникают каналы течения. В свою очередь, параметры равномерной стадии «программируют» процессы и их интенсивность на сосредоточенной стадии. Например, по мере охрупчивания сталей уменьшается вплоть до полного исчезновения протяженность степенного периода равномерной стадии, что вызывает смещение в сторону меньших 8 начало периода II сосредоточенной стадии.
Вязкость конструкционных сталей - производная их пластичности, поскольку высокую вязкость нельзя получить без высокой пластичности, хотя высокая пластичность еще не гарантирует высокую вязкость, когда границы зерен, находящиеся в охрупченном состоянии, не могут участвовать в пластическом течении. Период II сосредоточенной стадии растяжения (8сп) и на инструментированной кривой ударного изгиба Б = / (8) (А8П) имеют не только внешнее сходство, но и одинаковую физическую сущность : на них пластическое течение контролируется ростом магистральной трещины. Масштаб этих процессов определяет уровень трещиностойкости образцов, который, следовательно, можно объективно оценить из анализа кривой растяжения...
Пластичность есть фундаментальное свойство конструкционных сталей и, как показали проведенные исследования, лимитирует и, следовательно, контролирует конструкционную прочность изделий. В сталях имеющуюся пластичность феррита (5р = 32 %, 5 = 48 %) необходимо рационально расходовать при изготовлении изделий (конструкций), поскольку оставшийся запас определяет деформационное поведение (ресурс их долговечности) при эксплуатации.
Все механизмы упрочнения (дислокационный, перлитный, дисперсионный) за исключением зернограничного (субзеренного) приводят к существенной и примерно одинаковой величине потери пластичности сталей (Да0,2/Д6р ~ 40-45 МПа/%), поскольку их действие сводится к взаимодействию движущихся дислокаций с дислокациями, сдерживаемыми препятствиями. Зернограничное упрочнение действует более мягко (Д <т0,2/Д 5р ~ 12 МПа/%), поскольку границы зерен являются не только препятствиями для движущихся дислокаций, но и их стоками и источником. Субзеренная структура способствует менее существенному по сравнению с зеренной структурой снижению пластичности сталей. Из этого следует, что наиболее перспективным способом упрочнения сталей, обеспечивающим сохранение высокой пластичности, является диспергирование ферритной матрицы (с!з = 3,0-4,0 мкм) с высокой протяженностью субграниц.
Однотипным влиянием на пластичность различных механизмов упрочнения можно объяснить установленное для широкого круга сталей в различных структурно-фазовых состояниях соотношение Да0>2/Д5 ~ 14 МПа/%, которое можно использовать для отыскания оптимальной конструкционной прочности.
Использование одного механизма упрочнения с точки зрения сохранения пластичности нерационально, так как каждый механизм упрочнения обладает одновременно положительными свойствами:
дисперсные частицы тормозят рост зерна и влияют, как и дислокации, на устойчивость переохлажденного аустенита; перлит - самый дешевый упрочнитель для широкого круга сталей. Примером такого дозированного использования нескольких механизмов упрочнения являются высокочистые строительные стали нового поколения типа Х80.
Пластичность - это релаксация напряжений в ходе пластического течения. Разбиение кривых нагружения на периоды (стадии), на которых действует своя мода пластического течения и определенная совокупность видов релаксации, дает возможность анализировать влияние различных факторов на 6 и ее компоненты (АЗ;). Так, экспериментально доказано, что доминирующий вклад в пластичность вносит степенной период равномерной стадии, в трещиностойкость - II период сосредоточенной стадии, и рост отношения 8с/8 свидетельствует об охрупчивании материала.
Использование для каждого периода параметров текучести: пластических (8, 8р, 8с, 8с/8), прочностных (<т0,2, пв, ск, пк/ав) и градиентных (Ап/А8, Ао/Ат) значительно расширяет информацию о деформационном поведении и разрушении материала в отличие от сравнительно небольшого набора стандартных механических свойств. Анализ параметров текучести и разрушения показывает, как при нагружении формируется уровень их свойств.
Существующая тесная связь периодов/стадий кривых растяжения заключается в том, что параметры каждого периода/стадии определяются параметрами предыдущего периода/стадии. Так, упругая стадия закладывает «фундамент» процессов на равномерной стадии через образование апериодически расположенных на поверхности образца локальных очагов пластического течения, при росте которых на равномерной стадии возникают каналы течения. В свою очередь, параметры равномерной стадии «программируют» процессы и их интенсивность на сосредоточенной стадии. Например, по мере охрупчивания сталей уменьшается вплоть до полного исчезновения протяженность степенного периода равномерной стадии, что вызывает смещение в сторону меньших 8 начало периода II сосредоточенной стадии.
Вязкость конструкционных сталей - производная их пластичности, поскольку высокую вязкость нельзя получить без высокой пластичности, хотя высокая пластичность еще не гарантирует высокую вязкость, когда границы зерен, находящиеся в охрупченном состоянии, не могут участвовать в пластическом течении. Период II сосредоточенной стадии растяжения (8сп) и на инструментированной кривой ударного изгиба Б = / (8) (А8П) имеют не только внешнее сходство, но и одинаковую физическую сущность : на них пластическое течение контролируется ростом магистральной трещины. Масштаб этих процессов определяет уровень трещиностойкости образцов, который, следовательно, можно объективно оценить из анализа кривой растяжения...
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЯЗКОСТИ НИЗКО- И СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИХ ОЦЕНКИ
