Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 20×13 при усталости

Бессонов, Даниил Александрович

Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 20×13 при усталости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Бессонов, Даниил Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новокузнецк МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 20×13 при усталости»

Автореферат диссертации на тему "Закономерности влияния электронно-пучковой обработки на структуру и фазовый состав стали 20×13 при усталости"

На правах рукописи

Бессонов Даниил Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАЛИ 20X13

ПРИ УСТАЛОСТИ

Специальность 01.04.07-физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О1

Новокузнецк — 2013

2 9 АВГ 2013

005532456

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Громов Виктор Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Данилов Владимир Иванович - доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, главный научный сотрудник лаборатории физики прочности;

Хаимзон Борис Бернардович - кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Кузбасская государственная педагогическая академия», доцент кафедры физики и методики преподавания физики

Ведущая организация

ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Защита состоится «08» октября 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская область, ул. Кирова, 42, СибГИУ.

Факс (3843) 46-57-92

E-mail: d212_252_04@sibsiu.ru

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

Автореферат разослан » августа 2013 г.

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

Горюшкин В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Создание новых объемно-легированных материалов, являющееся до сих пор основным способом повышения надежности и долговечности деталей механизмов и машин, становится все более проблематичным из-за дефицита и дороговизны легирующих добавок. В этих условиях оказывается экономически и технически целесообразным использование технологий, которые оказывают на поверхность функционально различные действия. Например, после оптимизации микрорельефа поверхностного слоя деталей методами механической обработки с целью ее упрочнения применяют обработку пучками ионов, импульсной плазмой, электронными пучками. При использовании таких комбинированных технологий зафиксировано повышение усталостной выносливости, коррозионной стойкости и износостойкости.

Электронно-пучковая импульсная обработка в настоящее время является одним из перспективных способов модифицирования структуры приповерхностного слоя изделий с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Тем не менее, до конца не выяснены физические механизмы, приводящие к данным эффектам.

В связи с вышеотмеченным, выполнение исследований, посвященных установлению методами современного физического материаловедения физических основ повышения усталостной долговечности сталей, обработанных импульсным электронным пучком, представляется актуальным и своевременным.

Цель работы. Исследование влияния электронно-пучковой обработки на формирование структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали 20X13, их изменение при многоцикловой усталости и выяснение физической природы повышения усталостного ресурса.

Для реализации цели в работе поставлены следующие задачи:

1) исследование структуры, фазового состава, дефектной субструктуры стали в закаленном состоянии и их эволюции в процессе усталостных испытаний в исходном состоянии и после электронно-пучковой обработки в различных режимах;

2) выяснение механизмов разрушения стали, обработанной электронными пучками в различных режимах, при многоцикловом усталостном нагружении;

3) выявление закономерностей формирования градиента параметров зеренной и субзеренной структуры стали 20X13 в зоне разрушения при усталости;

4) анализ факторов, ответственных за повышение усталостной долговечности стали.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования

влияния электронно-пучковой обработки в различных режимах на усталостную выносливость, структуру, фазовый состав и дефектную субструктуру стали 20X13, подвергаемой многоцикловому усталостному нагружению.

Установлено, что воздействие низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками при обработке поверхности приводит к немонотонному изменению среднего размера зерен (уменьшение в 5-6 раз), формированию структуры ячеистой кристаллизации, растворению частиц карбидной фазы, снижению концентрации хрома в поверхностном слое.

Впервые показано, что при электронно-пучковой обработке стали формируется градиентная структура, характеризующаяся закономерным изменением фазового состава и параметров дефектной субструктуры по мере удаления от поверхности облучения. Установлено, что многоцикловые усталостные испытания не приводят к исчезновению градиентности.

Причиной разрушения обработанной электронным пучком стали 20X13 в результате многоцикловых усталостных испытаний является присутствие глобулярных частиц карбида типа М23С6 субмикронных размеров, а также формирование при электронно-пучковой обработке кристаллов Е-мартенсита.

Установлено, что причинами повышения усталостной долговечности облученной стали является измельчение зеренной и субзеренной структуры, растворение частиц карбидной фазы в поверхностном слое, инициированное электронно-пучковой обработкой.

Научная и практическая значимость работы заключается в увеличении усталостной работоспособности стали 20X13 при электронно-пучковой обработке в ~2 раза и установлении физических механизмов, способствующих этому. Полученные в работе экспериментальные результаты позволяют сформулировать рекомендации по внедрению метода повышения ресурса усталостной выносливости стальных изделий электронно-пучковой обработкой в промышленность.

В работе выявлен комплексный характер изменения фазового состава и дефектной субструктуры стали при электронно-пучковой обработке и многоцикловой усталости.

Результаты работы могут быть использованы студентами и аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния» и «Физическое материаловедение». Практическая значимость подтверждена справками об использовании результатов на предприятиях Кемеровской области.

Реализация результатов.

Различные металлические детали оборудования, подвергнутые электронно-пучковой обработке, используются в производственной

деятельности предприятий ОАО «Новокузнецкий хладокомбинат», ООО «БалтСибТранс», ООО «Химуглепром+».

Достоверность результатов работы обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач и использованием апробированных методик современного физического материаловедения, анализом литературных источников, применением статистических методов обработки экспериментальных данных, корреляцией полученных результатов с результатами других авторов, справками об использовании результатов работы.

Личный вклад автора состоит в обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками стали 20X13, проведении многоцикловых усталостных испытаний, анализе данных фрактограмм поверхности разрушения и картин дислокационных субструктур стали, в обработке полученных данных, сопоставлении полученных результатов с результатами других авторов, формулировании выводов и положений, выносимых на защиту, написании и подготовке статей, а также тезисов докладов научных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) сформулированные причины разрушения стали 20X13 с мартенситной структурой при многоцикловом усталостном нагружении;

2) совокупность экспериментальных результатов о структурных и фазовых превращениях стали при электронно-пучковой обработке в различных режимах;

3) установленный градиентный характер изменения параметров дефектной структуры и фазового состава стали, вызванный электронно-пучковой обработкой в различных режимах;

4) формирование градиентов параметров дефектной структуры и фазового состава стали, предварительно подвергнутой электронно-пучковой обработке, после усталостного разрушения;

5) установленная природа повышения усталостного ресурса электронно-пучковой обработкой.

«Актуальные проблемы прочности», 2011, Харьков; V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 2011, Екатеринбург; II Всероссийская конференция «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», 2011, Новосибирск; IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 2011, Москва; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, 2012, Санкт-Петербург; LII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Уфа; XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2012, Самара; LUI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Витебск; IV ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, 2012, Москва.

Работа выполнялась в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 годы» (проект 2.1.2/13482), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г.» (гос. контракты П332, 02.740.11.0538, соглашение№ 14.В37.21.0071).

Результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе, из которых 7 статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 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. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, приложений, списка литературы из 164 наименований. Диссертация содержит 183 страницы машинописного текста, в том числе 8 таблиц и 92 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, научная новизна, достоверность, практическая значимость научных результатов проведённого

исследования, личный вклад автора. Обосновано соответствие диссертации паспорту специальности.

В первом разделе «Повышение усталостной долговечности металлов и сплавов» приведен обзор статей в ведущих зарубежных и российских научных журналах и монографий по тематике исследуемой проблемы. Представлены общие сведения о процессе усталости. Проанализированы условия, влияющие на формирование усталостных трещин, рассмотрены изменения структуры, фазового состава и дислокационных субструктур в процессе усталости. Проанализировано влияние внешних энергетических воздействий на усталостное поведение металлов и сплавов, отмечено влияние обработки токовыми импульсами и концентрированными потоками энергии. Анализ имеющихся теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе «Материал, методы и методики проведения экспериментов и исследований» приводятся описания материала, методик и методов проведения экспериментов, используемых при выполнении работы.

В качестве материала для исследований использовалась сталь 20X13, образцы из которой подвергали отжигу при 1253 К (выдержка 3 часа) и закалке в масле.

Усталостные испытания проводились на специальной установке по схеме циклического асимметричного консольного изгиба. Температура испытаний во всех случаях была комнатной (-300 К). Частота нагружения образцов изгибом составляла 20 Гц. При испытаниях определялось число циклов до полного разрушения образцов с размерами 8-14-145 мм3 и концентратором напряжений в виде полукруглого выреза радиусом 10 мм.

Высокоинтенсивную электронно-пучковую обработку (ЭПО)1 лицевой поверхности образцов осуществляли с параметрами: энергия электронов еи = 18 кэВ; длительность импульса воздействия пучка электронов т = 50 мкс; количество импульсов воздействия N = 3; частота следования импульсов 5 = 0,3 с"1. Плотность энергии пучка электронов Е3 изменялась в интервале от 10 до 30 Дж/см . При Ед = 10 Дж/см2 режим электронно-пучковой обработки соответствовал начальной стадии оплавления образца (сглаживание поверхности, исчезновение царапин). При большей плотности энергии пучка электронов Е5 = 20...30 Дж/см2 плавился поверхностный слой толщиной до 5...10 мкм.

1 Электронно-пучковая обработка осуществлена на установке «СОЛО» в Институте

сильноточной электроники СО РАН.

После ЭПО образцы подвергали многоцикловому усталостному

нагружению до разрушения. Результаты усталостных испытаний приведены на рисунке 1, из анализа которых можно отметить, что усталостная долговечность стали существенным образом зависит от плотности энергии пучка

электронов (при фиксированных значениях длительности, частоты следования и количества импульсов воздействия пучка электронов) достигая максимального значения при Es = 30 Дж/см2. Опираясь на результаты, представленные на рис. 1, для последующего структурно-фазового анализа были использованы образцы стали, обработанные электронным пучком при Es = 10, 20, 30 Дж/см2.

Исследования дефектной субструктуры образцов осуществляли на расстояниях 5, 20 мкм от поверхности и в слое, прилегающем к поверхности образца, методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии фольг на просвет при помощи электронного микроскопа ЭМ-125. Поверхность разрушения образцов исследовали методами сканирующей электронной микроскопии с помощью прибора «SEM 515 Philips».

В третьем разделе «Обработка поверхности стали 20X13 высокоантенсивным электронным пучком: фазовый состав, структура и свойства» представлены результаты исследования влияния электронно-пучковой обработки на структуру, фазовый состав, а также на формирование градиентов структурно-фазовых состояний стали.

В исходном состоянии исследуемая сталь являлась поликристаллическим агрегатом, в объеме зерен которого в результате закалки была сформирована мартенситная структура. Зерна имели неравноосную форму, средний размер зерен 16,3 мкм. По границам зерен присутствуют частицы второй фазы, которые, следуя результатам микродифракционного анализа, являются карбидами состава М23С6 (значком «М» обозначены атомы хрома и железа).

3,0

Г 2,5 Z

2,0

1,5-

Е8> Дж/см2

Рисунок 1- Зависимость количества циклов до разрушения N от плотности энергии пучка электронов Е3

Высокоинтенсивная электронно-пучковая обработка стали с плотностью пучка электронов Е8 = 10, 20, 30 Дж/см2 приводит к увеличению числа циклов до разрушения в 1,4; 1,6 и 1,9 раза, соответственно (рис. 1). При этом в поверхностных слоях формируется разномасштабная (от макро- до наномасштабного уровня) многофазная структура. К мезомасъитабному уровню организации структуры поверхностного слоя стали отнесем кратеры, формирующиеся при скоростном термическом воздействии. При плотности энергии пучка электронов 10 Дж/см2 кратеры на поверхности облучения располагаются преимущественно строчками (рис. 2, а). Это означает, что причиной формирования кратеров являются включения второй фазы, формирующие строчечную ликвацию стали. Форма кратеров преимущественно округлая; размеры кратеров изменяются в пределах 50... 150 мкм. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 20 Дж/см2 и, далее, до 30 Дж/см" приводит к существенному увеличению размеров кратеров (до 400 мкм) (рис. 2, б) и формированию волнистой поверхности облучаемого образца.

а - Е5 = 10 Дж/см2; б - Е8 = 30 Дж/см2

Рисунок 2 - Мезомасштабный уровень организации структуры стали 20X13 - поверхность образца. Сканирующая электронная микроскопия

Обработка стали электронным пучком с плотностью энергии 10 Дж/см" приводит к формированию слоя, имеющего средний размер зерен -3,0 мкм (рис.3).

По границам и в стыках границ зерен располагаются частицы второй фазы, присутствие которых, а также сверхвысокие скорости нагрева и охлаждения, явились причиной формирования мелкозернистой структуры.

Увеличение плотности энергии пучка электронов до 30 Дж/см" вновь приводит к формированию поверхностного слоя с ультрамалым (—3,8 мкм) размером зерна (рис. 3). Следовательно, электронно-пучковая обработка стали при определенных режимах облучения позволяет существенным образом измельчать зеренную структуру поверхностного слоя.

О 5 10 15 20 25 30 а) Е^, Дж/см2

10 15 20 25 30 Е,, Дж/см2

а — мезомасштабный уровень; б - микромасштабный уровень 1,2 — средние продольные (Ь) и поперечные (Б) размеры зерен Рисунок 3 - Изменение среднего размера зерен стали 20X13 в зависимости от режима электронно-пучковой обработки

Микромасштабный уровень исследуемой стали формируется в результате высокоскоростной кристаллизации поверхностного слоя и представлен ячейками кристаллизации. Структура ячеистой кристаллизации в условиях обработки при 10 Дж/см2 формируется вокруг глобулярных частиц карбида типа М2зС6, присутствующих в стали в исходном состоянии. После облучения электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20...30 Дж/см2 ячейки кристаллизации выявляются в поверхностном слое стали повсеместно. Ячейки кристаллизации имеют округлую форму, размеры их изменяются в пределах от 80 нм до 500 нм.

Ячейки кристаллизации разделены прослойками второй фазы, толщина которых изменяется в пределах 20...40 нм. Одновременно с этим частицы второй фазы обнаруживаются и в объеме зерен. В обоих случаях частицы имеют малые размеры и относятся к наномасштабному уровню. Индицирование микроэлектронограмм, полученных с объема материала, содержащего частицы, позволило показать, что частицы являются карбидами хрома типа М2зС6 либо соединением состава а-РеСг (рис. 4). При обработке стали электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 10 Дж/см" вторичные частицы карбидной фазы обнаруживаются лишь в структуре ячеистой кристаллизации. После облучения стали электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20...30 Дж/см2 частицы вторичной фазы обнаруживаются и в объеме зерен. В отдельных случаях выявляются два масштабных уровня частиц: сравнительно крупные частицы размерами 30...50 нм и мелкие частицы размерами 4...6 нм (рис. 4).

а, б- светлопольные изображения, стрелками указаны частицы второй фазы; в-темное поле, полученное в близко расположенных рефлексах [110]o-Fe и [331]a-FeCr; г — микроэлектронограмма, рефлексы, в которых получено темное поле, указаны стрелкой

Рисунок 4 - Наномасштабный уровень организации структуры стали 20X13.

Просвечивающая электронная микроскопия

В четвертом разделе «Эволюция в процессе усталостного погружения структурно-фазового состояния стали 20X13, сформированного электронно-пучковой обработкой» представлены результаты, полученные при исследовании фазового состава и дефектной субструктуры, формирующейся в зоне усталостного разрушения стали 20X13, находящейся как в исходном состоянии, так и после электронно-пучковой обработки.

Установлено, что усталостные испытания (образец разрушен после 1,5-105 циклов) предварительно закаленной стали 20X13 сопровождаются пластической деформацией путем перемещения дислокаций и микродвойникования; разрушением структуры мартенсита путем термодеформационного воздействия; формированием внутренних полей напряжений; протеканием процессов деформационного растворения частиц карбидной фазы и деформационного старения. Одной из причин преждевременного усталостного разрушения стали является присутствие субмикронных частиц карбида типа М2зС6, инициирующих трещинообразование, вследствие высокого уровня формирующихся вдоль границы раздела карбид/матрица внутренних полей напряжений.

Усталостные испытания образцов, обработанных электронным пучком в режиме начального плавления поверхности (Es = 10 Дж/см), привели к их разрушению после 2,1-105 циклов нагружения, что соответствует увеличению усталостной долговечности стали в -1,4 раза.

Выполненные послойные электронно-микроскопические исследования показали формирование градиентной многофазной структуры. В слое толщиной ~5 мкм наблюдается формирование полосовой субструктуры; субзерен наноразмерного диапазона, расположенных вдоль границ и в стыках границ полос деформации и зерен; переходного слоя, разделяющего карбид и матрицу; внутренних полей напряжений в объеме частиц карбидной фазы; частиц карбидов хрома в результате протекания процесса деформационного старения стали.

Показано, что присутствие в стали глобулярных частиц карбида типа М23С6 (рис. 5) субмикронных размеров приводит к формированию при усталостных испытаниях внутренних полей напряжений критической амплитуды, релаксация которых сопровождается микрорастрескиванием областей материала, прилегающих к частице. Последнее свидетельствует о том, что присутствующие в стали глобулярные частицы карбида типа М23С6 субмикронных размеров являются потенциально опасными элементами структуры, способными вызвать преждевременное разрушение стали при ее усталостных испытаниях.

а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение, полученное в близкорасположенных рефлексах [211]Сг3С2 + [110]а-Ре; в -микроэлектронограмма (стрелкой указаны рефлексы, в которых получено темное поле). На (а) и (5) стрелками указаны частицы Сг3С2

Рисунок 5 — Выделение второй фазы, инициированное усталостным нагружением стали, обработанной электронным пучком. Поверхностный слой

Анализ поверхности разрушения образцов, обработанных электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя (Ец = 20 Дж/см2) показал, что

усталостное разрушение стали, наступившее после 2,35-105 циклов, сопровождается повсеместным формированием зеренно-субзеренной структуры. Исследованный приповерхностный слой характеризуется полным растворением субмикронных частиц карбида типа М2зС6, присутствующих в стали исходного состояния. Показано, что усталостные испытания приводят к разогреву стали до температуры обратного а => у превращения с образованием островков остаточного аустенита и способствуют распаду твердого раствора на основе а-железа с образованием частиц карбида хрома. Структурно-фазовый анализ материала позволяет предположить, что одной из возможных причин разрушения стали при усталостных испытаниях является формирование при высокоинтенсивной электронно-пучковой обработке кристаллов £-мартенсита.

Анализ поверхности разрушения образцов, обработанных электронным пучком в режиме интенсивного плавления поверхностного слоя (Ев = 30 Дж/см2) показал, что усталостное разрушение стали, приводит к формированию градиентной многофазной структуры.

Поверхностный слой (толщиной 8-10 мкм) характеризуется полным растворением субмикронных частиц карбида типа М2зС6, присутствующих в стали исходного состояния; малым размером зерен а-фазы; наличием многофазной структуры ячеистого типа.

В слое, расположенном на глубине ~20 мкм, выявлено формирование субзеренной и полосовой структуры с высокой плотностью концентраторов полей внутренних напряжений. Установлено, что концентраторы с максимальной амплитудой полей внутренних напряжений формируются у границы раздела частица карбидной фазы - а-матрица.

Проведенные исследования позволяют заключить, что увеличение плотности энергии пучка электронов в диапазоне Ез= 10 .. 30 Дж/см2 приводит к увеличению усталостного ресурса стали 20X13. Основными причинами повышения усталостной долговечности, инициированной электронно-пучковой обработкой стали, является измельчение зеренной и субзеренной структуры, растворение частиц карбидной фазы в поверхностном слое.

В приложении приведены акты и справки об использовании результатов работы в промышленности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате термической обработки стали 20X13 (аустенизации при 980СС и закалки в масле) формируется мартенситная структура, особенностью которой является присутствие субмикронных частиц карбида типа М2зС6 округлой, реже глобулярной формы, расположенных в объеме

зерен. Установлено, что разрушение стали 20X13, при многоцикловой усталости (Ы = —1,5-105 циклов) обусловлено формированием пиковых значений внутренних полей напряжений вблизи границы раздела карбид / матрица.

2. Установлено, что увеличение плотности энергии пучка электронов в интервале 10...30 Дж/см2 (50 мкс, 0,3 Гц, 3 имп.) при обработке поверхности предварительно закаленной стали 20X13 высокоинтенсивным электронным пучком приводит к увеличению толщины расплавленного поверхностного слоя; к растворению частиц карбидной фазы, присутствовавших в стали перед облучением электронным пучком; к снижению концентрации хрома в поверхностном слое; к формированию структуры ячеистой кристаллизации; к немонотонному изменению среднего размера зерен.

3. Установлено, что при электронно-пучковой обработке формируется упрочненный подповерхностный слой. Показано, что фазовый состав (размеры и плотность частиц карбидной фазы) и состояние дефектной субструктуры закономерным образом изменяются по мере удаления от поверхности облучения, что свидетельствует о формировании в стали градиентного структурно-фазового состояния.

4. Показано, что электронно-пучковая обработка поверхности стали 20X13 в интервале плотности энергии пучка электронов Е5 = 10-К30 Дж/см2 приводит к увеличению усталостной долговечности в 1,4^2 раза.

5. Формируемая в результате усталостного нагружения структура определяется режимом предварительной электронно-пучковой обработки:

- при облучении электронным пучком с Е5 = 10 Дж/см2 (режим оплавления поверхности) в слое толщиной ~5 мкм наблюдается формирование, во-первых, полосовой субструктуры; во-вторых, субзерен наноразмерного диапазона, расположенных вдоль границ и в стыках границ полос деформации и зерен; в-третьих, переходного слоя, разделяющего карбид и матрицу, в-четвертых, внутренних полей напряжений в объеме частиц карбидной фазы; в-пятых, частиц карбидов хрома;

- при облучении электронным пучком с Е3 = 20 Дж/см2 (режим плавления поверхностного слоя толщиной ~5 мкм) в слое толщиной ~5 мкм фиксируется, во-первых, полное растворением субмикронных частиц карбида типа М2зС6, присутствующих в стали исходного состояния, во-вторых, формирование зеренно-субзеренной структуры;

- при облучении электронным пучком с Е3 = 30 Дж/см2 (режим плавления поверхностного слоя толщиной -8...10 мкм) выявлено, во-первых, разрушение структуры ячеек кристаллизации, во-вторых, формирование разнообразной

дислокационной субструктуры (сетчатая, ячеисто-сетчатая, полосовая, оборванные субграницы, субзерна).

6. Установлено, что основными причинами повышения усталостной долговечности, инициированной электронно-пучковой обработкой стали является измельчение зеренной и субзеренной структуры, растворение частиц карбидной фазы в поверхностном слое.

7. Результаты работы по увеличению эксплуатационного ресурса стальных изделий низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками применены на промышленных предприятиях. Суммарный экономический эффект от использования составил 2,3 млн. руб., доля диссертанта составляет 30%.

Список публикаций по теме диссертационной работы:

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Иванов, Ю. Ф. Фазовый состав и дефектная субструктура стали 20X13, обработанной электронным пучком в режиме оплавления поверхности / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов [и др.] // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2011. — Т. 8. — № 3. — С. 28 — 34.

2. Иванов, Ю. Ф. Структурно-фазовое состояние поверхностного слоя, формирующееся в стали 20X13 в результате облучения высокоинтенсивным электронным пучком / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, С. В. Воробьев, Д. А. Бессонов, [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т. 14. — № 6. - С. 111 — 115.

3. Иванов, Ю. Ф. Эволюция структуры и фазового состава стали 20X13 в процессе упрочняющей электронно-пучковой обработки и последующего усталостного нагружения / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов [и др.] // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - № 12. - С. 19-23.

4. Бессонов, Д. А. Повышение усталостной долговечности стали 20X13 электронно-пучковой обработкой / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, Ю. Ф. Иванов // Известия вузов. Черная металлургия. - 2011. - № 10. - С. 48 - 49.

5. Воробьев, С. В. Формирование градиентной структуры и фазового состава поверхностных слоев стали 20X13 после облучения высокоинтенсивным электронным пучком / С. В. Воробьев, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. -2012.-№4.-С. 97-99.

6. Бессонов, Д. А. Эволюция зеренной структуры поверхностного слоя стали 20X13, подвергнутой электронно-пучковой обработке / Д. А. Бессонов, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. -2012.-№ 2.-С. 44-48.

7. Бессонов, Д. А. Формирование нанокристаллических структур в нержавеющей стали, подвергнутой электронно-пучковой обработке и

многоцикловому усталостному нагружению / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, В. Е. Громов [и др.] // Наноинженерия. - 2013. - № 3. - С. 20 - 24.

Монография:

8. Иванов, Ю.Ф. Усталостная долговечность стали мартенситного класса, модифицированной высокоинтенсивными электронными пучками / Ю. Ф. Иванов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев [и др.] // Новокузнецк: ИнтерКузбасс, 2011.-259 с.

Статьи и тезисы докладов в трудах конференций:

9. Воробьев, С. В. Эволюция структуры поверхности закаленной стали 20X13, подвергнутой обработке импульсными электронными пучками субмиллисекундной длительности воздействия / С. В. Воробьев, Д. А. Бессонов, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Структурные основы модифицирования материалов: тезисы докладов Международного семинара MHT-XI. - Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ. - 2011. - С. 41.

10. Бессонов, Д. А. Структурно-фазовое состояние поверхностного слоя стали 20X13, формирующееся облучением электронным пучком / Д. А. Бессонов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьев [и др.] // Сб. материалов VI Всероссийской молодежной научной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений". — Тольятти: ТГУ. — 2011.-С. 76.

11. Бессонов, Д. А. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру поверхности закаленной стали 20X13 / Д. А. Бессонов, C.B. Воробьев, Ю. Ф. Иванов [и др.]// Тезисы докладов вторых московских чтений по проблемам прочности, посвященных 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна. - Черноголовка: ИМФМ РАН. - 2011. - С. 29.

12. Бессонов, Д. А. Структурно-фазовое состояние поверхностного слоя стали 20X13, формирующееся облучением электронным пучком / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, С. В. Коновалов [и др.] // Тезисы докладов II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» - Новосибирск: НГТУ. - 2011. — С. 16.

13. Gromov, V.E. Defect substructure evolution in fatigue loaded and failed stainless steel processed by high-intensity electron beam / V. E. Gromov, G. Tang, D. A. Bessonov [et al] // Сборник материалов 4 международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2011. — М.: ИМЕТ РАН. - 2011. - С. 308-310.

14. Бессонов, Д. А. Формирование градиентной структуры при электронно-пучковой обработке сталей / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, И.А. Комиссарова [и др.] // Сб. материалов международной конференции молодых «XXI Уральской школы металловедов-термистов». Актуальные проблемы

физического металловедения сталей и сплавов. - Магнитогорск: МГТУ. - 2012. -С. 29-30.

15. Бессонов, Д. А. Природа увеличения усталостного ресурса нержавеющих сталей электронно-пучковой обработкой / Д. А. Бессонов, В. Е. Громов, В.В. Сизов [и др.] // Материалы международной конференции «Электрон-фоновые и спиновые взаимодействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах». — Новокузнецк: СибГИУ. — 2012. — С. 87 — 95.

16. Бессонов, Д. А. Изменение структуры поверхности закаленной стали 20X13, подвергнутой электронно-пучковой обработке / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, С. В. Коновалов [и др.] // Сборник материалов. XX Петербурские чтения по проблемам прочности. - Санкт-Петербург: СГПУ. -2012.-С. 56.

17. Konovalov, S.V. Evolution of dislocation substructures in fatigue loaded stainless steel processed by high-intensity electron beam / S.V. Konovalov, S. V. Vorobyev, S. V. Gorbunov, D. A. Bessonov [et al] // Summaries of lecture. 10th international symposium of Croatian metallurgical society. - Zagreb: Metallur-gia.-Vol. 51.-2012.-P. 282.

18. Бессонов, Д. А. Влияние электронно-пучковой обработки на зеренную структуру поверхностного слоя стали 20X13 / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, С. В. Коновалов [и др.] // Материалы 52-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». — Уфа: РИЦ БашГУ. — 2012. -С. 70.

19. Бессонов, Д. А. Эволюция структуры и фазового состава аустенитной стали,подвергнутой электронно-пучковой модификации и последующему усталостному нагружению / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, С.

B. коновалов [и др.] // Сб. материалов XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». — Самара: СамГТУ. — 2012. —

C. 53.

20. Бессонов, Д. А. Влияние электронно-пучковой обработки на формирование и эволюцию структуры и фазового состава сталей 08Х18Н10Т и 20X13 при усталости / Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев, С. В. Горбунов, [и др.] // Материалы 53-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». - Витебск: УО ВГТУ. - 2012. - С. 138.

21. Громов, В. Е. Природа повышения усталостной долговечности нержавеющей стали мартенситного класса, обработанной электронным пучком / В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьев // Сборник тезисов четвертой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России. - М.: НОР. -2012.-С. 34-35.

Подписано в печать «1» августа 2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная Усл.печ.л. 1,05 Уч.изд.л. 1,17 Тираж 120 экз. Заказ № 337

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

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Бессонов, Даниил Александрович, Новокузнецк

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

04201362070

На правах рукописи

Бессонов Даниил Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАЛИ 20X13

ПРИ УСТАЛОСТИ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ д.ф.-м.н., профессор Громов В.Е.

Новокузнецк - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ......................................................................................................................10

1.1 Периоды и стадии усталости..................................................................................10

1.2 Параметры, влияющие на усталость металлов и сплавов....................................14

1.3 Изменение структуры, фазового состава и дислокационных субструктур в процессе усталости........................................................................................................21

1.4 Влияние внешних энергетических воздействий на свойства металлов и сплавов............................................................................................................................24

1.4.1 Обработка токовыми импульсами...........................................................24

1.4.2 Упрочнение поверхности металлов концентрированными потоками энергии.................................................................................................................30

1.5 Выводы по 1 главе....................................................................................................37

2 МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................39

2.1 Материал исследования...........................................................................................39

2.2 Методика усталостных испытаний........................................................................39

2.3 Электронно-пучковая обработка стали..................................................................41

2.3.1 Оборудование для обработки поверхности материала высокоинтенсивным низкоэнергетическим электронным пучком................41

2.3.2 Выбор режима обработки стали высокоинтенсивным электронным пучком..................................................................................................................47

2.4 Методики структурных исследований...................................................................49

2.5 Методики количественной обработки результатов исследований.....................51

3. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 20X13

ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ: ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА..................................................................54

3.1 Структура стали перед облучением электронным пучком..................................54

3.2 Структура стали, обработанной электронным пучком в режиме оплавления поверхности....................................................................................................................59

3.3 Структура стали, обработанной электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя......................................................................................................66

3.4 Структура стали, обработанной электронным пучком в режиме интенсивного плавления........................................................................................................................82

3.5 Анализ зависимости параметров структуры стали от плотности энергии пучка электронов (50 мкс, 0,3 Гц, 3 имп.)..............................................................................90

3.6 Выводы по 3 главе..................................................................................................104

4. ЭВОЛЮЦИЯ В ПРОЦЕССЕ УСТАЛОСТНОГО НАГРУЖЕНИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛИ 20X13, СФОРМИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ......106

4.1 Эволюция структуры стали, закаленной с печного нагрева, индуцированная

усталостными испытаниями.......................................................................................107

4.2. Эволюция структуры стали, обработанной электронным пучком в режиме оплавления поверхности, индуцированная усталостными испытаниями..............115

4.3 Эволюция структуры стали, обработанной электронным пучком в режиме плавления поверхностного слоя, индуцированная усталостными испытаниями. 129

4.4 Эволюция структуры стали, обработанной электронным пучком в режиме интенсивного плавления..............................................................................................146

4.5 Практическая реализация результатов работы...................................................155

4.6 Выводы по главе 4..................................................................................................158

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...........................................................................................161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................181

Приложение А..............................................................................................................182

Приложение Б...............................................................................................................183

Приложение В...............................................................................................................184

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Для реализации цели в работе поставлены следующие задачи:

4) анализ факторов, ответственных за повышение усталостной долговечности стали.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования влияния электронно-пучковой обработки в различных режимах на усталостную выносливость, структуру, фазовый состав и дефектную субструктуру стали 20X13, подвергаемой многоцикловому усталостному нагружению.

Впервые показано, что при электронной-пучковой обработке стали формируется градиентная структура, характеризующаяся закономерным изменением фазового состава и параметров дефектной субструктуры по мере удаления от поверхности облучения. Установлено, что многоцикловые усталостные испытания не приводят к исчезновению градиентности.

Установлено, что причинами повышения усталостной долговечности облученной стали является измельчение зеренной и субзеренной структуры,

растворение частиц карбидной фазы в поверхностном слое, инициированное электронно-пучковой обработкой.

Научная и практическая значимость работы заключается в увеличении усталостной работоспособности стали 20X13 при электронно-пучковой обработке в ~2 раза и установлении физических механизмов, способствующих этому. Полученные в работе экспериментальные результаты позволят сформулировать рекомендации по внедрению метода повышения ресурса усталостной выносливости стальных изделий электронно-пучковой обработкой в промышленность.

Реализация результатов.

Различные металлические детали оборудования, подвергнутые электронно-пучковой обработке, используются в производственной деятельности предприятий ОАО «Новокузнецкий хладокомбинат», ООО «БалтСибТранс», ООО «Химуглепром+».

картин дислокационной субструктуры стали, в обработке полученных данных, сопоставлении полученных результатов с результатами других авторов, формулировании выводов и положений, выносимых на защиту, написании и подготовке статей, а также тезисов докладов научных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

5) установленная природа повышения усталостного ресурса электронно-пучковой обработкой.

Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах:Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов», 2011, Обнинск; XIX республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов, 2011, Гродно; Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», 2011, Тольятти; Вторых московских чтениях по проблемам прочности материалов, 2011, Черноголовка; Ы Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2011, Харьков; V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 2011, Екатеринбург;!! Всероссийская конференция «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций»,

2011, Новосибирск;^ международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 2011, Москва; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, 2012,Санкт-Петербург; LII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Уфа; XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2012, Самара; LUI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 2012, Витебск; IV ежегодной конференции Нанотехнологического общества России,

2012, Москва.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 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).

Результаты научных исследований, изложенные в диссертации,получены и опубликованы в открытой печати в соавторстве с доктором физико-

математических наук, профессором В.Е. Громовым, доктором физико-математических наук, профессором, в.н.с. Ю.Ф. Ивановым, кандидатом технических наук C.B. Воробьевым, кандидатом технических наук, доцентом C.B. Коноваловым, а также в соавторстве и в результате работы с другими коллегами, в разное время занимавшимися научной работой в ФГБОУ ВПО «СибГИУ», ФГБУН ИСЭ СО РАН и ФГБОУ ВПО «ТГАСУ», что подтверждается литературными ссылками на источники из перечня библиографического списка.

Автор считает своим приятным долгом выразить признательность и глубокую благодарность за полезные обсуждения, критические замечания и постоянную поддержку научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору В.Е. Громову, кандидату технических наук C.B. Воробьеву, докторуфизико-математических наук, профессору Ю.Ф. Иванову, а также кандидату технических наук, доцентуС.В. Коновалову.

1 ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению называется усталостью [1]. В настоящее время различают многоцикловую усталость и малоцикловую усталость [2]. Многоцикловая усталость - это усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании, а малоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упруго - пластическом деформировании [3].

1Л Периоды и стадии усталости

Вся полная кривая усталости разделяется на две основные области: малоцикловой и многоцикловой усталости. Ряд исследований показывает, что условной границей между этими областями является напряжение, равное динамическому пределу текучести [4, 5].

В настоящее время при рассмотрении процесса разрушения металлических материалов принято весь процесс накопления деформации и разрушения делить на два основных периода - период зарождения и период распространения трещин. При статическом растяжении пластическую деформацию и повреждения, накопленные до начала образования шейки, можно классифицировать как период зарождения трещин [6].

Во всех областях усталости зарождение трещины реализуется под поверхностью. Однако после выхода на поверхность период роста трещины оказывается кратковременным. Основная доля периода роста трещины

Установлено, что в первом приближении для материалов в состоянии поставки и для материалов, подвергнутых предварительному неупругому деформированию меньше некоторого предела, эти характерные точки совпадают по параметру, характеризующему полный