На правах рукописи

Кораблева Светлана Александровна

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТРИП-СТАЛЕЙ В

УСЛОВИЯХ СТАТИЧЕСКОГО И ЦИКЛИЧЕСКОГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.01

«Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии и материаловедения им А.А. Байкова Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Терентьев Владимир Федорович главный научный сотрудник

ИМЕТ РАН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Одесский Павел Дмитриевич заведующий сектором прочности ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко доктор физ.-мат. наук, профессор, Шамрай Владимир Федорович заведующий лаборатории

ИМЕТ РАН

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта»

(ОАО «ВНИИЖТ»)

Защита состоится "" _ 2013 г. в 14.00 на заседании Диссертационного совета Д 002.060.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждении науки Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук.

Справки по телефону (499) 135-44-91.

Автореферат разослан "" _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.М. Блинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Трип-стали с пластичностью, наведенной превращением, обладают повышенной прочностью и пластичностью за счет превращения при пластической деформации аустенита в мартенсит деформации и особенностей деформационного упрочнения.

Высоколегированные коррозионно-стойкие Cr – Ni аустенитно-мартенситные трип стали с пределом прочности до 2000 МПа используются для производства высокопрочных крепежных изделий, высокопрочной проволоки и тросов, ответственных деталей летательных аппаратов (в частности, торсионов несущих винтов вертолетов). Низколегированные многофазные трип – стали (предел прочности до 1000 МПа) со структурой феррита, бейнита, остаточного аустенита и мартенсита начинают использоваться в конструкциях кузова легковых автомобилей (передние лонжероны, укрепления центральной стойки, пороги) для смягчения последствий прямых столкновений, так как поглощают большую энергию удара за счет трип – эффекта.

Несмотря на большое количество работ по изучению структуры и механических свойств трип-сталей многие аспекты этой области исследований изучены еще недостаточно. В частности, в отечественной литературе практически отсутствуют сведения о механическом поведении и структурных изменениях трип - сталей в условиях усталостного нагружения.

Поскольку многие ответственные детали конструкций из трип - сталей работают в условиях одновременного воздействия высоких статических и циклических нагрузок, является актуальной постановка исследований по изучению особенностей структурных изменений и механического поведения трип – сталей при статическом и циклическом деформировании.

Цель и задачи работы Цель работы – исследование структуры, механического поведения нержавеющих трип - сталей, механизмов их разрушения при статической и циклической деформациях. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить степень холодной пластической деформации при статическом растяжении высоколегированной закаленной трип – стали 23Х15Н5СМ3Г, при которой начинается интенсивное образование мартенсита деформации. Исследовать влияние механико-термической обработки на статические и усталостные характеристики механических свойств.

2. Получить комплекс статических и усталостных механических характеристик аустенитно – мартенситной холоднокатаной тонколистовой трип – стали ВНС 9-Ш (23Х15Н5АМ3-Ш), использующейся для изготовления торсионов несущих винтов вертолетов.

3. Изучить кинетику фазового превращения аустенитно – мартенситной холоднокатаной тонколистовой трип – стали марки ВНС 9-Ш в условиях циклического деформирования и механизмы статического и усталостного разрушения.

4. Получить экспериментальные данные по статической и циклической прочности низколегированной многофазной трип – стали TRIP 700 и двухфазной ферритно – мартенситной стали DP 600, используемых в конструкциях современных автомобилей.

5. Предложить рекомендации для уточнения методики оценки ресурса торсионов, изготовленных из стали ВНС 9-Ш и работающих в условиях циклического нагружения.

Научная новизна 1. С использованием методов акустической эмиссии и рентгеноструктурного анализа определена пороговая степень пластической деформации равная 13%, при которой начинает происходить интенсивное образование мартенсита деформации в закаленной трип - стали 23Х15Н5СМ3Г при статическом растяжении.

2. Изучено влияние режимов механико - термической обработки на статические и усталостные характеристики механических свойств закаленной стали 23Х15Н5СМ3Г и показано, что наилучшие механические свойства были получены после предварительной деформации на 18% и отпуска при 5500С.

3. Исследованы статические и циклические механические характеристики аустенитно – мартенситной холоднокатаной тонколистовой трип – стали марки ВНС 9-Ш. Изучена остаточная прочность материала торсионов, отслуживших свой эксплуатационный срок.

4. Исследовано изменение фазового состава высоколегированной трип – стали ВНС 9-Ш в процессе циклического деформирования в широком интервале максимальных циклических напряжений. Установлена сложная зависимость изменение фазового состава этой стали от уровня приложенных напряжений.

5. Изучены статические и циклические характеристики механических свойств перспективных для автомобилестроения материалов – низколегированной многофазной трип – стали TRIP 700 и низколегированной двухфазной ферритно – мартенситной стали DP 600.

Практическая значимость 1. Определена пороговая степень пластической деформации при статическом растяжении, при которой в закаленной высоколегированной трип – стали 23Х15Н5СМ3Г начинает происходить интенсивное образование мартенсита деформации.

2. Установлены оптимальные режимы (деформация на 18% и отпуск при 5500С) механико - термической обработки закаленной трип – стали 23Х15Н5СМ3Г, повышающие статические и усталостные характеристики механических свойств (предел прочности возрос с 700 МПа до 1205 МПа, а предел усталости с 500 МПа до 600 МПа).

3. Полученный комплекс статических и усталостных механических свойств аустенитно – мартенситной холоднокатаной тонколистовой трип – стали ВНС 9-Ш позволил наметить технологические мероприятия по повышению ресурса торсионов.

4. Показана закономерность изменения фазового состава трип – стали ВНС 9-Ш в процессе циклического деформирования в широком интервале максимальных циклических напряжений.

5. Оценена остаточная статическая и усталостная прочность материала торсионов, отслуживших свой эксплуатационный срок.

6. Получены новые экспериментальные данные по сравнительной оценке статических и циклических характеристик механических свойств перспективных для автомобилестроения низколегированных материалов – многофазной трип – стали TRIP 700 и двухфазной ферритно – мартенситной стали DP 600.

7. Полученные результаты по исследованию циклической прочности аустенитно – мартенситной холоднокатаной тонколистовой трип – стали марки ВНС 9-Ш были использованы ОКБ «Камов» при уточнении методики оценки остаточного ресурса торсионов несущих винтов вертолетов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Особенности кинетики образования мартенсита деформации в условиях статического растяжения закаленной высоколегированной трип – стали 23Х15Н5СМ3Г при комнатной температуре.

2. Определение оптимальных режимов механико – термической обработки стали 23Х15Н5СМ3Г с целью получения высоких механических свойств в условиях статического и циклического деформирования.

3. Особенности кинетики мартенситного превращения в аустенитно – мартенситной трип – стали ВНС 9-Ш в условиях циклического деформирования.

4. Оценка комплекса механических свойств высоколегированной стали ВНС 9-Ш и определение степени повреждаемости ответственных деталей вертолетов в процессе эксплуатации, изготовленных из этой стали.

5. Сравнительная оценка механических свойств перспективных для автомобилестроения сталей – низколегированной многофазной трип – стали TRIP и низколегированной двухфазной ферритно – мартенситной стали DP 600.

Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных различными современными методами исследования, систематическим характером проведения исследований и обработки результатов, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.

Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач диссертации, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации, в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных. Диссертант лично проводил механические испытания, измерение твердости, а также принимал непосредственное участие при анализе поверхности с использованием оптической и растровой электронной микроскопии.

Апробация работы Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:

1. VII, VIII и IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико - химия и технология неорганических материалов», Москва, 2010 – 2012 гг., ИМЕТ РАН.

2. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 26-28 октября 2011 г., МИСиС.

3. IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 25-28 октября 2011 г., ИМЕТ РАН.

неоднородных структур», Москва, 17-19 апреля 2012 г., МИСиС.

5. III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 29 мая – 1 июня 2012 г.

6. Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», 10-12 сентября 2012 г., ИМЕТ РАН, Москва.

7. XVI International Colloquium «Mechanical Fatigue of Metals», Brno. Czech Republic, 24–26 September 2012, IPM.

термоусталость материалов и элементов конструкций», 28-31 мая 2013 г., Киев, Украина.

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 9 в рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК, и 13 докладов в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка используемой литературы (94 наименований), изложена на 144 страницах и содержит 92 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Поведение высокопрочных трип – сталей в процессе статического и циклического деформирования В данной главе впервые в отечественной технической литературе проведен анализ особенностей поведения высокопрочных трип – сталей в процессе циклического деформирования в области мало – и многоцикловой усталости, приведены характеристики циклического упрочнения / разупрочнения и критериев циклической трещиностойкости указанных сталей, которые используются в ответственных деталях вертолетов и конструкциях кузова легковых автомобилей. На основе анализа литературных данных показана необходимость и актуальность постановки дальнейших исследований в области изучения взаимосвязи статических и усталостных характеристик трип - сталей и сформулированы основные задачи исследования.

Глава 2. Использованные материалы и методики исследований В данной работе исследовались несколько марок сталей: экспериментальная высоколегированная коррозионностойкая трип сталь высоколегированная стандартная трип - сталь марки ВНС 9-Ш (23Х15Н5АМ3-Ш), низколегированная многофазная трип - сталь TRIP 700 и двухфазная сталь DP 600.

Фазовый состав, микродеформацию решетки (а/а) и остаточные напряжения образцов определяли на вертикальном рентгеновском дифрактометре «SIMADZU»

XRD-6000 в монохроматизированном медном излучении с длиной волны Kср=1.54178 и на дифрактометре ДРОН-4 в фильтрованном CoK- излучении с длиной волны Kср=1.79021.

Характеристики механических свойств при статическом растяжении определялись на 10 – тонной механической машине Instron 3380, а испытания на усталость на 10 – тонной сервогидравлической машине Instron 8801 и настольной механической машине Instron Electropuls E 3000 (максимальное усилие 300 кг).

Испытания на усталость проводились с частотой 30 - 40 Гц. Для изучения механизмов разрушения образцов после статических и усталостных испытаний проводились фрактографические исследования на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA. Микротвердость и твердость по Виккерсу исследуемых материалов определяли на приборах фирмы Wilson Wolpert.

Исследование стадийности процессов пластической деформации и кинетики образования мартенсита деформации проводилось с использованием акустико эмиссионнoй диагностической системы СДС1008 – аппаратно–программного комплекса для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ). АЭ система СДС1008 включает в себя системный блок, преобразователи АЭ, предварительные усилители и персональный компьютер с программным обеспечением Структуру сталей изучали металлографическим методом с помощью светового микроскопа Carl Zeiss Axiovert 40 MAT и сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM 6610LV.

Глава 3. Кинетика образования мартенсита деформации при статическом растяжении закаленной высоколегированной трип – стали и влияние механикотермической обработки на механические свойства при статическом и циклическом деформировании Кинетика образования мартенсита деформации при статическом растяжении. C целью изучения стадийности пластической деформации и кинетики образования мартенсита деформации при статическом растяжении метастабильной высоколегированной трип - стали были проведены исследования с использованием методов АЭ и рентгеноструктурного анализа. В качестве материала*)1 исследования использовалась горячекатаная пластина из трип–стали толщиной 3 мм следующего Материал для этого раздела работы был предоставлен к.т.н. Д.Е. Алексеевой состава: 0,20C; 0,65Si; 0,94Mn; 5,75Ni; 14,5Cr; 2,91Mo; 0,009S; 0,023Ti; 0,012Al;

0,126N2; 0,009P; 0,008S; вес. %.

Испытания на статическое растяжение образцов с регистрацией комплекса АЭ характеристик осуществляли посредством малошумящей универсальной механической испытательной 10-тонной машины Instron 3382. В исходном состоянии (горячий подкат после закалки) структура трип - стали была чисто аустенитной, средний размер аустенитного зерна после закалки составлял 70 мкм. Образцы трип стали с размером рабочей части 20х5 мм имели следующие механические свойства:

в = 775 МПа; 0,2 = 307 МПа; = 53%.

Изменение параметров АЭ (рис. 1) отражает основные стадии деформации трип – стали на диаграмме растяжения от стадии микротекучести до окончательного разрушения. На начальной стадии деформации (стадии микротекучести и предела текучести) на диаграммах интенсивности и энергетических параметров АЭ, отражающих количество событий (рис. 1, а) и средней энергии за секунду времени (рис. 1, б), можно наблюдать два максимума в районе предела текучести. Первый максимум интенсивности АЭ обычно объясняется коллективным движением и размножением дислокаций в области границ зерен и преимущественно в поверхностных слоях металла, а также выходом их на поверхность. В энергетическом спектре сигналов АЭ на этой стадии деформации преобладают низкоэнергетические сигналы с энергетическим параметром 30 - 40 дБ, а также присутствует и более двух десятков сигналов АЭ с энергетическим параметром в диапазоне 43 - 55 дБ.

Рис. 1. Изменение интенсивности и суммарного числа сигналов АЭ (а, в) и энергетических параметров (б, г) в процессе деформации и разрушения образца из трип – стали.

Рис. 2. Изменением амплитуды первый в диапазоне 100 - 320 кГц, а второй сигналов АЭ в процессе деформации и разрушения.

степени пластической деформации 13% (рис. 1, г) происходит довольно постепенное увеличение суммарной энергии АЭ, а затем происходит ее резкое увеличение в интервале деформаций 13 – 25%. При этом также резко увеличивается средняя энергия импульсов за секунду. Наблюдаются сигналы непрерывной и взрывной АЭ, что свидетельствует о начале интенсивного процесса образования мартенсита деформации. Такое скачкообразное увеличение суммарной энергии АЭ и появление резких пиков средней энергии импульсов происходит вплоть до степени пластической деформации 25% и затем переходит в постепенное повышение уровня суммарной энергии импульсов АЭ вплоть до начала образования шейки, когда вновь резко возрастают все параметры АЭ (интенсивность, амплитуда, энергия).

Таким образом, было показано, что до пороговой степени пластической деформации 13% (время деформирования 80 сек) суммарная энергия импульсов АЭ, начиная со стадии микротекучести, постепенно увеличивалась, а затем происходило резкое возрастание энергии. С учетом зубчатого пластического течения на этой стадии кривой деформационного упрочнения и резкого возрастания суммарной энергии импульсов АЭ можно с большой уверенностью говорить о том, что данная степень пластической деформации является пороговой для начала интенсивного образования мартенсита деформации в трип - стали данного состава.

Рис. 3. Влияние степени пластианализа. Из представленных на рис. ческой деформации на количество / - мартенсита в трип-стали.

образование / - мартенсита начинается лишь после определенной критической степени деформации которая находится в интервале 10 – 15%. При увеличении степени пластической деформации наблюдается постепенное повышение содержания мартенсита деформации и лишь на заключительном этапе статического растяжения количество / - мартенсита в структуре резко возрастает. При степени деформации 37 % ( 9% мартенсита) начинается резкое повышение содержания мартенсита деформации вплоть до разрушения образца (23% мартенсита).

Таким образом, показана возможность определения пороговой степени пластической деформации, при которой в метастабильных трип - сталях начинает происходить интенсивное образование мартенсита деформации, с использованием критериев АЭ и рентгеноструктурного анализа.

Влияние предварительной деформации и режимов отпуска на механические свойства. Образцы для исследований были вырезаны из горячекатаных пластин (подкат) высоколегированной трип – стали системы Cr – Ni (23Х15Н5СМ3Г) толщиной 3 и 2 мм. Часть образцов толщиной 3 мм после закалки (серия 1) деформировали на 10% при статическом растяжении и затем проводили отпуск при температурах 4000С (серия 2), 5500С (серия 3) и 6500С (серия 4) в течение 1 часа.

Также часть образцов толщиной 2 мм после закалки (серия 5) предварительно деформировали при комнатной температуре на 18% при статическом растяжении и отпускали при температуре 5500С в течение 1 часа (серия 6). Температура отпуска 5500С была выбрана с учетом данных, полученных на образцах серий 1 - 4.

В исходном состоянии после закалки образцы были практически в чисто аустенитном состоянии с наличием двойников отжига, средний размер аустенитного зерна составлял ~ 50 мкм. После предварительной деформации на 18% на поверхности образцов серии 6 наблюдается хорошо развитый рельеф, и практически во всех зернах наблюдается сдвигообразование преимущественно по одной системе скольжения (рис. 4, а). Развитый рельеф также наблюдается после статического растяжения (рис. 4, б) и испытания на усталость (рис. 4, в).

Рис. 4. Электрополированная поверхность образцов серии 6 после предварительной деформации (а) и серии 1 после испытаний на статическое растяжение (б) и усталость при max = 600 МПа, N = 4·104 циклов (в).

Из представленных на рис. 5 данных, следует, что минимальный уровень механических свойств наблюдается у исходных образцов после закалки (серия 1).

Предварительная пластическая деформация и последующий отпуск в интервале температур 4000С – 6500С повышают прочностные характеристики и относительное удлинение – предел прочности возрастает с 632 МПа до 835 МПа у образцов серий 1 и почти в два раза у образцов серии 6 по сравнению с образцами серии 5 (с 699 МПа до 1205 МПа), условный предел текучести с 346 МПа (1 серия) увеличивается до МПа (серия 4) и более чем в два раза у закаленного образца толщиной 2 мм после предварительной деформации на 18% и отпуска при 5500С (серия 6). Особенно сильно возросло относительное удлинение – более чем в 2 раза у образцов толщиной 3 мм (с 24,3 до 52,2%) и с 42% до 75% у образцов серий 5 - 6.

Повышение прочностных характеристик после пластической деформации закаленной трип – стали связано с повышением плотности дислокаций в аустенитных зернах и образованием более прочной мартенситной фазы, а также с упорядочением дислокационной структуры и дисперсионным твердением в результате последующего отпуска (выделение карбонитридов хрома).

Рис. 5. Кривые статического растяжения образцов серий 1 – 4 (а) и серий 5 - 6 (б).

Долговечность до разрушения образцов серий 1 – 4 при максимальном напряжении 550 МПа в области малоцикловой усталости непрерывно возрастает с увеличением температуры отпуска – с 3750 циклов (отпуск при 4000С) до циклов (отпуск при 6500С), что связано с повышением пластичности и предела прочности с ростом температуры нагрева. Вполне возможно, что циклическое деформирование при max = 550 МПа, которое несколько превышает условный предел текучести исследованных серий образцов, приводит к дополнительному образованию мартенсита деформации.

На рис. 6 представлены кривые усталости серий 5 - 6 образцов. Видно, что долговечность и предел выносливости образцов серии 6, подвергнутых механико термической обработке, значительно превышают характеристики циклической прочности исходных образцов (серия 5).

Рис. 6. Кривые усталости образцов стали также наблюдалась небольшая серии 5 (закалка) и серии 6 (закалка, предварительная деформация и отпуск).

Рис. 7. Фрактография усталостного разрушения образца из трип - стали серии 2 (а), серии 3 (б), серии 4 (в), серии 5 (г) и серии 6 (д, е); стрелками указано направление распространения трещины.

Фрактографические исследования образцов серий 2 – 6 (рис. 7) показали, что с повышением температуры отпуска на поверхности разрушения увеличивается размер зоны усталостного разрушения и наблюдается огрубление поверхностного рельефа с типичными усталостными бороздками. В то же время на образцах серии 4, подвергнутых высокой температуре отпуска на стадии ускоренного роста усталостной трещины наблюдается квазихрупкий рельеф с наличием вторичного растрескивания.

Таким образом, в данном разделе было показано, что предварительная пластическая деформация в условиях статического растяжения закаленной трип стали 23Х15Н5СМ3Г и последующий отпуск при температурах 400 – 6500С за счет трип – эффекта и процессов старения существенно повышают механические свойства (предел прочности возрастает с 632 МПа до 865 МПа) и пластичность (относительное удлинение повышается с 24,3 до 52%) материала, что также благотворно сказывается на характеристиках циклической прочности. Наилучшие механические свойства были получены после предварительной деформации на 18% и отпуска при 5500С.

Глава 4. Особенности статического и усталостного разрушения тонколистовой высоколегированной трип - стали ВНС 9-Ш (23Х15Н5АМ3-Ш), используемой для изготовления торсионов несущих винтов вертолетов В данной главе исследовались характеристики статической и усталостной прочности и механизмы разрушения промышленной высокопрочной тонколистовой трип – стали марки ВНС 9-Ш, которая используется для изготовления торсионов несущих винтов вертолетов, а также усталостная прочность материала, вырезанного из отслуживших свой срок торсионов.

Исходные характеристики механических свойств. Изучали две партии образцов из холоднокатаной трип – стали марки ВНС 9-Ш толщиной 0,3 мм.