Закономерности формирования пластичности и вязкости низко- и среднеуглеродистых сталей и разработка методов их оценки : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : 05.16.01

Проблема конструктивной прочности сталей является одной из ключевых в научном и прикладном металловедении. Отыскание оптимальной конструктивной прочности конкретных изделий – это всегда компромисс между упрочнением и потерей пластичности, поскольку эти два свойства неразрывно связаны: упрочнение происходит при создании препятствий для движения дислокаций, что уменьшает их мобильность Мд, то есть способность к скольжению, размножению и аннигиляции, и, соответственно, пластичность.
Существуют различные подходы и способы оценки пластичности материала при его деформации, из которых наиболее распространенным и признаваемым в металловедении является определение пластических характеристик при растяжении стандартных образцов. В этом случае под пластичностью понимается степень пластической деформация образца до разрушения ( ), то есть рассматриваются характеристики пластического течения материала как при деформационном упрочнении до в, так и при образовании и эволюции шейки и магистральной трещины.
Пластичность конструкционных сталей определяется физической природой феррита как основной фазовой составляющей, композицией стали и ее структурой, сформированной при термической и/или термомеханической обработке, а также условиями нагружения. Темп уменьшения пластичности в ходе деформации определяется скоростью накопления дефектов кристаллического строения в металле, то есть масштабом релаксационных процессов, и для реализации высокого равномерного удлинения р необходимо медленное накопление упругих напряжений в металл в ходе пластического течения.
Большой интерес к термомеханической обработке (ТМО) низко- и среднеуглеродистых сталей вызван возможность создания в них высокого уровня прочностных и вязко-пластических свойств путем целенаправленного
3
влияния на структурное состояние феррита и упрочняющих структурных составляющих. Актуальным становится необходимость разработки новых подходов в оценке и трактовке пластичности и вязкости металла при заданном уровне прочностных свойств, что особенно важно при все более широком использовании высокопрочных строительных сталей нового поколения, обладающих нетривиальным комплексом механических свойств: удовлетворительной пластичностью ( р 7-10 %, 24-26 %), крайне
опасным по традиционным меркам отношением 0,2/
высокой вязкостью как при комнатной (KCV > 3,5 МДж/м2), так и при отрицательных температурах вплоть до tисп = –60…–80оС.
Степень разработанности темы исследования. В основу диссертации положен разработанный и научно обоснованный Н.Н. Давиденковым и Я.Б. Фридманом принцип о взаимосвязи пластичности и прочности. При введении понятия «конструкционная прочность сталей» (Ф.Б. Пикеринг, М.И. Гольдштейн, Л.И. Тушинский) отмечается, что все способы упрочнения, связанные с созданием препятствий для движения дислокаций, уменьшая их подвижность, приводят к потере пластичности.
Поскольку требуемый уровень вязко-пластических свойств лимитирует величину упрочнения, то необходимо решение важной научно-практической проблемы: отыскание закономерностей формирования пластичности и вязкости и их потери на отдельных этапах нагружения.
Предложенный подход в основном обосновывался с помощью качественных соотношений механических свойств низкоуглеродистых сталей, в то время как для практического использования необходимы конкретные корреляционные зависимости между функциональными характеристиками сталей для конкретных изделий.
В энциклопедическом четырехтомнике М.А. Штремеля (1997-2013 г.г.) дано широчайшее обобщение всех известных на тот период экспериментальных и теоретических работ по упрочнению и разрушению сплавов. В эти же годы коллективами под руководством В.Е. Панина, М.М. Криштала, А.М. Глезера интенсивно развиваются представления о
4
в 0,97 и рекордно

структурных уровнях пластической деформации и разрушения, волновой природе пластической деформации и протекающих при этом процессах релаксации напряжений. В этих исследованиях разработаны новые физические подходы к решению фундаментальных вопросов о взаимосвязи «структура – пластическая деформация – механические свойства – разрушение».
Появление новых цифровых технологий в металловедении, в частности методов дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD), корреляции цифровых изображений (DIC) и др., позволило не только повысить локальность, точность и объективность экспериментальных данных при изучении эволюции структуры металлов, но и отыскать научно обоснованные критерии перехода от пластического течения к разрушению.
В этом плане особый интерес представляет изучение сосредоточенной стадии растяжения образцов, на которой происходят важнейшие процессы локализации пластического течения при формировании шейки, зарождения и роста магистральной трещины, приводящие к нарушению сплошности металла.
Представленная диссертационная работа направлена на решение одного из основных в научном и прикладном плане вопроса – создания наивысшей конструкционной прочности изделий (конструкций) из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также предлагает новые подходы для оценки пластичности и вязкости.
Цель работы. Изучение закономерностей влияния структурно- фазовых параметров на пластичность и вязкость низко- и среднеуглеродистых сталей и отыскание на этой основе способов оценки компонент пластичности и путей повышения конструкционной прочности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
изучить влияние на пластичность различных механизмов упрочнения низко- и среднеуглеродистых сталей после термического и термодеформационного воздействия (контролируемой прокатки,
5

изоформинга, равноканального углового прессования, нормализации, термоулучшения, закалки из межкритического интервала температур);
выделить периоды на кривых нагружения образцов при растяжении и ударном изгибе, связанные с совместным действием деформации и релаксации напряжений, и, соответственно, проследить за изменением на выделенных периодах параметров пластического течения и трещинообразования: прочностных, пластических, вязких и градиентных;
разработать перспективные способы экспериментальной оценки пластичности и вязкости сталей и их компонент;
сформулировать рекомендации по достижению наилучшей конструктивной прочности изделий (труб) из низколегированных сталей.
Научная новизна:
дано научное обоснование вклада различных механизмов упрочнения i в снижение пластичности i низко- и среднеуглеродистых сталей в различных структурно-фазовых состояниях, проведена оценка интенсивности падения пластичности при зернограничном (субзеренном),
дислокационном, перлитном, дисперсионном упрочнении;
на основе анализа хода кривых растяжения с использованием метода
корреляции цифровых изображений и видеосъемки растягиваемого образца впервые экспериментально выделены периоды на кривых растяжения: линейный и степенной на равномерной стадии деформации, I, II, III на сосредоточенной стадии деформации, в пределах которых предложены и экспериментально обоснованы параметры текучести – пластические ( , р, с,
с/ ), прочностные ( 0,2, в, к, к/ в) и градиентные ( / , / оценки способности металла к пластической деформации и разрушению;
для низко- и среднеуглеродистых сталей в различных структурно- фазовых состояниях установлено, что снижение пластичности (охрупчивание) металла при упрочнении контролируется степенным периодом равномерной стадии деформации при возрастании доли сосредоточенной стадии ( с/ ) в общей пластичности;
) для
6

на основе анализа хода кривых растяжения плоских образцов сталей группы прочности Х80 с разной величиной эффекта деформационного старения методом корреляции цифровых изображений найдено, что снижение пластичности связано не только с созданием препятствий для движения дислокаций, но также с локализацией пластического течения на площадке текучести и равномерной стадии деформации;
– на основе анализа полей корреляции цифровых изображений и профилей деформации экспериментально обосновано существование 2 видов деформации Людерса: типа I, когда деформация происходит путем образования и расширения одной полосы Чернова-Людерса (ПЧЛ), эстафетной активации каналов течения в апериодически расположенных участках образца через фиксированные промежутки времени и непрекращающейся деформации в них, и типа II, когда деформация локализуется в очаге двух пересекающихся ПЧЛ;
выявлены особенности пластического течения в растущей ПЧЛ, позволяющие считать непрерывное возникновение и движение дислокаций и вакансий под действием одного концентратора напряжения (деформации) внутри полосы необходимым условием движения фронтов ПЧЛ (расширения полосы);
предложена методика оценки величины эффекта деформационного старения (Di) по относительному изменению разных механических характеристик при растяжении в диапазоне предельных состояний металла (от состояния с минимальной (Di 0) до состояния с максимальной (Di 1,0) величиной эффекта), использование которой позволяет оценивать ресурс прочности и пластичности изделий (конструкций) как на этапе их изготовления, так и в процессе эксплуатации;
на основе анализа кривых ударного нагружения при инструментальных испытаниях на ударный изгиб и фрактографического изучения изломов образцов разработаны методики оценки вязкости (трещиностойкости) конструкционных сталей обычной и повышенной вязкости.
7

Теоретическая значимость:
разработана система основных параметров текучести и разрушения (пластических, прочностных, градиентных свойств) на различных стадиях (периодах) растяжения и ударного изгиба, позволяющая описывать упрочнение и потерю пластичности металла при переходе от одного периода к другому;
впервые выделены периоды сосредоточенной стадии растяжения, анализ которых позволяет оценить момент появления и динамику роста магистральной трещины, предсказать механизм разрушения и соотношение вязкой и хрупкой компонент в изломе образцов;
установлено, что снижение пластичности (охрупчивание) металла при упрочнении связано с уменьшением вклада в общую пластичность степенного периода равномерной стадии деформации; для низко- и среднеуглеродистых сталей в различных структурно-фазовых состояниях предложен показатель ( с/ ), где с – относительное удлинение на сосредоточенной стадии, – общее относительное удлинение, рекомендованный для оценки надежности работы изделий (конструкций);
найдены способы оценки величины эффекта деформационного старения низко- и среднеуглеродистых сталей, находящихся в диапазоне предельных состояний (от высокопрочного при минимальной пластичности до низкопрочного при наибольшей пластичности); предложенные способы рекомендуются для определения ресурса прочности и пластичности изделий (конструкций) как на этапе их изготовления, так и в процессе эксплуатации;
разработаны методики оценки вязкости (трещиностойкости) конструкционных сталей обычной и повышенной вязкости на основе анализа кривых нагружения при инструментальных испытаниях на ударный изгиб совместно с изучением изломов образцов.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные и их трактовка, а также предложенные методики для оценки механических свойств конструкционных сталей нашли свое отражение в
учебных пособиях «Современные инструментальные методы исследования 8

механических свойств», «Деформационное старение в сталях», «Современные методы исследования полиморфных превращений в сталях», «Конструкционные и функциональные материалы на металлической основе», а также в курсах «Механические свойства материалов», «Технологические аспекты производства конструкционных материалов», «Разрушение конструкционных материалов» для студентов, обучающихся по направлениям 22.03.02 «Металлургия» и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов».
Предложены способы определения вязкости металлических материалов при испытаниях на ударный изгиб с записью диаграмм нагружения (патенты No 2646548, No 2570237), позволяющие проводить аттестацию как конструкционных сталей обычной вязкости, так и высоковязких сталей.
Разработана методика фрактографической оценки трещиностойкости низкоуглеродистых сталей типа 05Г2Б для газопроводных труб класса прочности Х80 при приемно-сдаточных испытаниях и после определенных периодов эксплуатации, в основе которой лежит критерий Lс/В 0,19-0,24, где В – высота образца Шарпи в месте надреза, гарантирующий замедленное вязкое разрушение сталей класса прочности Х80 (KCV-40 = 2,5 МДж/м2). Использование критерия Lс/В дает возможность оценки трещиностойкости на недоломанных образцах, часто встречающихся при ударных испытаниях высоковязких сталей.
Предложен способ обработки листового и сортового проката из низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей для повышения конструктивной прочности изделий (конструкций) из них (патент No 2735308). Для сталей типа 05Г2Б (сталей класса прочности Х80) предложена финишная термообработка по режиму: нагрев до температуры t = Аc3 – (20…40)оС, например, до tн = 900оС, с последующим ускоренным охлаждением, обеспечивающей достижение наивысшей конструктивной
прочности ( 0,2 = 565-590 МПа, в = 740-770 МПа, 0,2/
22-23 %, KCV-40 = 2,65-2,70 МДж/м2) и отсутствие эффекта деформационного старения.
9
в = 0,73-0,74, =

Предложен способ оценки влияния химического состава сталей и технологических параметров контролируемой прокатки (температурного интервала редуцирования/калибровки, степени деформации при редуцировании, скорости последеформационного охлаждения) на устойчивость переохлажденного аустенита методом объемно-торцовой закалки (патент No 2337145), который позволил скорректировать композиции среднеуглеродистых сталей типа 37Г2С, а также технологию производства горячекатаных труб в условиях ОАО «Синарский трубный завод» и обеспечить гарантированное достижение заданного уровня их механических свойств для групп прочности Д, К. Е в широком диапазоне типоразмеров.
Предложенные подходы по оценке потери пластичности при совокупном действии нескольких механизмов упрочнения нашли отражение при разработке сталей и технологии производства насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5CT-8. На ОАО «Синарский трубный завод» изготовлены опытные партии труб с толщиной стенки от 5,5 до 7,0 мм, уровень механических свойств которых соответствовал требованиям группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2.
Разработана методика определения величины эффекта деформационного старения (параметра D) по изменению механических характеристик на кривых растяжения (пределу текучести т, отношению
в, протяженности равномерной стадии деформации р, статической вязкости а), которая позволяет проводить оценку ресурса работы изделий (конструкций). Кроме того, сформулированы рекомендации по режимам термообработки, обеспечивающих минимизацию эффекта деформационного старения или его устранение.
Методология и методы исследования. В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, инструментированные механические испытания на растяжение (Instron 3382) и ударный изгиб (Instron Ceast 9350), методы оптической металлографии (Olimpus JX 51) и электронной микроскопии (ZEISS Cross Beam AURIGA),
т/
10

фрактографический анализ (JEOL JSM-6490LV), дилатометрический анализ (Linseis L78), терморентгенографический анализ (Anton Paar HTK1200N).
Для обработки и интерпретации экспериментальных результатов применялись методы статистической обработки данных. Расчеты выполнялись по методу наименьших квадратов. Для оценки доверительных интервалов констант использовали остаточную сумму квадратов отклонений. Цель математической обработки экспериментальных данных состояла в определении стехиометрических коэффициентов в уравнениях зависимостей механических и теплофизических свойств, изменения измеряемой характеристики во времени и т.д.
Положения, выносимые на защиту:
установленные закономерности влияния различных механизмов упрочнения на пластичность низко- и среднеуглеродистых сталей после термического и термодеформационного воздействия (контролируемой прокатки, изоформинга, равноканального углового прессования, нормализации, термоулучшения, закалки из межкритического интервала температур);
совокупность результатов, описывающих изменение параметров текучести и разрушения (прочностных, пластических, градиентных, вязких) сталей с феррито-перлитной и феррито-бейнитой/мартенситной структурой, для повышения конструкционной прочности изделий, в частности труб нефтегазового сортамента;
сформулированная на основе результатов собственных экспериментальных, теоретических исследований и литературных данных концепция оценки пластичности и вязкости конструкционных сталей при испытаниях на растяжение и ударный изгиб;
особенности пластической деформации образцов низкоуглеродистых сталей типа 05Г2Б класса прочности Х80 при действии эффекта деформационного старения и их влияние на комплекс для механических свойств и характеристики разрушения сталей данного класса.
11

Степень достоверности результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на всестороннем анализе выполненных ранее работ на тему исследования, обеспечивается использованием поверенной и аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры, современных средств и методов проведения исследований, подтверждается представительным объемом исследованных сталей и воспроизводимостью результатов исследований. Основные результаты исследований прошли апробацию на международных научно-практических конференциях, опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, выборе композиций сталей и методик их исследования, в получении экспериментальных результатов, их обработке и анализе, формулировании основных положений и выводов работы.
Работа выполнена на кафедре «Термообработка и физика металлов» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Автор признателен всем бывшим и нынешним сотрудникам кафедры, в первую очередь, проф. д.т.н. Фарберу В.М., проф. д.т.н. Попову А.А., проф. д.т.н. Пышминцеву И.Ю., проф. д.т.н. Лобанову М.Л., доц. к.т.н. Денисовой И.К., доц. к.т.н. Эйсмондту Ю.Г., доц. к.т.н. Селивановой О.В. за формирование научного мышления и обсуждение результатов исследований, а также бывшим и нынешним специалистам ОАО «Синарский трубный завод» к.т.н. Горожанину П.Ю., к.т.н. Жуковой С.Ю., к.т.н. Черных Е.С., к.т.н. Тихонцевой Н.Т. за практическую помощь в проведении и реализации результатов исследований бесшовных насосно- компрессорных и обсадных труб, специалистам ОАО «Российский научно- исследовательский трубный институт» к.т.н. Струину А.О., к.т.н. Мальцевой А.Н., Валову М.А. за практическую помощь в изучении сталей класса прочности Х80, коллегам из Института машиноведения УрО РАН Смирнову С.В., Швейкину В.П., Вичужанину Д.И. за предоставленное
12

оборудование и практическую помощь при испытаниях на растяжение с использованием метода корреляции цифровых изображений.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на IV Международной конференции «Nanostructured Materials» (г. Стокгольм, 1998), на Международной конференции «Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation» (г. Москва, 1999), на XV, XVII, XVIII, XIX и XXV Уральских Школах металловедов-термистов (г. Екатеринбург, 2000; г. Киров, 2004; г. Тольятти, 2006; г. Екатеринбург, 2008, г. Екатеринбург, 2020), на XV, XVIII и XX Международных научно-технических конференциях «Трубы» (г. Челябинск, 2007, 2010, 2012), на V и VIII Российских научно-технических конференциях «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011, 2014), на IV Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении» (г. Пермь, 2019).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 50 печатных работ, в том числе 15 работ в изданиях, рекомендованных ВАК по данной специальности, и 27 работ, входящих в международные реферативные базы данных (Scopus, Web of Science), получено 6 патентов Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 299 страницах, состоит из введения, 5 разделов, заключения, 1 приложения, в том числе 107 рисунков и 28 таблиц; список литературы включает 152 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.