Прочность и пластичность металлов и сплавов при внешних энергетических воздействиях


ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ВНЕШНИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Монография



Под редакцией В. Е. Громова























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 669.017
ББК 34.431
      П84



Авторы:
К. В. Аксёнова, Л. П. Бащенко, В. Е. Громов, В. ИДанилов, Д. В. Загуляев, Ю. Ф. Иванов, Ф. ИИванов, И. А. Комиссарова, С. В. Коновалов, Е. В. Мартусевич, С. В. Московский, С. А. Невский, О. А. Перегудов, Ю. А. Рубанникова,Д. А. Романов, В.Д. Сарычев, В. П.Сергеев, В. А. Федоров



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В. В. Муравьев; доктор технических наук, профессор А. Н.Смирнов




П84 Прочность и пластичность металлов и сплавов при внешних энергетических воздействиях : монография / [К. В. Аксёнова и др.] ; под ред. В. Е. Громова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 208 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0508-9

      Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, посвященных выявлению на различных структурных и масштабных уровнях закономерностей влияния внешних энергетических воздействий на металлы и сплавы. Проанализированы физические механизмы влияния данных видов воздействий на физические и механические свойства. Представлены физические основы технологии создания некоторых перспективных конструкционных и функциональных металлических материалов.
      Для специалистов в области физики конденсированного состояния, металловедения и термической обработки, физического материаловедения. Может быть полезно аспирантам и студентам соответствующих специальностей.

УДК 669.017
ББК34.431




ISBN 978-5-9729-0508-9

       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
       © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..................................................6

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТУЮ
СТАЛЬ.....................................................9
    Введение..............................................9
    Материал и методы исследования.......................10
    Результаты и их обсуждение...........................11
    Заключение...........................................16
    Список литературы....................................16

ГЛАВА 2. ПРИРОДА УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ......................19
    Введение.............................................19
    Материал и методы исследования.......................21
    Результаты и их обсуждение...........................22
    Заключение...........................................28
    Список литературы....................................29

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТАХ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.....................32
    Введение.............................................32
    Материал и методы исследования.......................34
    Результаты и их обсуждение...........................38
    Основные выводы......................................44
    Список литературы....................................47

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНОФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ТИТАНА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ
ОБРАБОТКЕ, ТОКОВОМ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ................................50
    Введение.............................................50
    Материал и методы исследования.......................51
    Результаты и их обсуждение...........................52
    Заключение...........................................61
    Список литературы....................................62


3

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ
МИКРО И НАНОСТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ.......................65
    Введение............................................65
    Выводы..............................................75
    Список литературы...................................75

ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЕРЛИТНОЙ
СТАЛИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ...........78
    Введение............................................78
    Материал и методы исследования......................79
    Результаты и их обсуждение..........................80
    Заключение..........................................89
    Список литературы...................................91

ГЛАВА 7. МИКРОТВЕРДОСТЬ И ПОЛЗУЧЕСТЬ АЛЮМИНИЯ ПРИ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ..............................93
    Введение............................................93
    Материал и методы исследования......................94
    Результаты и их обсуждение..........................94
    Заключение.........................................101
    Список литературы..................................103

ГЛАВА 8. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ
И ФАЗОВОГО СОСТАВА ДОЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА
ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ И МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ..............................................106
    Введение...........................................107
    Материал и методы исследования.....................108
    Результаты и их обсуждение.........................109
    Заключение.........................................118
    Список литературы..................................119

ГЛАВА 9. КОМПЛЕКСНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНА
ПРИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ НАУГЛЕРОЖИВАНИИ
И КАРБОБОРИРОВАНИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ.....................................122
    Введение...........................................122
    Материал и методы исследования.....................124


4

    Результаты и их обсуждение............................126
    Основные выводы.......................................133
    Список литературы.....................................133

ГЛАВА 10. ПРИРОДА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ИНВАРИАНТА
АВТОВОЛНЛОКАЛИЗОВАННОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ.......................136
    Введение..............................................136
    Основные представления и экспериментальные данные.....139
    Обсуждение результатов................................146
    Заключение............................................148
    Список литературы.....................................149

ГЛАВА 11. СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ P-PBN₆..............................151
    Введение..............................................151
    Методика спектрофотометрических измерений и спектры поглощения НК p-PbN₆..................................152
    Список литературы.....................................165

Глава 12. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА
НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.......................................167
    Введение..............................................167
    Методика экспериментов................................167
    Выводы................................................180
    Список литературы.....................................180

ГЛАВА 13. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.................183
    Повышение термоциклической стойкости многослойных теплозащитных покрытий на основе Zr-Y-0 / Si-Al-N.....183
    Повышение износостойкости экспериментальных образцов электроконтактных пар трения при обработке пучками ионов N+ и нанесении нанокомпозитных покрытий Cu-Mo-S..........189
    Оптически прозрачные металло-керамические защитные покрытия на стеклах иллюминаторов космических аппаратов........197
    Заключение............................................201
    Список литературы.....................................203


5

ВВЕДЕНИЕ


     Прогресс в развитии современной техники требует использования новых конструкционных материалов с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками. Такие материалы и изделия из них не могут быть получены и обработаны традиционными методами. Поэтому одной из важнейших задач научно-технической политики является создание и внедрение качественно новых технологических процессов, в том числе с использованием внешних энергетических воздействий на прочность и пластичность материалов.
     В основе создания материалов с заданными свойствами лежат два основных подхода: изменение химического состава и формирование необходимой структуры материала. На этих же принципах основаны методы упрочнения поверхностей за счет модифицирования слоя материала (без изменения геометрических размеров детали) и нанесения покрытия на поверхность детали, когда размеры детали изменяются на величину нанесенного слоя покрытия. В первом случае изменяются или структура материала в поверхностном слое, или химический состав и распределение элементов по глубине слоя, или одновременно, и то, и другое. Во втором случае главным фактором, определяющим упрочнение, является выбранный материал покрытия, отличающийся от основного материала детали и обеспечивающий требуемые свойства поверхности.
     Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры в сталях и сплавах при внешних энергетических воздействиях - одна из важнейших задач физики твердого тела. Экспериментальные исследования структур и фазового состава, формирующихся в сечении изделий в результате таких воздействий, очень важны для понимания физической природы превращений, поскольку позволяют целенаправленно изменять структуру и эксплуатационные параметры изделий. При этом получение необходимого комплекса высоких прочностных и пластических свойств требует понимания физических механизмов и природы структурно-фазовых изменений на всех масштабных условиях - от макро до нано. Значительная роль в решении фундаментальных и прикладных задач принадлежит теоретическим подходам и модельным представлениям.
     Спектр способов внешних энергетических воздействий достаточно широк: традиционные виды химико-термической и термомеханической обработок, лазерная, плазменная, ультразвуковая обработка, электронные и ионные пучки и т. д. Способы поверхностного модифицирования, использующие концентрированные потоки энергии, такие как лазерное излучение, мощные электронные и ионные пучки, плазменные потоки и струи, являются очень экономичными. Они позволяют проводить обработку локально, т. е. в тех местах, которые

6

непосредственно испытывают разрушение в процессе эксплуатации детали. Один из таких конструктивно простых способов, получивших развитие в последнее десятилетие, состоит в легировании поверхности импульсными плазменными струями, формируемыми при электрическом взрыве проводников. Электровзрывное легирование (ЭВЛ) проводится с оплавлением поверхности, а распределение легирующих элементов по глубине осуществляется конвективными процессами. Улучшение качества поверхности после ЭВЛ эффективно достигается при дополнительной электронно-пучковой обработке.
     Слабые и сильные электомагнитные поля и токи вот уже на протяжении последних 50 лет являются эффективным инструментом управления прочностью и пластичностью. Огромный объем выполненных исследований показал актуальность и практическую значимость этих методов в физике конденсированного состояния.
     В современных условиях эксплуатации машин и конструкций в число основных задач выдвигается повышение прочности, ресурса, живучести и долговечности. Экстремальные условия по уровню механических, тепловых, электромагнитных, гидро- и аэродинамических повторных нагрузок обусловливают наличие в нагруженных зонах пластических деформаций. Наиболее ответственные и уникальные изделия, машины и конструкции эксплуатируются в режимах циклических деформаций, определяющих разрушение уже при незначительных нагрузках. Долговечность и надежность машин во многом определяются их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные нагрузки, а основной вид разрушения -усталостный. Управление такими процессами возможно созданием субмикро и нанокристаллической структуры. Интенсивные пластические (мегапластиче-ские) деформации, реализуемые, например, при длительной эксплуатации рельсов приводят к образованию в поверхностных слоях таких структур. Выявление механизмов возможно лишь при анализе закономерностей эволюции параметров тонкой структуры и оценки вкладов структурных составляющих и дефектной субструктуры в упрочнение рельсов при длительной эксплуатации. В настоящее время это возможно при использовании высокоинформативных методов просвечивающей электронной микроскопии, позволяющих проводить комплексный анализ как морфологии и дефектной структуры, так и фазового состава с достаточной степенью локальности по сечению рельсов.
     Получение покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими повышение надежности и долговечности работы изделий в экстремальных условиях, характеризующихся повышенными механическими

7

нагрузками, износом, коррозией, наличием агрессивных сред и циклическим воздействием, является фундаментальной задачей.
      Для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев металлических изделий и конструкций используются различные виды концентрированных потоков энергии. В практике восстановления изношенных поверхностей в различных отраслях промышленности используются различные виды наплавки - дуговая, лазерная, электрошлаковая, электронно-лучевая и другие.
      Вышеуказанные направления изучения прочности и пластичности металлов и сплавов при внешних энергетических воздействиях являются основными, реализуемыми в научной школе кафедры естественнонаучных дисциплин СибГИУ. Теоретические и модельные представления и подходы помогают глубже разобраться в сложных взаимосвязанных процессах структурно-фазовых превращений на разных масштабных уровнях при энергетических воздействиях и, соответственно, физической природе явлений.
      Написание глав осуществлено научными коллективами из академических институтов и высших учебных заведений. 1 глава - Рубанникова Ю. А., Громов В. Е.; 2 глава - Мартусевич Е. В., Иванов Ю. Ф.; 3 глава - Московский С. В., Романов Д. А.; 4 глава - Коновалов С. В., Комиссарова И. А.; 5 глава - Невский С. А., Сарычев В. Д.; 6 глава - Перегудов О. А., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф.; 7 глава - Загуляев Д. В.; 8 глава - Аксенова К. В., Громов В. Е.; 9 глава - Бащен-коЛ. П.; 10 глава - Данилов В. И.; 11 глава - Иванов Ф. И.; 12 глава - Федоров В. А.; 13 глава - Сергеев В. П.
      Авторы считают своим прямым долгом вырозить искреннюю признательность рецензентам докторам наук, профессорам А. Н. Смирнову и В.В. Муравьеву за анализ работ и сделанные замечания.

8

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТУЮ СТАЛЬ
     Резюме. Методами современного физического материаловедения проведено исследование структурно-фазовых состояний, механических и трибологи-чееских свойств В, Сг и Nb содержащих покрытий, наплавленных на низкоуглеродистые стали Хардокс 400 и Хардокс 450 электродуговым методом. Установлены механизмы упрочнения за счет образования субмикро и нанораз-мерной структуры, содержащей карбиды, карбобориды и бориды.

Введение

     Один из наиболее эффективных и экономичных методов защиты поверхности - это электродуговая наплавка, позволяющая обеспечить оптимальное соотношение свойств поверхности и объема материала. Она применяется не только для ремонта изношенных элементов конструкций, но и для придания особых свойств поверхностям новых изделий перед вводом их в эксплуатацию [1—5].
     В последние годы получили развитие научные исследования и практические разработки в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Такие покрытия эффективно работают в условиях сильного абразивного изнашивания и применяются в различных областях промышленности (строительной, металлургической, горнодобывающей и др.). В этом случае основными факторами, обеспечивающими упрочнение, является выбранный материал наплавочного покрытия.
     Из-за износа и коррозии деталей и конструкций ежегодные убытки в промышленности всех стран мира составляют миллиарды долларов, поскольку при остановках производства, связанных с ремонтом, выпуск продукции снижается. По данным фирмы «Eutectic + Castolin» (Швейцария) стоимость ежегодных простоев в промышленности равна около 15 % общих годовых затрат; 80 % общего времени простоев составляют потери рабочего времени вследствие поломок оборудования. Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что использование объемно-легированных материалов, являвшееся до последнего времени основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов и значительного увеличения их стоимости.
     Интенсификация технологических процессов добычи полезных ископаемых предъявляет повышенные требования к комплексу механических свойств

9

рабочих поверхностей оборудования, используемого на предприятиях горнометаллургического комплекса. Наиболее остро эта проблема стоит для крупногабаритных деталей и конструкций, таких, например, как ковши экскаваторов, кузова самосвалов и других, поэтому исследования в этой области являются актуальными как в научном, так и в практическом плане. В последние годы получили развитие исследования в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Основными факторами, определяющими их эксплуатационные свойства, являются химический и фазовый составы материала покрытия. Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям их эксплуатации, необходимо проведение подробных исследований их свойств и структуры.
      Целью настоящей работы явился сравнительный анализ структурнофазовых состояний и выявление природы высоких физико-механических свойств покрытий, наплавленных на износостойкие стали Хардокс 400 и Хар-докс 450 электродуговым методом порошковыми проволоками различного химического состава.

Материал и методы исследования

      Стали Хардокс 400 и Хардокс 450, элементный состав которых приведен в таблице 1.1, характеризуются низким содержанием легирующих элементов, вследствие чего она хорошо сваривается и обрабатывается. Благодаря специальной системе закалки листов, суть которой заключается в быстром охлаждении прокатанного листа без последующего отпуска, достигается мелкозернистая структура стали и ее высокая твердость.
Таблица 1.1

Химический состав используемых материалов (Fe - остальное)

  Материал           Содержание элементов, % (по массе)                 
  подложки                                                             
и порошковая      С      Si   Мп    Р    S   Сг     Ni   Мо    в    Nb 
  проволока                                                            
    Сталь     0,18      0,70 1,60 0,025 0,01  1,0  0,25 0,25   -   -   
 Хардокс 400                                                           
    Сталь     0,19-0,26 0,70 1,6  0,025 0,01 0,25  0,25 0,25 0,004 -   
 Хардокс 450                                                           
Борсодержащие 0,70      1,0  2,0    -   -    0,0   2,0   -    6,5  -   
 покрытие 1                                                            
Ниобий и хром                                                          
 содержащее   2,06      0,65 2,51 0,03   -   13,48  -    -     -   6,36
 покрытие 2                                                            

10

     На поверхности сталей методом электродуговой наплавки формировали покрытия толщиной до 7 мм (покрытие 1 на стали Хардокс 450, покрытие 2 на стали Хардокс 400). Наплавку проводили в среде защитного газа состава 98 % Аг, 2 % СО₂ при сварочном токе 250-300 А и напряжении на дуге 30-35 В.
     Металлографические исследования, выполнены на оптическом микроскопе Olimpus GX 71, оснащенном цифровой камерой В370 с программным обеспечением Image Scopem. Дефектную структуру анализировали методами просвечивающей электронной микроскопии ПЭМ тонких фольг и реплик и СЭМ. Микротвердость измеряли на приборе HVS - 1000 А с цифровым дисплеем. Трибологические свойства изучали в геометрии диск-штифт с помощью трибометра CSEM при комнатной температуре.

Результаты и их обсуждение

     Покрытие 1 на сталь Хардокс 450
     На рисунке 1.1 представлено распределение микротвердости по глубине наплавленного слоя. Видно, что микротвердость немонотонно изменяется по сечению наплавки, в 2,7 раза превышая микротвердость основного материала.

Рис. 1.1. Профиль микротвердости системы «наплавка проволокой 1 / (сталь Хардокс 450) подложка»

      Формирование покрытия приводит к увеличению износостойкости поверхности -в 2,5 раза и снижению коэффициента трения -в 1,3 раза по отношению к подложке. Эти значения превосходят соответствующие величины для порошковой проволоки с 3,7 % В [6—10]. Как и в этой, так и в предыдущих работах, установлено, что формирование покрытия 1 сопровождается созданием многослойной структуры, слои которой различаются морфологией элементов

11

субструктуры. В поверхностном слое (рисунок 1.2, а) толщиной 5 мм формируется столбчатая структура (рисунок 1.2, б), ориентированная перпендикулярно поверхности. Она представлена чередующимися областями толщиной до 10 мкм, различающимися типом субструктуры - смешанной субструктурой пластинчатого и глобулярного типа и пластинчатой (рисунок 1.2, в). Толщина пластинок и прослоек, их разделяющих, изменяется в пределах от 50 до 100 нм. По мере удаления от поверхности покрытия в промежуточном слое пластинчатая структура вырождается и на границе с переходным слоем исчезает (рисунок 1.2, в). Особенностью переходного слоя является глобулярный тип структуры (рисунок 1.2, д). Размеры глобул изменяются в пределах от 1,5 до 3,0мкм. Глобулы фрагментированы на области субмикронного размера. На границе раздела с подложкой переходный слой имеет дендритную структуру. Граница раздела между покрытием и подложкой характеризуется наличием микропор и микротрещин, что указывает на присутствие в материале упругих напряжений. Зона термического влияния имеет закалочную структуру с кристаллами мартенсита пакетного и пластинчатого типов.

Рис. 1.2. Слоистая структура покрытия, представленная поверхностным слоем 1, промежуточным слоем 2, переходным слоем 3 и зоной термического влияния стали 4: а, б,г, е - оптическая микроскопия; в, д, ж - СЭМ

     Микрорентгеноспектральный анализ островков и прослоек, их разделяющих, позволил выявить расслоение материала наплавки 1 по углероду и карбидообразующим элементам - прослойки, разделяющие островки кристаллизации (рисунок 1.3, спектр 1), обогащены углеродом и титаном.


12

Рис. 1.3. Характерный участок структуры наплавки (а) и соответствующий ему энергетический спектр (б), полученный с области, выделенной рамкой

      Дифракционные исследования морфологии и фазового состава покрытий позволяют заключить, что основной причиной кратного увеличения микротвердости и износостойкости покрытия является формирование нано- и субмикро-размерных частиц карбидных, боридных и карбоборидных фаз на основе железа (рисунки 1.4и 1.5), содержание которых составляет 53 %.

Рис. 1.4. Участок дифрактограммы наплавки порошковой проволокой 1

13