Макролокализация пластического течения в горячекатаной низкоуглеродистой стали тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Косинов Дмитрий Анатольевич

МАКРОЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В ГОРЯЧЕКАТАНОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г и ПАР 201

Новокузнецк - 2014

005546144

Работа выполнена в федеральных государственных бюджетных образовательных учреждениях высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» и «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Баранникова Светлана Александровна

Официальные оппоненты: Батаев Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», заместитель заведующего кафедрой материаловедения в машиностроении; Ростовцев Альберт Николаевич, кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасская государственная педагогическая академия», заведующий кафедрой профессионального обучения, экономики и общетехнических дисциплин

Ведущая организация: ФГБУН Институт машиноведения Уральского

отделения Российской академии наук

Защита состоится «15» апреля 2014 г. в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, ауд. ЗП.

Факс: (3843) 465792; e-mail: d212_252_04@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «28» февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.х.н., профессор

Горюшкин Владимир Федорович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. К настоящему времени установлено фундаментальное положение, что пластическая деформация всегда развивается неоднородно и склонна к локализации не только на микроскопическом (дислокационном) уровне, но и на мезо- и макроуровнях. При использовании метода спекл-фотографии установлены главные закономерности процессов макроскопической локализации деформации твердых тел при нагружении. В большинстве случаев картины распределения зон локализации упорядочены в пространстве и во времени, а тип локализации определяется законом пластического течения. К настоящему времени предложена автоволновая модель формирования упорядоченных макромасштабных картин локализации в металлах (Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А.). Закономерности возникновения и развития очагов локализации пластической деформации, приводящих к потере устойчивости пластического течения и разрушению при холодной прокатке, использованы при разработке технологических режимов изготовления изделий сложной формы (Зуев Л.Б., Заводчиков С.Ю., Котрехов В.А.). В связи с этим актуальны исследования макролокализации деформации промышленных сплавов при прокатке. Это обусловило интерес к исследованиям деформационного поведения низкоуглеродистых сталей, поскольку их механические свойства и структура подробно изучены. Повышение надежности и увеличение сроков эксплуатации стальных изделий зависит от содержания вредных примесей. Одной из них является водород, попадающий в металл на всех этапах технологии изготовления и в процессе эксплуатации изделий, и снижающий технологические и служебные свойства (Гельд П.В., Грдина Ю.В., Морозов А.Н., Потак Я.М., Гольцов В.А., Колачев Б.А., Шаповалов В.И. и др.). Для прямого экспериментального подтверждения автоволновой природы пластического течения актуальны исследования влияния водорода на макролокализацию пластической деформации горячекатаной низкоуглеродистой стали, водородное охрупчивание которой является серьезной практической проблемой. Усиленная водородом локализованная пластичность описана к настоящему времени на микроуровне в рамках теории дислокаций (Бирнбаум X., Софронис П., Гаврилюк В.Г., Ханнинен X., Ягодзин-ский Ю.Н.). Прогресс в изучении этого явления требует систематического анализа локализации пластической деформации, стимулированной водородом на различных масштабных уровнях, в частности, на уровне макролокализации пластического течения.

Цель настоящей работы состоит в проверке применимости автоволновой модели локализации пластического течения для описания деформационных процессов в горячекатаной низкоуглеродистой стали, в том числе при электролитическом наводороживании.

Для достижения цели необходимо решить следующие частные задачи:

1. Исследовать пространственно-временные распределения и закономерности эволюции компонент тензора пластической дисторсии при растяжении образцов из горячекатаной низкоуглеродистой стали 08пс и катанки

стали СтЛкп, используя автоматизированные системы анализа спекл-фотографий и цифровых спекл-изображений.

2. Исследовать тонкую структуру горячекатаных сталей 08пс и СтЛкп в исходном состоянии после горячей прокатки, удаления окалины и электролитического насыщения водородом с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии.

3. Определить влияние водорода на параметры пространственно-временных распределений компонент тензора дисторсии при растяжении образцов из горячекатаных полос стали 08пс и катанки стали СтЛкп.

4. Сопоставить закономерности макролокализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения в стали 08пс после кислотного травления и электролитического насыщения водородом.

Научная новизна результатов состоит в том, что:

- исследованы картины макроскопической локализации деформации при растяжения образцов сталей 08пс и СтЛкп и методом двухэкспозиционной спекл-фотографии и цифровых спекл-изображений определены основные типы и параметры локализации;

- подтвержден автоволновой характер локализации деформации при растяжении образцов из горячекатаных полос стали 08пс. Установлено, что скорости очагов локализации деформации на линейных стадиях упрочнения (при условии а~в) образцов из стали 08пс удовлетворяют зависимости

гДе Q=dc>/d£ - коэффициент деформационного упрочнения, полученной ранее для металлических ГЦК, ОЦК и ГПУ моно- и поликристаллов;

- установлено влияние водорода на состояние дефектной субструктуры a-железа и карбидной фазы и параметры локализации пластической деформации сталей 08пс и СтЛкп.

Научная ценность работы состоит в том, что с учетом новых данных по влиянию водорода на локализацию пластического течения сталей 08пс и СтЛкп автоволновой характер деформации приобретает универсальный смысл. Полученные данные показали, что очаги локализованной деформации, формирующиеся при растяжении электролитически насыщенных водородом образцов, и полосы деформации в виде «изломов», наблюдающиеся после размотки и кислотного травления горячекатаных полос стали 08пс, являются проявлением локализации пластической деформации на макроскопическом уровне. Расстояния между полосами-«изломами» близки к пространственному периоду автоволн локализованной деформации. Влияние водорода на предел текучести и усиление локализации деформации в результате кислотного травления для удаления окалины необходимо учитывать при оптимизации деформационных и термических режимов горячей прокатки для получения бездефектной поверхности листов низкоуглеродистой стали.

Практическая значимость работы. Применение методики, позволяющей по значениям предела прочности и времени электролитического насыщения оценить критическую концентрацию диффузионно-подвижного водорода, показало, что снижение прочности низкоуглеродистой стали пропорци-

онально времени насыщения водородом. Это позволило найти параметр, характеризующий склонность пластичной стали к водородной хрупкости.

Данные о влиянии водорода на развитие пластической деформации низкоуглеродистых сталей использованы на металлургических предприятиях при оптимизации технологии охлаждения заготовок для дегазации для повышения пластичности.

Экспериментальная методика электролитического насыщения металлических образцов внедрена в учебный процесс Национального исследовательского Томского государственного университета и используется студентами физико-технического факультета при изучении курсов «Основы физики прочности», «Экспериментальная механика» и «Материаловедение».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Общие закономерности и особенности макроскопической локализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения при растяжении образцов листовой горячекатаной стали 08пс.

2. Экспериментально обнаруженное проявление макроскопической локализации в виде очагов локализованной деформации при растяжении электролитически насыщенных водородом образцов в лабораторных условиях, и в виде «изломов», наблюдающиеся после размотки и кислотного травления горячекатаных полос стали 08пс.

3. Особенности влияния водорода на процесс пластического течения при растяжении сталей 08пс и СтЛкп, предварительно насыщенных водородом электролитическом методом. Водород усиливает локализацию пластической деформации и изменяет количественные параметры картин локализации пластической деформации (длину и скорость автоволн локализации пластической деформации), и количественные характеристики субструктуры.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается комплексным использованием апробированных методов и методик экспериментальных исследований для решения поставленных задач; применением статистических методов обработки экспериментальных результатов; согласованием полученных в работе результатов с данными других авторов; справками об использовании результатов работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены на следующих научных конференциях и семинарах: 53, 54 Международных научных конференциях «Актуальные проблемы прочности», (Витебск, Беларусь, Екатеринбург, 2012, 2013); VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012); Международном симпозиуме «Физика кристаллов 2013» (Москва, 2013); Международном семинаре «Development of advanced materials and processing technology for energy saving applications» (Томск, 2013); 12 Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов» (Обнинск, 2013); II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов» (Новокузнецк, 2013); II Всероссийской конференции «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013); Всероссийской научно-практической конференции

«Металлургия: технологии, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2013), VI Международной школе с элементами научной школы для молодежи «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2013); VII Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2013).

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК№ 14.740.11.0037).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 18-ти печатных работах, в том числе, в 5-и статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач исследования, планировании и выполнении экспериментов, в анализе результатов экспериментальных исследований, написании статей по теме диссертации. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1 «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» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, 5 глав, основные выводы, приложения, написана на 162 страницах, содержит 60 рисунков, 15 таблиц, 3 приложения, список литературы состоит из 245 наименований.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, научная новизна результатов и практическая значимость работы, определена цель исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, отражен личный вклад автора, обосновано соответствие диссертации паспорту специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).

Первая глава «Общие аспекты локализации пластического течения на макроскопическом уровне» является обзорной. В ней рассмотрены экспериментальные и теоретические закономерности неоднородного деформирования металлов, влияние водорода на процесс пластической деформации, механизмы водородного охрупчивания. Приводятся результаты исследований автоволнового механизма локализации деформации твердых тел в ИФПМ СО

РАН. В конце главы на основе проведенного анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава «Материалы и методики исследований» содержит описание использованных методов и обоснование выбора материалов исследования. Для исследования микроструктуры использованы оптическая и атомно-силовая микроскопия (Neophot-21, Solver PH47-PRO). Фазовый состав и дефектная субструктура изучались методами дифракционной электронной микроскопии (ЭМ-125). Комплексные исследования характера неоднородности пластической деформации выполнены на образцах стали 08пс в четырех состояниях: после горячей прокатки (1); после размотки горячекатаного рулона и кислотного травления для удаления окалины перед холодной прокаткой (2); после лабораторного электролитического насыщения водородом образцов после горячей прокатки (3); после лабораторного электролитического насыщения водородом образцов после размотки горячекатаного рулона и кислотного травления в трехэлектродной электрохимической ячейке (4). Исследования микроструктуры стали 08пс в состоянии (1) показали, что основной структурной составляющей является феррит; имеется также небольшое количество перлита. Сталь Ст.1кп исследовали после горячей прокатки прутков до диаметра 6,5 мм и механического удаления окалины с последующей прокаткой в полосы толщиной 3 мм (1); после лабораторного электролитического насыщения водородом горячекатаных образцов (2); после отжига при 498 К в течение 2 ч после наводороживания образцов дегазации водорода (3).

Механические испытания образцов в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 50x10x2 мм проводились при 300 К по схеме одноосного растяжения со скоростью растяжения 0,2 мм/мин на испытательной машине LFM-125, снабженной для изучения макролокализации деформации автоматизированным лазерным измерительным комплексом для анализа спекл-фотографий (ALMEC) и цифровых спекл-изображений (ALMEC-tv).

Электролитическое насыщение водородом образцов проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке с графитовым анодом при постоянном контролируемом катодном потенциале U = -700...-600 мВ, задаваемом относительно хлорсеребряного электрода сравнения, в 1 нормальном растворе H2S04 с добавлением 20 мг/л тиомочевины при температуре 323 К до 24 часов с предварительной продувкой азотом. Концентрацию водорода определяли на анализаторе RHEN 602 и спектрометре тлеющего разряда Profiler-2.

В третьей главе «Макроскопическая локализация пластической деформации в низкоуглеродистой стали» изложены экспериментальные данные об эволюции макролокализации деформации (ЛД) при растяжении образцов сталей 08пс и СтЛкп на разных стадиях деформационного упрочнения. В стали 08пс в состояниях 2, 3 и 4 на кривых пластического течения (рисунок 1) почти исчезает площадка текучести, а предел текучести и временное сопротивление снижаются на ~25 МПа. По сравнению с состоянием 1 в состояниях 3 и 4 снижается относительное удлинение при разрыве на ~5%.

в,%

Использование техники спекл-фотографии позволило установить, что на площадке текучести характер развития картин локализации пластического течения в состояниях 1 и 2 стали 08пс существенно различается. Главное различие состоит в том, что число развивающихся фронтов Чернова-Людерса (ЧЛ) в состоянии 2 меньше, чем в состоянии 1. Данные о кинетике движения фронтов ЧЛ в стали 08пс в состояниях 1 и 2 обобщены на рисунке 2 и приведены в таблице 1.

1 - состояние; 2 — состояние 2; 3 - состояние 3; 4 - состояние 4 Рисунок 1 — Кривые пластического течения образцов из стали 08пс На стадии линейного деформационного упрочнения в стали 08пс формируется бегушая автоволна ЛД, характеризующаяся скоростью распространения Ка„ и пространственным периодом — длиной автоволны X. Эти данные можно получить из рисунка 3, причем рисунки 3 а и б демонстрируют распределения локальных удлинений (компонента ехх тензора %) по осям образцов, а на рисунке 3 в и г представлены данные о кинетике движения очагов ЛД в стали в состояниях 1 и 2. В состоянии 1 Х.=8 мм, а К^бЗ-Ю"5 м/с; в состоянии 2 Х=6 мм, а скорость их распространения Уте =5,8-10"5 м/с. В отличие от состояния 1, структура очагов ЛД в состоянии 2 оказывается сложной, при этом выявляются высокоамплитудные максимумы локальных деформаций, разделенные совокупностью низкоамплитудных максимумов.

На стадии параболического деформационного упрочнения стали 08пс сформировавшаяся ранее система эквидистантных зон ЛД становится стационарной; длина автоволн ЛД составляет 7,5 мм для состояния 1 и 5,5 мм для состояния 2.

На стадии предразрушения стали 08пс система стационарных очагов ЛД, характерная для стадии параболического упрочнения, сменяется одним, постепенно растущим стационарным максимумом, характеризующимся большой амплитудой локального удлинения гхх тензора пластической дисторсии. Этот максимум указывает на место будущего вязкого разрушения образцов стали 08пс в состояниях 1 и 2, и с момента его появления практически вся деформация локализуется в этой узкой зоне образца (рисунок 4).

Насыщение водородом образцов стали 08пс изменяет деформационное поведение стали. Как показано на рисунке 1, кривые пластического течения в состояниях 1 и 3 заметно различаются значениями пределов текучести и прочности. В то же время кривые течения стали 08пс для состояний 2 и 4 различаются меньше, а в состояниях 3 и 4 они почти неразличимы. Общим в этих случаях является вырождение площадки текучести и снижение относительного удлинения после разрыва на —5% по сравнению с состоянием 1.

Л с

В образцах стали 08пс после электролитического насыщения водородом в течение 24 часов в состоянии 3 и 4 распределения локальных деформаций на площадке текучести представляли собой две зоны ЛД (полосы ЧЛ), которые перемещались навстречу друг другу. В состоянии 3 на стадии линейного деформационного упрочнения пространственный период автоволн ЛД составляет 6,0 мм, а скорость их распространения 6,3-10"5 м/с. В состоянии 4 на стадии линейного деформационного упрочнения пространственный период автоволн ЛД составляет 5,7 мм, а скорость их движения 5,5-Ю5 м/с. В отличие от состояния 1, структура очагов ЛД стали 08пс в состоянии 3 и 4 после электролитического насыщения оказывается более сложной и представляет собой совокупность широких зон, каждая из которых состоит из двух связанных очагов ЛД.

На стадии параболического деформационного упрочнения стали

Рисунок 2 - Кинетика развития фронтов Чернова-Людерса стали 08пс в состоянии 1 (а) и в состоянии 2 (б) (неподвижный захват в начале координат) (цифрами обозначены номера фронтов)

08пс сформировавшаяся ранее система эквидистантных зон ЛД становится стационарной. Длина автоволн ЛД для состояния 3 составляет 6,0 мм и 5,7 мм для состояния 4. Затем неподвижные очаги локализации деформации начинают согласованное движение к очагу с большой амплитудой компоненты локального удлинения ехх тензора дисторсии, где происходит разрушение образца.

В стали Ст.1кп в состояниях 1 и 2 распределения локальных удлинений на площадке текучести представляли собой одиночные зоны ЛД (полосы ЧЛ). После площадки текучести на стадии параболического деформационного упрочнения формируется система стационарных эквидистантных зон ЛД. Водород на стадии параболического упрочнения, изменяет длину автоволн ЛД от 6,5 мм для состояния 1 до 5,0 мм для состояния 2.

Установлено, что водород усиливает ЛД и изменяет количественные параметры картин ЛД: длину и скорость автоволн локализации пластической деформации. В таблице 1 обобщены данные о скоростях распространения и длинах автоволн ЛД, полученные для стали 08пс.

Во всех исследованных состояниях стали 08пс картина ЛД на линейных стадиях представляет собой бегущую автоволну ЛД с длиной X и скоростью

распространения Vmv, которая убывает с ростом коэффициента деформационного упрочнения в по закону Vaw ~в~полученному ранее для металлических ГЦК, ОЦК и ГПУ моно- и поликристаллов.

Таблица 1 - Основные данные о локализации деформации (ЛД) при растяжении стали 08пс

Состояние Стадии деформационного упрочнения Наблюдавшиеся картины ЛД

1 Площадка текучести Встречное движение одиночных зон ЛД (Vmt ¡»8,5-10"s м/с; 3,8-Ю"5 м/с; 6,8-Ю"5 м/с; 8,5-Ю"5м/с)

Линейная стадия Бегущая автоволна ЛД (^»5,3-10"5 м/с; Ь8мм)

Параболическая стадия Стационарная система зон ЛД (Я. « 7,5 мм)

2 Площадка текучести Встречное движение одиночных зон ЛД {Vow ~ 1,4-10"4 м/с; 5,7-Ю"5 м/с)

Линейная стадия Бегущая автоволна ЛД (Кп> «5,8-Ю"5 м/с; Х&6 мм)

Параболическая стадия Стационарная система зон ЛД (X. « 5,5 мм)

3 Площадка текучести Встречное движение одиночных зон ЛД (Vmv «1,3 ■■ 1м/с и 5,5 ■ 10"5 м/с)

Линейная стадия Бегущая автоволна ЛД «6,3-Ю"5 м/с; X « 6 мм)

Параболическая стадия Стационарная система зон ЛД (Я. я 6 мм)

4 Площадка текучести Встречное движение одиночных зон ЛД (~ 7,7-10"5 м/с; 6,8-10"5 м/с)

Линейная стадия Бегущая автоволна ЛД (Кш„ я 5,5-Ю"5 м/с; Ьбмм)

Параболическая стадия Стационарная система зон ЛД (X ~ 5,7 мм)

Примечание. Для всех состояний стали 08пс стадии предразрушения соответствует схождение очагов локализованного пластического течения в месте образования шейки

Рисунок 3 — Распределение компоненты ехх на регистрируемой поверхности образцов стали 08пс в состоянии 1 (а), в состоянии 2 (б); кинетика развития очагов ЛД гхх в состоянии 1 (в), в состоянии 2 (г) на стадии линейного деформационного упрочнения

Рисунок 4 — Распределение компоненты локальных удлинений егх в состоянии 1 (а) и в состоянии 2 (б) на стадии предразрушения стали 08пс

Четвертая глава «Особенности формирования дефектной субструктуры листовой низкоуглеродистой стали» посвящена исследованию фазового состава и дислокационной субструктуры образцов сталей 08пс и СтЛкп с использованием методов дифракционной электронной микроскопии (ЭМ).

Анализ фрагментированной структуры, формирующейся в стали 08пс в состоянии 1, показал, что относительная площадь зерна, занятая неравноосными и квазиравноосными фрагментами, составляет 0,7 и 0,1, соответственно (остальное, зерна, не содержащие фрагментов). Средние поперечные размеры фрагментов квазиравноосной формы —1,6 мкм, неравноосной формы —0,6 мкм. В объеме фрагментов и в объеме зерен, не содержащих малоугловых границ, присутствует дислокационная субструктура (ДСС) сетчатого типа (0,6 объема зерна) и хаотически распределенные дислокации (0,4 объема зерна). Скалярная плотность дислокаций, усредненная по всем типам субструктуры, -2,4-Ю10 см"2. На ЭМ изображениях структуры стали присутствуют из-гибные экстинкционные контуры с плотностью ~1,3-105 мм"2 и средним поперечным размером —190 нм. Наличие таких контуров указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки a-Fe в состоянии 1 (поля внутренних напряжений, формирующихся в стали при ее термомеханической обработке). Основными источниками этих полей являются границы зерен и фрагментов.

В состоянии 2 зерна фрагментированы, в объеме фрагментов выявляется сетчатая ДСС или хаотически распределенные дислокации. Отличия в структуре выявляются при количественном анализе структуры (таблицы 2 и 3).

Таблица 2 — Объемные доли дислокационных субструктур в стали 08пс

Состояние Субструктура, % ДСС, %

без фрагментов неравноосные фрагменты хаотическая сетчатая

1 20 80 56 44

2 25 75 6 94

3 26 74 11 89

Эволюция ДСС состоит в смене хаотически распределенных дислокаций на сетчатую ДСС, объемная доля которой увеличивается более чем в 2 раза; скалярная плотность дислокаций при этом растет незначительно. Обнаружено увеличение в -1,8 раза плотности концентраторов напряжений при незначительном уменьшении поперечных размеров контуров, и увеличение в -2,6 раза плотности дислокаций в межфрагментных границах.

Таблица 3 — Количественные характеристики субструктуры стали 08пс

Состояние Фрагменты, мкм <Р>, Ю10, см"2 Контуры Да, град.

Н L h, нм r|, 105, мм"2

1 0,60±0,31 >2,50 2,4 188,6 1,3 2,80

2 — зона основного металла 0,31±0,14 0,76±0,31 3,2 192,0 2,6 2,80

2 — «изломы» 0,31±0,14 0,83±0,33 2,8 198,5 1,9 4,43

3 0,37±0,16 0,85±0,37 2,8 172,5 2,2 4,30

Это указывает на увеличении дефектности стали в состоянии 2. На поверхности полос из стали 08пс в состоянии 2 наблюдаются дефекты - «изломы». Металлографический анализ структуры в области «изломов» и в зоне

основного металла не выявил различия между ними. Формирующиеся в стали фрагменты неоднородны по размерам: их поперечные размеры изменяются в пределах от 0,1 до 0,9 мкм; продольные от 0,3 до 22 мкм. Размотка рулона и удаления окалины, не оказывая влияния на объемную долю фрагменти-рованной ДСС в среднем по листу проката (-0,8 в состоянии 1 и -0,75 - в состоянии 2), существенным образом сказывается на размерах фрагментов, снижая их в 2 и более раз, степени разориентации фрагментов (увеличивая азимутальную составляющую угла полной разориентации фрагментов в -1,3 раза) и плотности дислокаций, сосредоточенных в границах фрагментов (в -2,6 раза).

В объеме фрагментов и зерен, не содержащих малоугловых границ, независимо от места исследования стали 08пс (в области «изломов» и в зоне основного металла) присутствует ДСС преимущественно сетчатого типа (-0,95 объема зерна, остальное - структура дислокационного хаоса). На ЭМ изображениях структуры стали присутствуют изгибные экстинкционные контуры, которые всегда начинаются и заканчиваются на границах раздела зерен и фрагментов. Следовательно, данные дефекты структуры стали - «изломы» являются источниками кривизны-кручения ее кристаллической решетки. Установлено, что размотка рулона и удаление окалины способствует увеличению количества контуров на единице площади материала в -1,7 раза, что свидетельствует об увеличении количества концентраторов (КН) напряжений в стали. При этом в полосах «изломов» концентрация контуров в ~1,4 раза выше, чем в зоне основного металла (сталь 08пс), что указывает на большее количество в данных объемах стали КН (таблица 3).

гчН ... .

Б) в состоянии 1 (а, б) и состоянии 3 (в, г); а, в — светлопольные изображения; б, г - микроэлектроно-граммы; на (в) стрелками указаны пластины цементита Рисунок 5 - Электронно-микроскопическое изображение структуры перлитных зерен стали 08пс Оценки показали, что относительное содержание перлита в полосах «изломов» стали 08пс в 2-3 раза выше, по отношению к областям стали в зоне основного металла. При этом зерна перлита располагаются в стали неравномерно, группируясь преимущественно в полосах - «изломах» (рисунок 5 а). Установлено, что «изломы» и зоны основного металла обладают различным составом и состоянием дефектной субструктуры.

^ 0 5 пкм д ¡1-5 \

А) в состоянии 2, формирующихся в полосах - «изломах»; а, в — светлопольные изображения; б, г - микро-электронограммы с данных участков фольги, соответственно

Электролитическое наводо-роживание образцов стали 08пс в течение 24 часов не приводит к существенному изменению структуры стали. Электронно-микроскопическими методами в состоянии 3 в объеме зерен выявляется фрагментированная ДСС; в объеме фрагментов присутствует сетчатая ДСС или хаотически распределенные дислокации; границы зерен и фрагментов являются источниками кривизны-кручения кристаллической решетки стали. Различия в структуре стали в состояниях 1 и 3 выявляются при количественном анализе структуры. Электролитическое наводороживание приводит к незначительному увеличению средних размеров фрагментов и существенному расширению спектра размеров фрагментов. Одновременно с этим наводороживание стали 08пс сопровождается формированием в стыках границ зерен областей с квазиравноосной фрагментированной субструктурой. Размеры фрагментов здесь уменьшаются от 100 до 550 нм. Большое число наноразмерных фрагментов отражается и на строении микроэлектронограмм, рефлексы которых проявляют тенденцию к формированию дифракционных колец (рисунок 6). Следует отметить, что в структуре стали 08пс в исходном состоянии 1 подобные области не обнаруживались. Формирование областей с наноразмерными фрагментами в состоянии 3 вызвано процессами релаксации внутренних полей напряжений, формирующихся в стыках границ зерен. Наблюдается незначительное снижение скалярной плотности дислокаций стали в состоянии 3. Выявлено незначительное (в -1,14 раза) уменьшение средних поперечных размеров изгибных экстинкционных контуров, что соответствует пропорциональному увеличению амплитуды внутренних полей напряжений. Данный эффект, очевидно, обусловлен внедрением водорода в кристаллическую решетку феррита. Обнаружено незначительное (в ~1,2 раза) увеличение азимутальной составляющей угла полной разориентации дефектной субструктуры стали, что связано с влиянием на дефектную субструктуру стали водорода, расположенного на субграницах фрагментов. Наводороживание стали существенное влияет на состояние карбидной фазы сталей. Пластины Fe3C теряют огранку, в объеме пластин выявляется крапчатый контраст (рисунок 5 б). Подобные изменения морфологии и структуры пластин могут свидетельствовать о распаде цементита в процессе его взаимодействия с атомами водорода, а именно, с «уходом» атомов углерода из кристаллической решетки цементита. Предпочтительными местами локализации атомов углерода могут быть границы и стыки границ зерен. На границе раздела фаз водород реагирует с

Рисунок 6 - ПЭМ изображение структуры наводороженной стали 08пс (состояние 3)

цементитом с образованием метина СН1 или метана СН42. Давление углеводорода, достигая критических величин, может приводить к разрушению. Таким образом, при последующей деформации предварительно наводорожен-ной стали выявленные в стыках границ зерен области с повышенным уровнем дефектности будут являться в последующем, местами образования микротрещин.

ЭМ исследования микроструктуры образцов стали СтЛкп показали, что электролитическое насыщение стали водородом в течение 24 часов приводит к: увеличению скалярной плотности дислокаций и дислокаций, сосредоточенных в субграницах; формированию внутренних полей напряжений, что способствует образованию микротрещин в процессе приготовления тонких фольг; многократному (более 3 раз) увеличению количества КН; выделению наноразмерных (5-10 нм) включений второй фазы.

В Пятой главе «Реализация результатов диссертационного исследования и направления их возможного практического применения» отмечены основные результаты работы, имеющие техническое применение. В частности, методика электролитического наводороживании образцов в трехэлектродной ячейке при постоянном потенциале позволила по значениям предела прочности и времени электролитического насыщения (8, 14, 20 и 24 ч) оценить критическую концентрацию диффузионно-подвижного водорода, выше которой при деформации в металле возникают трещины, =29,2 см3/100г для листовой стали 08пс и для сравнения С]] = 19,2 см3/100г для катанки стали марки СтЛкп. Показано, что снижение прочности стали пропорционально увеличению времени насыщения водородом -^^ = <Ц'ехр(В-/я)0 25 , где

<7

л о

ДО" СТв — СТЯ 0 н

-= —-— (стд и Стд — пределы прочности исходного и наводорожен-

ст а°в

ного материала, В - константа, со - параметр водородной повреждаемости). Показано, что водородное охрупчивание заготовок из низкоуглеродистой стали может быть предупреждено предварительной подготовкой заготовок к прокатке путем регламентированного их охлаждения или длительным вылеживанием.

В Приложении приведены справки об использовании результатов работы в производственной и учебной деятельности.

Основные выводы

1. Установлен автоволновой характер локализации деформации при растяжении образцов листовой стали 08пс. Скорости очагов локализации деформации на линейных стадиях удовлетворяют универсальной обратно про-

' Криштал М.М., Караванова A.A. и др. Эффект обратимости разложения цементита при наводороживании углеродистой стали // ДАН. - 2009. - Т 425. - № 6. - С. 754 - 756.

2 Грдина Ю.В., Крепышева Л.Б. О механизме образования флокенов // Известия вузов

Черная метал,- 1961 - № 10. - С. 94-103.

порциональной зависимости скоростей движения автоволн локализованной деформации от коэффициента деформационного упрочнения, которая была получена ранее для металлических ГЦК, ОЦК и ГПУ моно- и поликристаллов.

2. Показано, что в исходном состоянии после горячей прокатки и в результате электролитического наводороживания образцов сталей 08пс и СтЛкп на всем протяжении процесса нагружения закономерно формируются и эволюционируют очаги локализованной пластической деформации. Характер эволюции картин распределения локальных деформаций в процессе нагружения определяется только сменой стадий деформационного упрочнения. Водород усиливает локализацию пластического течения и изменяет количественные параметры автоволнового процесса: длину и скорость.

3. Обнаружено, что электролитическое насыщение водородом сталей 08пс и СтЛкп приводит к изменению дефектной субструктуры, морфологии пластин цементита и сопровождается формированием в стыках границ зерен областей с наноразмерными фрагментами.

4. Экспериментально установлено проявление макроскопической локализации в виде очагов локализованной деформации при растяжении электролитически насыщенных водородом образцов в лабораторных условиях, и в виде «изломов», наблюдающиеся после размотки и кислотного травления горячекатаных полос стали 08пс. Расстояния между полосами «изломов» ~ 6 мм близки к пространственному периоду автоволн локализованной деформации (~ 6 мм).

5. Параметры, характеризующие склонность низкоуглеродистых сталей к водородной хрупкости, использованы на металлургических предприятиях при выборе режимов оптимизации технологии регламентированного охлаждения заготовок из низкоуглеродистых марок сталей.

Список публикаций по теме диссертации

1 Баранникова, С. А. Исследование картин локализации пластической деформации при электролитическом наводороживании малоуглеродистых сталей / С. А. Баранникова, Д. А. Косинов, М. В. Надежкин, А. Г. Лунев, Л. Б. Зуев, В. Е. Громов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2013. -Т.10. - № 3. - С. 329 - 333.

2 Шляхова, Г. В. Локализация пластической деформации в монокристаллах легированного y-Fe при электролитическом насыщении водородом / Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, Л. Б. Зуев, Д. А. Косинов // Известия вузов. Черная металлургия. - 2013. -№ 8. - С. 37 - 42.

3 Косинов, Д. А. Эволюция структуры и фазового состава низкоуглеродистой стали при наводороживании / Д. А. Косинов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Н. С. Дербичева // Наноинженерия. - 2013. -№8.-С. 12-14.

4 Иванов, Ю. Ф. Масштабные уровни структуры листового проката из низкоуглеродистой стали / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Косинов, Н. А.

Попова, С. В. Коновалов // Физическая мезомеханика. - 2013. - Т. 16. -№6.-С. 95 -98.

5 Иванов, Ю. Ф. Исследование механических свойств и структуры полос локализации пластической деформации горячекатаной низкоуглеродистой рулонной стали / Ю. Ф. Иванов, Е. JI. Никоненко, С. А. Баранникова, Д. А. Косинов, В. Е. Громов, С. В. Коновалов // Деформация и разрушение материалов. -2014-№ 1.-С. 37-40.

6 Надежкин, М. В. Исследование неоднородности пластической деформации сталей с использованием методов современного физического эксперимента/ М. В. Надежкин, Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, А. Д. Мальцев, Д. А. Косинов // Международный научно-исследовательский журнал. - 2012.-№ 6(6). Ч. 1,-С. 35-37.

7 Косинов, Д. А. Влияние водорода на макроскопическую локализацию пластического течения и разрушение монокристаллов хромоникелевого аустенита / Д. А. Косинов, Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, JI. Б. Зуев,

B.Е. Громов // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. - 2012. - Вып. 30. - С. 152 - 156.

8 Barannikova, S. A. Effect of hydrogen on plastic strain localization of low-carbon steel / S. A. Barannikova, L. B. Zuev, D. A. Kosinov, V. E. Gromov, S. V. Konovalov // Development of advanced materials and processing technology for energy saving applications. Book of the International seminar articles. -Novokuznetsk: SibSIU Publ. Center, 2013. - P. 196 - 201.

9 Надежкин, M. В. Исследование локализации пластической деформации низкоуглеродистой стали / М. В. Надежкин, Д. А. Косинов, С. А. Баранникова, JI. Б. Зуев, В. Е. Громов // Сборник материалов 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности». - Витебск: ИАТ НАНБ, 2012. - 4.2. - С. 132 - 133.

10 Надежкин, М. В. Влияние концентраторов напряжений на картины локализации пластической деформации при одноосном растяжении стали 08Ю / М. В. Надежкин, Д. А. Косинов, С. А. Баранникова, Л. Б. Зуев, С. В. Коновалов, В.Е. Громов // Сборник тезисов VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов». - Черноголовка: ИФТТ РАН, 2012. - С. 192.

11 Косинов, Д. А. Влияние электролитического насыщения водородом на локализацию пластической деформации в монокристаллах аустенитной стали / Д. А. Косинов, Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, Л. Б. Зуев, В. И. Мясникова, В. Е. Громов // Сб. трудов Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество». - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2012. - С. 76 - 78.

12 Косинов, Д. А. Влияние наводороживания на эволюцию структуры и фазового состава конструкционной стали / Д. А. Косинов, С. В. Коновалов,

C. А. Баранникова, Ю. Ф. Иванов, В. И. Мясникова, В. Е. Громов // Тезисы докладов 12 международного семинара «Структурные основы модифицирования материалов». - Обнинск: ОИАЭ, 2013. - С. 31 - 32.

13 Косинов, Д. А. Влияние электролитического насыщения водородом на локализацию пластической деформации в монокристаллах хромоникелевого аустенита / Д. А. Косинов, Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, Л. Б. Зуев, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Труды II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов». — Новокузнецк: СибГИУ, 2013. — Т. 2. - С. 218-223.

14 Баранникова, С. А. Влияние электролитического наводороживания на изменение картин локализации пластической деформации малоуглеродистой стали / С. А. Баранникова, Д. А. Косинов, М. В. Надежкин, А. Г. Лунев, Н. С. Дербичева, Л. Б. Зуев, В. Е. Громов // Тезисы докладов Международного симпозиума «Физика кристаллов 2013», посвященного 100-летию со дня рождения профессора М.П. Шаскольской. - М.: МИСиС, 2013.-С. 29.

15 Надежкин, М. В. Особенности картин локализации пластической деформации при электролитическом наводороживании низкоуглеродистых сталей / М. В. Надежкин, А. Г. Лунев, С. А. Баранникова, А. П. Павлов, Д. А. Косинов // Сборник научных трудов «Высокие технологии в современной науке и технике». — Томск: ТПУ, 2013. — С. 266 — 271.

16 Косинов, Д. А. Исследование полосчатой структуры горячекатаной низкоуглеродистой стали / Д. А. Косинов, С. В. Коновалов, С. А. Баранникова, Ю. Ф. Иванов, К. В. Алсараева, В. Е. Громов // Сборник материалов VI Международной школы с элементами научной школы для молодежи «Физическое материаловедение». — Тольятти: ТГУ, 2013. — С. 132.

17 Косинов, Д. А. Влияние электролитического насыщения водородом на локализацию пластической деформации в монокристаллах хромоникелевого аустенита / Д. А. Косинов, Г. В. Шляхова, С. А. Баранникова, Л. Б. Зуев, Н. С. Дербичева, С. В. Коновалов, В. Е. Громов // Тезисы докладов 54 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». — Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2013. - С. 205.

18 Косинов, Д. А. Роль наводороживания в эволюции структуры низкоуглеродистой стали / Д. А. Косинов, С. В. Коновалов, И. А. Комиссарова, Н. С. Дербичева, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов // Сборник тезисов докладов VII Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» ФСМиС-УП. — Екатеринбург: УрФУ, 2013. — С. 144 — 145.

Подписано в печать «21» февраля 2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,16. Уч. изд. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ № 110.

Сибирский государственный индустриальный университет. 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, типография СибГИУ