Размещено на http://www.allbest.ru/

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СТРУКТУРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ СТАЛИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ТЕРМОСИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность 05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ВАРАВКА Валерий Николаевич

Москва 2009

Работа выполнена в "Донском государственном техническом университете" на кафедре "Физическое и прикладное материаловедение"

Научный консультант: доктор технических наук, профессор КУДРЯКОВ Олег Вячеславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ГУДКОВ Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор УШАКОВ Борис Константинович

доктор технических наук, профессор ЧУДИНА Ольга Викторовна

Ведущая организация: Самарский аэрокосмический университет им акад. С.П. Королева (г. Самара)

Защита диссертации состоится «19» июня 2009 г. в 15⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.157.11 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, в 15 ч., ауд.Б-407

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан Московским энергетическим институтом (техническим университетом) «___» мая 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета д.т.н., проф. Трифонов О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Бурное развитие науки о материалах и технологиях их обработки последнего времени связано в основном с двумя поворотными моментами:

1) проникновением технической мысли на новый, более тонкий, уровень изучения - наноразмерный, и разворачиванием на этом уровне исследовательской и технологической приборной базы (в частности, массовый выпуск относительно недорогих силовых, туннельных и сканирующих электронных микроскопов);

2) успешными попытками теоретического освоения физических и химических явлений, ранее казавшихся совершенно хаотическими и спонтанными: методологии синергетики, теорий диссипативных систем или детерминированного хаоса, фрактального мировоззрения всё глубже и шире проникают во все области науки.

Наибольшие успехи по этим направлениям в последние десятилетия достигнуты учеными разных стран в электронике, медицине, биологии, химии. Радикальный успех здесь связан с новым структурным уровнем исследований и новым методическим подходом. Опираясь на эти принципы, в настоящей диссертационной работе сделана попытка реализовать новый методологический подход и в материаловедении - путем применения динамического анализа для прогнозирования структуры металлического сплава в существенно неравновесных условиях обработки.

Динамический анализ позволяет описать существенную неравновесность процесса структурообразования в параметрическом виде, например, через воздействие сверхвысоких скоростей нагрева/охлаждения и деформации на динамику взаимодействия структурообразующих элементов сплава. Исследование структурной эволюции стали с помощью методологии динамического анализа обеспечивает актуальность работы в таком направлении материаловедения как теория гипернеравновесных фазовых превращений в металлических сплавах и образование метастабильных структур сплавов с особыми свойствами, а также в разработке и оптимизации на этой базе перспективных технологий упрочняющей обработки.

Процессы гипернеравновесных фазовых переходов и существенно неравновесного структурообразования в металлических сплавах затруднены для прямого инструментального исследования в силу их скоротечности. Изучение же результатов этих процессов в виде особой морфологии таких структур как фрагментированные, ультрадисперсные, нанокристаллические, «белый слой» и др. дают основания говорить о нетривиальных механизмах превращений, протекающих в металле при поверхностной обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ), что требует новых теоретических подходов к их объяснению. Попытки таких подходов делались Дж.С.М. Ли, М. Эшби, Р. Гейтсом, В.Д. Садовским, Б.Я. Любовым, В.Н. Пустовойтом и др. Однако, успехи в этом направлении носят эпизодический характер, что, по-видимому, характеризует стадию накопления теоретического и эмпирического материала. Среди существующих литературных источников по изучаемой проблеме практически отсутствуют исследования динамики структурных элементов (в том числе и дефектов кристаллического строения) в процессе эволюции на этапе самоорганизации, предваряющем существенно неравновесный фазовый переход и последующее формирование метастабильной структуры сплава при воздействии КПЭ. Характеристика этого этапа важна для конкретизации механизмов превращений.

Одним из наиболее многообещающих методов теоретического исследования явлений самоорганизации как раз и является динамический анализ. Его эффективность особенно наглядна при изучении существенно нелинейного состояния систем с преимущественно диссипативным характером процессов, например: трибосопряжений, магнетизма, пластической деформации и других. Применение методов динамического анализа для исследования процессов неравновесных фазовых переходов и процессов формирования метастабильных структур металлических сплавов на основе эволюции элементов их дефектной среды составляет предмет настоящей работы.

Актуальность работы подтверждается её соответствием тематике научно-исследовательских программ и грантов как фундаментального, так и прикладного характера, финансируемых из средств федерального бюджета:

- фундаментальных и поисковых НИР, финансируемых Министерством образования РФ по единому заказ-наряду ДГТУ (1994-2008гг.): шифр 1.014.02Д (2002 г.), гос. рег. №01200214179 (2003-04 гг.), гос. рег. №01200502879 (2005 г.), гос. рег. №01200604244 (2006-07 гг.), гос. рег. №01200805686 (2008-09 гг.);

- тематического плана научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию РФ (20052007гг.);

- грантов Минобразования РФ №Т00-06.2-1055 (20012002гг.) и №Т02-06.2-862 (20032004гг.)

- гранта №04-03-96806 Российского фонда фундаментальных исследований (2005-2006гг.);

- межотраслевой программы сотрудничества Минобразования России и АО «Автоваз» - код 02.07.005 (2002г.);

- программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Производственные технологии», раздел 02 Лазерные технологии и оборудование, шифр 201.01 код 02.01.030; 2001-2004 гг.);

- гранта Президента для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации 20062007гг. (Гос. контракт №02.445.11.7449 от 9.06.2006г.).

Цели и задачи исследования. Основная цель работы - нахождение аналитических способов для описания, систематизации и моделирования неравновесного структурообразования стали. При этом внешнее импульсное термосиловое воздействие, приводящее к существенно неравновесным структурообразующим процессам, реализуется в виде обработки стали концентрированными потоками энергии (КПЭ).

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие задачи:

конкретизация особенностей неравновесных структурообразующих процессов (особых атомных механизмов, особенностей фазовых превращений, особенностей формирующихся структур) на основе комплексных металлофизических исследований структурной эволюции железо-углеродистых сплавов при их обработке КПЭ;

аналитическое описание неравновесных условий протекания этих процессов, то есть адекватное определение управляющих параметров, по значениям которых можно масштабировать уровнень неравновесности процессов;

формализация в математическом виде закономерностей, связывающих между собой неравновесные структурообразующие процессы и управляющие параметры;

компьютерное моделирование этих закономерностей;

экспериментальная и опытно-промышленная проверка результатов моделирования, то есть нахождение «обратной контролирующей связи» для прогнозной модели.

Эта логическая последовательность реализована в работе и составляет её научное содержание.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Новым положением теории гипернеравновесного структуро-образования стали является подтвержденный в исследованиях факт доминирующей роли различных механизмов фазовых превращений при импульсном термосиловом воздействии в зависимости от условий неравновесности: фрагментированный тип структуры образуется при доминирующей роли неравновесных вакансионно-дислокационных взаимодействий (ВДВ), игольчатый - при классическом мартенситном механизме, а ультрамелкозернистый - при механизме неравновесной жидкофазной кристаллизации.

2. По результатам исследований впервые разработаны диаграммы (карты) механизмов неравновесных превращений в стали, дифференцирующие известные диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита в области гиперскоростного охлаждения. На их основе показано, что феноменологический механизм превращения, основной стадией которого являются неравновесные ВДВ, будет всё больше доминировать над классическим мартенситным по мере увеличения содержания углерода в стали, ускорения охлаждения, повышения температуры нагрева и роста дефектности стали.

3. Установлено, что при импульсном термосиловом воздействии деформация ферритной матрицы, предшествующая фазовому переходу, происходит по механизму зернограничного проскальзывания (ЗГП) с участием неравновесных ВДВ в приграничных микрообъемах. При этом степень деформации не превышает 5-6 %. Растворенный углерод препятствует протеканию деформационных процессов по механизму ЗГП, что, в частности, способствует повышению склонности стали к трещинообразованию.

4. На основе экспериментальных данных по различным видам импульсной термосиловой обработки стали впервые выполнено параметрическое описание условий неравновесности протекания высокотемпературных фазовых переходов, структурообразования и деформации. Определены значения термического h и деформационного q управляющих параметров, характеризующих степень неравновесности процессов при упрочняющей обработке КПЭ, что позволило моделировать структурообразование математическими и компьютерными методами.

5. Для выполнения компьютерного моделирования процессов неравновесного структурообразования разработано и зарегистрировано специализированное программное обеспечение (ПО) «DynSys». Проведенный с его помощью количественный динамический анализ неравновесных ВДВ в стали при различных видах импульсного термосилового воздействия (лазерное облучение, детонационная обработка, обработка ТВЧ с концентрацией магнитного потока (КМП)) позволил прогнозировать явления структурной самоорганизации металла при обработке КПЭ в виде, например, уникальной структуры «белого слоя» в углеродистой стали или фрагментации структуры армко-железа.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности. Результаты диссертационной работы в виде комплекса экспериментальных данных, дифференциальных карт механизмов неравновесных фазовых превращений, программного продукта «DynSys», системы структурного мониторинга, методики компьютерного моделирования неравновесной структурной самоорганизации металлических сплавов при воздействии концентрированных потоков энергии (лазерное облучение, плазменная, электромагнитная и детонационная обработка) использованы для выбора и оптимизации параметров упрочняющих технологий, для получения различных типов износостойких структур в поверхностном слое деталей машиностроения и инструментального производства. Эффективность основных результатов диссертационной работы подтверждена их апробированием и внедрением на предприятиях металлургического, машиностроительного и оборонного комплексов России со значительным экономическим эффектом. Акты внедрения результатов работы на 8 предприятиях (ОАО «Ростсельмаш», завод «Пирометр», ОАО «Калужский турбинный завод, ОАО «Тагмет» и др.), а также акты отраслевых внедрений в Ассоциации « Станкоинструмент»(г.Москва) и Ассоциации «Высокие технологии» (г. Ростов-на-Дону) приложены к диссертации. неравновесный сталь структурообразование

Создан объект интеллектуальной собственности - зарегистрирован-ная программа для ЭВМ №2007612319 от 01.06.2007 «Исследование и визуализация дискретных динамических систем» («DynSys»).

Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием высокоточного современного оборудования и обработкой полученных данных методами математической статистики, применением современных достижений физического материаловедения, физики, термодинамики, воспроизводством результатов при проведении повторных экспериментов, сопоставлением результатов исследований с экспериментальными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные научные положения работы неоднократно представлялись и обсуждались на международных, всесоюзных, общероссийских, зональных и региональных симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: II собрании металловедов России (г. Пенза,1994г.), международ. науч.-техн. конференциях (г. Ростов-на-Дону, 1994г.; г. Минск, 1995г.; г. Шатура, 1995г.; г. Пенза, 2002г.; г. Санкт-петербург, 2003г.; г. Киев, 2003г.; г. Волгоград, 2004г.; Бернштейновские чтения, Москва, МИСиС, 2004г.), всесоюзн. и всероссийск. науч.-техн. конференциях и семинарах (г. Минск, 1988г.; г. Краснодар, 1988г.; г. Волгоград, 1990г.; г. Пенза, 1990, 1991г.; г. Москва, 1994г.; г. Санкт-петербург, 1995г.; Москва, РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2002г.).

Публикации результатов исследований. Всего по теме диссертации автором опубликована 131 научная работа, из них основное содержание диссертации представлено в 68 работах; в рекомендованном ВАК «Перечене ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» для докторских диссертаций 24 публикации, в том числе по направлению «Машиностроение» 11, а также две монографии:

§ Кудряков О.В., Варавка В.Н. Феноменология мартенситного превращения и структуры стали. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. - 199с.

§ Варавка В.Н. Динамика неравновесных субструктурных процессов в металлах. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2007 -143с.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 435 страницах машинописного текста и состоит из введения; 10 глав основной части; заключения, содержащего общую сводку результатов и выводов; библиографического списка из 249 наименований цитируемых источников; приложений, включающих данные расчетов, протоколы микрорентгеноспектральных исследований, а также копии актов внедрения результатов научно-технических разработок. В тексте диссертации содержится 120 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко раскрыты сущность и актуальность рассматриваемых научно-технических проблем, изложены общая характеристика и основные направления работы, дана краткая аннотация положений, выносимых на защиту.

В первой главе освещаются современные представления о фазовых переходах и структурообразовании стали при различных видах импульсного термосилового воздействия.

Исследованию фазовых превращений и структурообразования в неравновесных условиях посвятили свои труды такие видные ученые, как Курдюмов Г.В., Франк Ф., Кауфман Л., Коэн М., Кнапп Х., Делингер У., Кидин И.Н., Хачатурян А.Г., Любов Б.Я., Ройтбурд А.Л., Петров Ю.Н., Дьяченко С.С., Кокорин В.В. и другие. Однако, в этой области остается еще много неясностей, в частности, наблюдаемое многообразие структурного и фазового состава при обработке стали КПЭ, которое трудно объяснить, исходя только из единого (дислокационного) механизма превращений.

Также нет полной ясности в вопросе о диффузии. Аномальное ускорение диффузии при импульсной обработке наблюдалось и изучалось многими исследователями Лариковым Л.Н., Мешковым Ю.Я., Любовым Б.Я., Герцрикеном Д.С., Мазанко В.Ф. и другими. Оно связывается с возникающими деформациями в поле напряжений решетки. Однако, масштаб, уровень и распределение таких деформаций и напряжений при обработке КПЭ совершенно не определены. Все это можно объединить понятием деформационного параметра, определяющего массоперенос в неравновесных условиях обработки. До настоящего времени не было создано моделей, использующих количественные значения подобных параметров для прогнозирования структуры и свойств, и которые включали бы взаимовлияющие неравновесные потоки (атомов компонентов, примесей или точечных дефектов) с учетом их взаимодействий с ловушками (для атомов) и стоками (для вакансий).

Подробным аналитическим обзором, проведенным в главе 1, показано, что основу такой модели может составить субструктурный механизм неравновесных ВДВ, базовые идеи которого заложены в трудах Херринга К., Ли Дж.С.М., Алехина В.П., Гаркунова Д.Н., Полякова А.А. и применительно к фазовым переходам развиты в работах Кудрякова О.В. При этом также показано, что использование методики динамического анализа не только возможно для исследования поведения неравновесных ВДВ, но и обеспечивает соблюдение требований к ним как к объекту самоорганизации и правомерность применения синергетического подхода. К тому же динамический анализ (в отличие от стохастических аналитических приемов) методически обеспечивает получение однозначных результатов прогнозирования структуры, которые затем могут быть использованы в технологических процессах.

С учетом этого в заключительном разделе первой главы сформулированы проблематика, направления и задачи исследования.

Во второй главе дана характеристика методического обеспечения исследований. Объектом исследования в работе являлись стали с широким спектром химического состава, начиная от безуглеродистых (армко-железо) до высоколегированных аустенитных типа Х18Н10. Выбор марки материала определялся задачами конкретного эксперимента.

В качестве базового оборудования для моделирования импульсного термосилового воздействия использовались в основном отечественные твердотельные лазеры импульсного действия «Квант-16», «Квант-18», ГОС-30, обеспечивающие на стальной поверхности плотность мощности излучения 50250 кВт/см².

В ходе экспериментальных исследований изучались рельеф поверхности, микроструктура, тонкое строение, фазовый и химический состав, а также некоторые свойства стали. Поставленные задачи решались комплексным использованием традиционных для материаловедческой науки методик качественной и количественной оптической металлографии, дифракционного рентгеновского анализа, сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии.

Реализация такого методического комплекса осуществлялась с помощью квантометрического анализатора «Spectrovac-1000», оптических микроскопов Neophot-21 и МЕТАМ-22, интерференционного микроскопа ММИ-4, универсальной микротвердометрической компьютеризированной системы LECO LM-100, трансмиссионного электронного микроскопа ЭММА-4 (ПЭМ), сканирующего электронного микроскопа Quanta 200 FEI (РЭМ), рентгеновского энергодисперсионного микроанализатора EDAX Genesis, сканирующего зондового атомно-силового микроскопа Solver HV (АСМ). Рентгеноструктурный анализ проводился на отечественных дифрактометрах марки ДРОН. Результаты количественной металлографии получены при помощи лицензионной компьютерной программы «Система КОИ» (разработка Томского политехнического университета).

С помощью специальных методик в работе исследовались: величина общей пластической деформации при обработке стали КПЭ и вклад деформации, происходящей по механизму зернограничного проскальзывания; а также стойкость стали к динамическому истиранию, которое осуществляли на универсальной испытательной машине ЦД-100ПУ, оснащенной специальным пульсатором для циклических нагрузок.

В третьей главе диссертации на основе концепции механизма неравновесных ВДВ выполнено рассмотрение структурных особенностей сталей, полученных обработкой КПЭ, по уже имеющимся результатам литературных и собственных экспериментальных исследований. На этом этапе диссертационной работы концепция принята в качестве научной гипотезы, подтвержденной пока только аналитически. Физические механизмы неравновесного структурообразования стали проанализированы с точки зрения принятой гипотезы, суть которой заключается в следующем.

В поле температурных градиентов и градиентов напряжений всегда существует неоднородность химического потенциала вакансий, что является причиной возникновения вакансионных потоков. Интенсивность этих потоков возрастает в районе высокоугловых некогерентных границ, где энергия образования вакансий существенно ниже, чем в объеме зерна. При обработке КПЭ в областях градиентного нагрева металла в потоке вакансий фронт полной дислокации а/2110А становится неустойчивым и приобретает конфигурацию дислокационного диполя (квазидиполя). При резком охлаждении квазидиполь диссоциирует с образованием частичных дислокаций а/18112А, которые и становятся зародышем -фазы. Таким образом ВДВ влияют на неравновесный фазовый переход, изменяя его механизм по схеме: ВДВ квазидиполь диссоциация вершины квазидиполя зародыш мартенсита на базе дислокационной петли а/18112А.