CC BY
34
УДК 669.Q46:62Q.179.16:62L789
ЭВОЛЮЦИЯ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СУБСТРУКТУРЫ НА МЕЗОУРОВНЕ И МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
© В.В. Коваленко, О.В. Соснин, Ю.Ф. Иванов, С.В. Коновалов,
В.В. Целлермаер, В.Е. Громов, Э. В. Козлов, С. Н. Горлова
Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет
Kovalenko V.V., Sosnin O.V., Ivanov Y.F., Konovalov S.V., Cellermaer V.V., Gromov V.E., Kozlov E.V., Gorlova S.N. Evolution of dislocation substructure at mesolevel and mechanisms of the electroimpulse increase of stainless steel resource. The change of structure, phase composition and failures of steel 08X18H10T subject to low-cycle fatigue are studied by methods of optic, restored and transmission electron diffracting microscopy on mesolevel. Reasons for resource increase and suppression of fatigue failure by electroimpulse treatment are found out.
Согласно современным представлениям, процесс пластической деформации одновременно реализуется на нескольких взаимосвязанных структурных микро-, мезо- и макроуровнях [1]. Эта классификация является весьма условной, и каждый уровень может быть дополнен несколькими (3-4) подуровнями [2]. Анализ работ по прочности и пластичности твердых тел последних лет показывает, что основным определяющим является мезоскопический уровень [3]. Применительно к процессу усталостного разрушения это означает, что именно здесь происходит формирование и эволюция мезоскопической субструктуры, определяющие долговечность изделий [4].
Проблема усталостного разрушения сталей и сплавов является актуальной и в настоящее время, несмотря на многолетнюю историю ее исследования. Работы последних лет, подчеркивающие сложную природу явления усталости, связывают развитие усталостных повреждений с самоорганизацией внутри и межструк-турных уровней пластической деформации [5]. Разрушение представляется заключительным этапом эволюции мезоструктуры, появляющееся после исчерпания материалом своих аккомодационных возможностей.
Ранее нами предложен ультразвуковой метод диагностики критической стадии наступления усталостных повреждений, когда на кривой зависимости скорости ультразвука и от числа циклов нагружения N отмечается резкий спад [6-9]. Для предотвращения усталостного разрушения необходимо подавить зарождение мезоскопической субструктуры. Этого можно достичь обработкой материалов мощными токовыми импульсами оптимальных параметров по частоте, амплитуде и времени воздействия [6-9]. Совершенно очевидно, что для целенаправленного использования данного метода необходимо знание закономерностей воздействия токовых импульсов на эволюцию дефектной дислокационной субструктуры и фазового состава обрабатываемых сталей.
В настоящей работе это сделано на стали 08Х18Н10Т в состоянии поставки. Размеры образцов, схема малоциклового нагружения, параметры электростимулирования не отличались от описанных ранее в [6-9].
В исходном состоянии анализируемая сталь имеет анизотропные зерна (коэффициент анизотропии 4,1), средний размер которых составляет 16 мкм. Она характеризуется традиционным набором дислокационных субструктур, сформированных в результате предварительной термомеханической обработки. Интересной особенностью дислокационной структуры исследуемой стали является наличие в исходном состоянии большого количества дислокационных петель вакансионного типа.
Исследования фазового состава стали выявили следующее. В материале в исходном состоянии в результате предварительной обработки образовались частицы сложного карбида типа М23С6-(FeCr)23C6 и карбида титана состава ТІС.
Фрактографический анализ поверхности разрушения выделил три зоны: зона стабильного роста трещины, зона ускоренного роста трещины и зона долома. Вся поверхность зоны стабильного роста покрыта усталостными микрополосами, ориентированными преимущественно нормально распространению роста трещины. Среднее расстояние между бороздками, характеризующее пробег трещины за цикл испытания, в исходном образце составляет 2,6 мкм. На поверхности разрушения наблюдается большое количество вторичных микротрещин. Зарождение их происходит по внутрифазным (границам зерен) и межфазным (границам раздела карбид - матрица) границам. Расстояние между данными микротрещинами в исходном образце составляет 17 мкм.
Стимуляция токовыми импульсами в начале третьей стадии зависимости и(М) увеличивает число циклов до разрушения на ~20 %. Это достаточно заметный эффект. Как и при обычном нагружении, на поверхности разрушения отмечаются те же три зоны. Однако количественные данные свидетельствуют об увеличении вязкости стали.
Металлографическими исследованиями показано, что электростимулирование, практически не изменяя форму зерен, увеличивает их средний размер в поверхностном слое стали, доводя его до величины 26,0 мкм. В исходном состоянии многие зерна содержат двойники отжига. Объемная доля таких зерен ~0,28 структуры
материала. Электростимулирование сопровождается интенсивным двойникованием стали. Объемная доля зерен с двойниками увеличивается до ~0,7.
Электростимулирование исходного образца приводит к некоторой перестройке дислокационной субструктуры: снижается объемная доля субструктуры дислокационного хаоса (~ до 60 %) и, соответственно, увеличивается объемная доля сетчатой и ячеистой субструктур. Упорядочение дислокационной субструктуры при электростимулировании сопровождается некоторым изменением величины плотности дислокаций. В среднем по материалу при токовом воздействии она незначительно увеличивается от 2,3-109 см-2 в исходном состоянии до 3,3-109 см-2. Электростимулированный образец разрушается при более высоких значениях скалярной плотности дислокаций и плотности изгиб-ных экстинкционных контуров, меньшем количестве микротрещин и меньшей величине кривизны кручения кристаллической решетки по сравнению с исходным образцом. Электростимулирование приводит к снижению средних размеров петель и их количества в единице объема материала. При этом если средние размеры петель уменьшаются менее, чем в два раза, то плотность петель - в ~46 раз.
Таким образом, эффект повышения ресурса стали 08Х18Н10Т при малоцикловой усталости носит на ме-зоуровне многофакторный характер и связан с протеканием процессов собирательной рекристаллизации, изменением кинетики самоорганизации дислокацион-
ной субструктуры и инициированием распада твердого раствора с выделением частиц карбида титана.
ЛИТЕРАТУРА
1. Структурные уровни пластической деформации и разрушения /
B.Е. Панин, Ю.В. Гриняев, В.И.Данилов и др. Новосибирск: Наука (Сибирское отд-е), 1990. 252 с.
2. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, П.В. Макаров и др. Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1995. Т. 1. 297 с.; Т. 2. 320 с.
3. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 1. № 1. С. 5-22.
4. Елсукова Т.Ф., Жукова К.П., Веселова О.В. и др. Структурные уровни деформации и разрушения поликристаллов при различных видах нагружения // Изв. вузов. Физика. 1990. № 2. С. 69-88.
5. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф. Деформация и разрушение поликристаллов при знакопеременном нагружении как диссипативный процесс // Синергетика и усталостное разрушение металлов. М.: Наука, 1989. С. 113-138.
6. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996. 280 с.
7. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Чиракадзе Д.З., Громов В.Е. Акустический контроль долговечности стальных образцов и восстановление их ресурса // ПМТФ. 1998. Т. 39. № 4. С. 180-184.
8. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Громов В.Е., Трусова Т.В. О возможности залечивания усталостных повреждений // Металлофизика и новейшие технологии. 1997. Т. 19. № 8. С. 80-82.
9. Громов В.Е., Семакин Е.В., Целлермаер В.Я., Соснин О.В. Элек-тростимулированное восстановление ресурса выносливости сварных соединений // Изв. РАН. Сер. физическая. 1997. № 5.
C. 1019-1023.
