CC BY
10ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ТЕХНИЧЕСКОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОСНАЩЕНИИ СОВРЕМЕННОГО АПК И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 621.74:621.746.22:669.162.275.122.6.003.12
ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНОЙ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ОТЛИВКАХ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Клочко О.Ю., Сайчук А.В., Рыбалко И.Н.
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко E-mail: stamarasemenovna@mail.ru
Аннотация. В работе проведена оценка степени локальной неоднородности методом оптико-математического анализа металлографических изображений различных фаз серого феррито-перлитного чугуна, формируемой в результате процесса кристаллизации, пластической деформации, путем выявления и исследования изменения дислокационной структуры, определения ее плотности с оценкой величины дисперсности фаз, а также с учетом изменения энергетических параметров: функций мощности диссипации энергии и напряжений. В проведенной работе предложен принципиально новый подход к оценке неоднородности структуры на основе степени дисперсности фаз, а также функций мощности диссипации энергии и дисперсности мощности напряжений, отражающие изменения энергетического состояния системы, в результате процессов, происходящих при кристаллизации и пластической деформации высокоуглеродистых сплавов на примере серого феррито-перлитного чугуна. При помощи таких параметров возможно с достаточно высокой точностью выявлять дислокации, исследовать изменения такой структуры и оценивать ее плотность в зависимости от условий эксплуатации. Такой подход лишен основных недостатков, существующих в методах исследования дислокационной структуры. И может быть предложен для ее выявления и оценки изменчивости.
Ключевые слова: серый чугун, локальная неоднородность, дислокационная структура, металлографическое изображение.
Серые чугуны это наиболее чаще всего применяемые материалы для изготовления корпусных деталей, гильз цилиндров, металлических
форм для литья, сердцевин и шеек двухслойных прокатных валков и др. При эксплуатации такие изделия подвергаются воздействию различных нагрузок.
Серые чугуны отличаются различным фазовым составом. Долей и строением графита, определяющие его свойства и поведение в эксплуатации. Диффузия элементов, неоднородность коэффициентов линейного и объемного расширения феррита, цементита и графита в процессе кристаллизации чугунных отливок, а также при эксплуатации, изменяют уровень напряжённого состояния, что проявляется в возникновении дефектов и деградации, интенсификации диффузионных процессов. Значительная структурная неоднородность в свою очередь вызывает и анизотропию напряженного состояния, что является источником зарождения и развития дефектов - дислокаций. В связи с этим, представляется целесообразным оценить изменение дислокационной структуры такого чугуна в условиях воздействия различных факторов (кристаллизации и пластической деформации), приводящих к возникновению структурной неоднородности и напряженного состояния в изделиях.
Ранее в работе [1] авторами была показана возможность выявления дислокационной структуры, с использованием разработанных методик оптико-математического компьютерного анализа [2], путем оценки параметра изменчивости условных цветов, которые являются критерием в описании неоднородности гетерогенной структуры высокоуглеродистых сплавов. Дальнейшим развитием исследований явилась разработка уточненных методик определения дисперсности структурных составляющих различных фаз, характеризующихся локальной неоднородностью [3]. При этом, дисперсность структуры гетерогенного сплава выражали при помощи функций, представляющих собой энергетические параметры [4]. В связи с вышеизложенным, целью данной работы являлась оценка степени локальной неоднородности различных фаз серого чугуна, формируемой в результате процесса кристаллизации и пластической деформации, путем выявления и исследования изменения дислокационной структуры, оценки ее плотности при помощи величины дисперсности фаз, а также выражаемой через энергетические параметры, методом оптико-математического анализа металлографического изображения.
Выявление и изучение изменений дислокационной структуры различных фаз, происходящих в сером чугуне, в условиях воздействия напряжений, формируемых в результате процесса кристаллизации и пластической деформации, проводили на фотографиях микроструктур, с использованием методики оптико-математического компьютерного
анализа [2]. Оценку неоднородности проводили по степени изменения дислокационной структуры, её плотности.
В качестве критерия, описывающего изменения дислокационной структуры и ее плотности соответственно, были использованы энергетические параметры, такие как функции мощности диссипации энергии и напряжений. Эти показатели рассчитывали по методике, описанной в работе [5]. Степень неоднородности данных функций выражали через их дисперсность, согласно ранее выполненной работы [3].
Оценку производили с учетом вычисляемых значений на изображении металлографической структуры, разбиваемой на ячейки размером 3*3 пикселя. Обработку такой матрицы выполняли путем последовательного сканирования каждого ее пикселя, задавая его как среднюю точку, находящуюся внутри ячейки заданного размера. Для оценки неоднородности, соответствующей изменению дислокационной структуры и ее плотности исследовали фотографии серого феррито-перлитного чугуна в зоне деформации, выявленных по уровню коэрцитивной силы после кристаллизации и пластической деформации (рис.1, структуры 1, 2 и 3 соответственно).
1 2 3
Рисунок 1 - Оптическая микроструктура серого феррито-перлитного чугуна: литое состояние (после кристаллизации отливки) -фото 1, *500; после пластической деформации - 2,*200; 3,*1000.
Проведена оценка фазового состава, исследуемых структур, и степени его неоднородности путем вычисления горизонтальных и вертикальных дисперсностей выявленных фаз (относительного числа пикселей) в локальных областях (табл.1, 2, 3 соответственно) согласно методике [3].
При цифровой обработке изображений исследуемых структур, весь диапазон, получаемых в результате математического анализа условных цветов (от 0 до 255), был разбит на 16 дискретных интервалов, включивших три группы фаз: 0-2 - 1-я группа фаз графита; 3-10 - 2-я группа фаз феррита: а - фаза с различным типом совершенства кристаллической решетки (в этот интервал включены и
игольчатые структуры) и различающиеся химическим составом; 11-16 - 3-я группа фаз карбидов различных типов (РеС, РехСу и Ре3С).
При рассмотрении развития неоднородности по содержанию углерода в сером чугуне, формируемой в результате кристаллизации, пластической деформации, учли результаты исследований работы [6], в которой было показано, что пластичность перлита при деформации зависит от ориентационной направленности между ферритом и цементитом. Поскольку совпадение систем скольжения феррита и цементита встречается не часто, то и деформация вдоль пластин твердой фазы наблюдается сравнительно редко.
Таблица 1 - Количественное соотношение выявленных условных цветов (фазовый состав), % в области анализируемого изображения_
Выявленные условные цвета, % групп фаз Фото
графита феррита
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
26.6 0.5 0.0 0.0 02.3 16.6 0.0 0.0 0.0 06.3 1
12.9 0.0 0.0 0.0 00.0 10.6 0.0 0.0 0.0 06.7 2
39.0 01.7 0.0 0.0 02.1 10.9 0.0 0.0 00.0 03.3 3
Продолжение таблицы 1
Выявленные условные цвета, % групп фаз Фото
карбидов
11 13 14 15 16
15.2 1 0.0 0.0 19.2 13.3 1
43.7 2 0.0 0.0 00.0 26.1 2
19.3 3 0.0 0.0 05.5 18.1 3
Ограниченность деформации зерен феррита приводит к тому, что уже после малых деформаций плотность дислокаций около пластин цементита резко возрастает в результате того, что границы раздела феррит — цементит являются не только источником развития напряжений, но и препятствием для их продвижения. Последнее вызывает облегчение поперечного скольжения и возникновение ячеистой структуры в феррите перлита с формированием дислокационных стенок вдоль цементитных пластин. Наблюдается повышение уровня локальных напряжений, увеличение плотности дислокаций. На изображениях 1-3 (см.рис.2), выявлено декорирование таких областей в результате диффузии атомов углерода.
Анализ полученных значений выявил существенные локальные фазовые неоднородности в исследуемых структурах, как по
вертикальной, так и по горизонтальной дисперсности, что указывает на наличие дислокационной структуры различной плотности в отличающихся зонах и согласуется со значениями функции мощности диссипации, превышающими заданный порог значений (табл.5).
Для сопоставления была исследована локальная неоднородность в выявленных фазах, используя критерий изменчивости 2 (табл.4), согласно методике, предложенной в работе [1]. Очевидно, что для области изображения ячейки размером 3*3 пикселя структура является 100% однородной при условии совпадения цветов для всех 9 значений внутри этой области.
Таблица 2 - Величина горизонтальной дисперсности фаз (относительное число пикселей) в локальных областях изображения размером 3*3 пикселя__
Выявленные фазы Среднее значение горизонтал ьной дисперснос ти № фо то
Ферр ит Граф ит Карби ды Ферр ит + граф ит Ферр ит + карби ды Карби ды + графи т Ферр ит + графи т + карби ды
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10.032 02.665 09.082 02.691 05.015 02.805 02.582 05.794 1
05.959 03.304 10.878 02.257 04.531 02.730 02.752 05.456 2
20.277 02.442 14.213 02.174 04.563 02.423 02.670 08.537 3
Таблица 3 - Величина вертикальной дисперсности фаз (относительное число пикселей) в локальных областях изображения размером 3*3 пикселя_
Выявленные фазы Среднее значение вертикальной дисперсности № фото
Феррит Графит Карбиды Феррит + графит Феррит + карбиды Карбиды + графит Феррит + графит + карбиды
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10.092 02.587 09.071 02.733 05.020 02.813 02.592 05.804 1
05.931 02.850 10.722 02.181 04.657 02.659 02.702 05.402 2
17.078 02.287 12.229 01.952 03.969 02.161 02.379 07.370 3
При сопоставительном анализе выявления локальной неоднородности различными методами, установлено, что разброс ее значений соответствует от 3% для структуры 1 до 7 и 20% для структур 2 и 3 соответственно (см.табл.2 и 3, столбец 8 и табл.4, столбцы 7-9). Данные результаты показывают, что при исследовании изображений при больших (более 1000 крат) увеличениях, методика,
предложенная в данной работе, выявляет локальную неоднородность с более высокой точностью.
Для выявления степени локальной неоднородности, определяемой изменением дислокационной структуры, были рассчитаны средние значения функции мощности диссипации энергии на всем изображении каждой фотографии, а также оценены отклонения (табл.5). При этом, поскольку при деформации энергетическое состояние металла является неравновесным, при оценке значения данного параметра принимали его с противоположными знаками. Где положительному - соответствовали состояния увеличения плотности дислокаций (сжатия), отрицательному - разрежения (зоны сброса напряжений). Также были найдены абсолютные значения мощности диссипации, характеризующие протекающий процесс в целом.
В результате анализа полученных значений установлено, что закон распределения функции мощности диссипации энергии, происходящей в результате деформационных воздействий, является близким к экспоненциальному распределению.
Получены фотографии, характеризующие распределения абсолютных значений функции мощности диссипации энергии для каждого изображения. На экран выводили те значения, в которых параметр отличен от нуля. Черный цвет показывал, отсутствие диссипации энергии, т.е. равновесное состояние. При превышении величины абсолютного значения 11500, характеризующей наиболее энергетически неустойчивое состояние, точку на экране для наглядности выводили в красном цвете. Выбранные граничные значения являлись порогом чувствительности при оптико-математическом анализе.
Исследованиями [7] установлено, что грубые пластинчатые включения графита в сером чугуне, повышают уровень локальных напряжений (положительные значения диссипации мощности энергии составляют от 44000 до 56000, см. табл.5), а также плотность дислокаций. В этих зонах возрастает диффузия углерода, выделение которого их декорирует. В отдельных зонах графита просматриваются изменения цвета и появление в нем четко выраженных светлых зон. Границы включений графита имеют красный цвет (точечные выделения углерода происходят на дислокациях). Также выявлено скопление дислокаций у концов графитовых пластинчатых включений, что характеризует локальную концентрацию напряжений. Такие зоны с повышенной плотностью дислокаций являются очагами зарождения трещин. Их появление могут быть связаны и с отклонениями в технологическом процессе производства отливок, условиями их кристаллизации, а также в результате локализации пластической
деформации.
Рассчитана функция напряжений, определяющая плотность дислокаций (табл.6). Аналогично функциям мощности диссипации, они также имеют положительное, отрицательное и нулевое значение, определяющие процессы, протекающие в структуре металла. По результатам расчетов были построены зависимости распределения функции напряжений, где аналогично рис.2, был задан предел граничных значений лапласиана (10000), при превышении которого пиксели окрашивались в красный цвет.
1
111 н щщёж . кг! |||
ш Ш ■ Ё£ и ■а
Рисунок 2 - Распределение дисперсности функции напряжения. Для каждой структуры: верхний ряд - горизонтальная дисперсность; нижний - вертикальная. Слева - с отрицательным знаком; в центре -нулевая; справа - с положительным знаком. Красным цветом указаны значения плотности дислокационной структуры, величина лапласианов которых превышает 10000.
Таблица 4 - Величина изменчивости 2 в локальных областях
изображения размером 3*3 пикселя
Выявленные ф азы
Феррит + графит Графит+ карбиды Феррит + карбиды Феррит + графит + карбиды № фо
граф ферр граф карби ферр карби граф ферр карби то
ит ит ит ды ит ды ит ит ды
1.26 1.66 1.57 2.42 2.37 2.76 1.63 2.03 2.44 1
1.27 1.66 1.65 2.51 2.42 2.78 1.65 2.07 2.48 2
1.24 1.67 1.55 2.44 2.36 2.77 1.56 2.02 2.45 3
Таблица 5 - Величины распределения средних значений функции мощности диссипации энергии_
Величина функции мощности диссипации энергии № фо то
Абсолютное значение Отрицательное значение Положительное значение
сред нее среднеквадрат ическое отклонение сред нее среднеквадрат ическое отклонение сред нее среднеквадрат ическое отклонение
15273.80 48129.20 1437.80 1437.90 55222.00 78603.30 1
14636.30 49301.50 1579.10 1302.10 48134.10 79950.50 2
8381.70 36017.30 1290.20 1111.40 44084.70 72525.30 3
Таблица 6 - Величина средней дисперсности функции напряжения (относительное число пикселей)_
Горизон тальная дисперс ность Горизонтальная дисперсность функций напряжения Верти-альная дисперс ность Вертикальная дисперсность функций напряжения № фо то
отрицательных нулевых полож и- тельн ых отрицательных нуле -вых полож и- тельн ых
03.129 01.000 05.253 01.000 03.122 01.099 05.734 01.097 1
02.943 01.099 05.124 01.069 02.914 01.093 05.052 01.071 2
04.886 01.094 08.945 01.090 04.410 01.090 07.990 01.085 3
Грубые включения графита при кристаллизации массивных отливок в результате медленного охлаждения повышают уровень локальных напряжений, увеличивая плотность дислокаций. При этом, имеет место диффузия углерода, а также примесных атомов, которые декорируют дефекты (например, рис.2, структуры 1 - кислородом).
Выводы. В проведенной работе предложен принципиально новый подход к оцененке неоднородности структуры на основе степени дисперсности фаз, а также функций мощности диссипации энергии и дисперсности мощности напряжений, отражающие изменения энергетического состояния системы, в результате процессов, происходящих при кристаллизации и пластической деформации высокоуглеродистых сплавов на примере серого феррито-перлитного чугуна. При помощи таких параметров возможно с достаточно высокой точностью выявлять дислокации, исследовать изменения такой структуры и оценивать ее плотность в зависимости от условий эксплуатации. Такой подход лишен основных недостатков, существующих в методах исследования дислокационной структуры. И может быть предложен для ее выявления и оценки изменчивости.
Список использованных источников:
1. Разработка новых подходов к оценке структурообразования в высокохромистых чугунах /Т.С.Скобло, О.Ю.Клочко, Е.Л.Белкин, А.И.Сидашенко //Заводская лаборатория - 2017. - №4 (83).
2. СкоблоТ.С. Применение компьютерного анализа металлографических изображений при исследовании структуры высокохромистого чугуна /Т.С.Скобло, О.Ю. Клочко, Е.Л. Белкин// "Заводская лаборатория. Диагностика материалов". - 2012.-№ 6 (78).-С.35-42.
3. Математический анализ оценки дисперсности структуры легированных чугунов / Т.С.Скобло, О.Ю.Клочко, Е.Л.Белкин, А.И. Сидашенко // Сталь. - 2017. - № 2 . - С.51-54.
4. Клочко О.Ю. Применение методов оптико-математического анализа оценки дисперсности структуры высокоуглеродистых сплавов /О.Ю.Клочко // Техшчний сервю агропромислового, люового та транспортного комплекав [Наук. журнал].- №6. - Х.: 2016.- С. 112117.
5. Клочко О.Ю. Оценка оптико-математическим методом локальной неоднородности высокоуглеродистых сплавов, образованной в результате РТО /О.Ю.Клочко // Вюник ХНТУСГ iм. П.Василенка. - Випуск 183, 2017.
6. Бабич В.К. Деформационное старение стали /В.К. Бабич, Ю.П. Гуль, И.Е. Долженков. - Москва: Металлургия, 1972. - 320 с.
7. Особенности структурной деградации в отливках из серых чугунов, работающих в условиях нагружения / Т.С. Скобло, О.Ю. Клочко, А.И. Сидашенко, А.В. Сайчук, И.Н. Рыбалко // Информационно-аналитический международный технический журнал «Промышленность в фокусе». - Харьков, 2016. - №4|41|. - С. 55-57.
Тамара Семеновна Скобло, доктор технических наук, профессор, Александр Иванович Сидашенко, кандидат технических наук, профессор, Клочко Оксана Юрьевна, кандидат технических наук, доцент, Александр Васильевич Сайчук, кандидат технических наук, доцент, Иван Николаевич Рыбалко, кандидат технических наук, старший преподаватель, kafrm@yandex. ru, Украина, Харьков, Харьковский национальный технический университет сельского
хозяйства имени Петра Василенко
EVALUATION OF LOCAL STRUCTURAL INHOMOGENEITY IN CASTINGS FROM THE GREY CAST-IRON
Skoblo T.S., Sidashenko A.I., Klochko O. Yu., Saychuk A.V., Rybalko I.N.
Abstract. In the work, an estimation of the degree of local heterogeneity by the method of opto-mathematical analysis of metallographic images of various phases of gray ferrite-pearlitic cast iron formed as a result of the crystallization process, plastic deformation, by revealing and studying the change in the dislocation structure, determining its density with an estimate of the phase dispersion, and taking into account the change in energy parameters: power dissipation power functions and stresses is conducted. In this work, a fundamentally new approach for estimating the structural inhomogeneity on the basis of the degree of phase dispersion, as well as the power dissipation power and power dispersion functions, reflecting the changes in the energy state of the system, as a result of processes occurring during the crystallization and plastic deformation of high-carbon alloys, for example, gray ferrite cast iron is proposed. With the help of such parameters, it is possible to detect dislocations with high accuracy, to investigate changes in such a structure and to estimate its density, depending on the operating conditions. Such an approach lacks the basic shortcomings that exist in the methods of studying the dislocation structure. And it can be suggested for its identification and estimation of variability.
Key words: grey cast-iron, local inhomogeneity, dislocational structure, metallographic image.
Skoblo T.S., Professor, Doctor of Technical Science,, Sidashenko A.I., Professor, Candidate of Technical Science, Klochko O. Yu., Associate
Professor, Candidate of Technical Science, Saychuk A.V., Associate Professor, Candidate of Technical Science, Rybalko I.N., Senior Lecturer, Candidate of Technical Science, kafrm@yandex.ru, Ukraine, Kharkov, Kharkov Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture
