Введение 4
1 Аналитический обзор 6
1.1 Методы интенсивной пластической деформации 6
1.1.1 Метод кручения под высоким давлением 6
1.1.2 Метод всесторонней ковки 8
1.1.3 Метод равноканального углового прессования 11
1.1.4 Метод «abc» деформации 19
1.1.5 Метод многократной прокатки 21
1.1.6 Метод винтовой экструзии 23
1.1.7 Метод прокатки в калибров 24
1.2 Механика разрушения конструкционных металлических материалов 26
1.2.1 Механика вязкого разрушения 28
1.2.2 Механика хрупкого разрушения 37
1.2.3 Механика квазихрупкого разрушения 40
1.2.4 Механика вязко-хрупкого разрушения 42
1.2.5 Механика смешанного разрушения 44
1.3 Элементы механики разрушения при однократных видах нагрузки 46
1.3.1 Основные сведения о механизме разрушения 47
1.3.2 Пластические зоны и локальные напряжения материала у вершины трещины 49
1.3.3 Связь локального напряженного состояния с механизмом разрушения изделий и кинетикой развития пластических зон 60
1.4 Формирование ультрамелкозернистой структуры в сталях 68
2 Материал и методика исследования 72
2.1 Исследуемый материал 72
2.2 Методики исследования структуры стали 09Г2С 74
2.3 Механические испытания на твердость и растяжение 75
2.4 Испытания стали на статическую трещиностойкость 77
2.5 Макро- и микрофрактографические исследования 80
3 Результаты 82
3.1 Структура и механические свойства стали 09Г2С после различных видов обработки 82
3.2 Статическая трещиностойкость наноструктурированной стали 09Г2С 84
Заключение 87
Список используемых источников 88
История человечества неизменно показывает, что любой цивилизации свойственна особенность постоянно развиваться и стремиться ко всё новым и новым вершинам. Но всегда прогресс требует наличия за спиной определённой базы, наработок и теорий. Нередки в истории случаи, когда человеческая мысль настолько опережала технологию, что идея так и оставалась нереализованной на протяжении многих лет.
В течение нескольких веков ученые и исследователи нарабатывали определённый багаж в области материаловедения, а в последние десятилетия перед ними встал вопрос о том, что делать дальше. Полученное множество сталей и металлических сплавов не всегда способно удовлетворить потребности быстроразвивающейся науки, а открыть некий новый неизвестный ранее металл или сплав очень проблематично в связи достаточной изученностью данной области. Решение вопроса нашлось не в поиске чего-то нового, а в изменении свойств уже известных материалов.
Одним из предлагаемых вариантов является уменьшение размеров зёрен в сталях и сплавах путём интенсивного пластического деформирования (ИПД). Измельчение структуры влечёт за собой изменение механических и прочностных характеристик материала. На данный момент существует несколько различных способом получения металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой с применением ИПД:
• Кручение под высоким давлением
• Всесторонняя ковка
• Равноканальное угловое прессование
• «abc» деформация
• Многократная прокатка
• Винтовая экструзия
В настоящее время учёные во всём мире нарабатывают «багаж», который впоследствии позволит решить ту или иную научно-техническую задачу. Работа ведётся и в Соединённых штатах Америки [1], и в Японии [2, 4], и в России [3], и в Европе [5].
Поиск и изучение научных трудов определили особое направление развития науки в России. От мирового оно отличается большим уделением внимания таким отраслям, как аэрокосмическая и нефтегазохимическая промышленность. Важность данных направлений для политики и экономики страны сложно недооценить, поэтому наработка базы данных по режимам ИПД и получаемым свойствам и характеристикам материалов можно отнести к перспективным направлениям научной деятельности.
Целью данной работы является определение зависимости воздействия УМЗ структуры после РКУП на статическую трещиностойкость и механизм разрушения стали 09Г2С и сравнительный анализ полученного наноструктурированного материала с исходным образцом с крупнозернистой структурой.
Задачами исследования являются:
1. Экспериментальное исследование твердости на твердомере, растяжения образцов на универсальной испытательной машине и определение базовых параметров стали в исходном КЗ состоянии и после РКУП при комнатной температуре и при минус 196 °С.
2. Проведение испытания на трещиностойкость (К1с) призматических образцов из стали в УМЗ и КЗ состояниях с использованием схемы трехточечного изгиба при температуре -196 °С.
3. Проведение макрофрактографии путём визуального осмотра или с применением оптических средств контроля и микрофрактографии структуры изломов образцов из стали в УМЗ и КЗ состояниях с использованием растрового электронного микроскопа.
4. Выполнение сравнительного анализа статической трещиностойкости (К1с) и механизмов статического разрушения стали 09Г2С в УМЗ и КЗ состояниях.
Статическая трещиностойкость (К1с) стали 09Г2С в исходном состоянии равна (28 ± 1) МПа*м1/2, а после РКУП - (58 ± 1) МПа*м1/2.
Статическое разрушение при температуре -196 °С стали 09Г2С в КЗ состоянии произошло по механизму скола, а в УМЗ состоянии - по механизму квазискола.
Разрушение образцов в исходном состоянии было хрупким и происходило по механизму скола. Это видно по структуре излома:
1) поверхность излома блестящая
2) разрушение интеркристаллитное (межзёренное)
3) отсутствуют скосы и зоны среза от пластической деформации
4) отсутствует утяжка материала около излома
Разрушение образцов с УМЗ структурой после РКУП также было хрупким, но происходило по механизму квазискола. Это видно по структуре излома:
1) излом розеточный
2) разрушение интеркристаллитное (межзёренное)
3) присутствуют признаки пластической деформации
4) отсутствует утяжка материала около излома
По сравнению с исходным КЗ состоянием обработка стали путём РКУП с последующей термической обработкой предоставляет преимущества в виде повышения твёрдости, увеличения коэффициента трещиностойкости, а также в виде увеличения энергоёмкости процесса разрушения, что влечёт повышение надёжности деталей и возможность их эксплуатации в более экстремальных условиях.
