Ранние стадии распада твердых растворов и влияние процессов предвыделения на комплекс механических и физических свойств

О пригодности конструкционных материалов к конкретным условиям работы различного оборудования и машин судят по комплексу свойств, полученных при испытаниях образцов, а также по результатам дополнительно проведённых полунатурных и натурных испытаний. Однако, несмотря на увеличение объёма эксперимента, часто принятый комплекс исследований недостаточно полно оценивает сопротивляемость изделий разрушению в процессе их службы. Известно много случаев преждевременных разрушений изделий несмотря на то, что материалы удовлетворяли всем требованиям [1 -3].

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что преждевременные разрушения в значительной мере следует связывать с тем, что в процессе изготовления и эксплуатации произошла деградация гарантированных свойств материала в результате отступлений от расчётных условий эксплуатации узлов и конструкций, недостатков конструирования и проектирования, несовершенства технологических процессов и отступлений от требований ГОСТ и ТУ (неоптимальная конструкция, нерациональное оформление узлов, перерезание волокна, чрезмерные монтажные натяги, перегревы металла, нарушение водного режима и др.). Однако и при соблюдении всех выше перечисленных условий часто имеет место изменение служебных свойств конструкционных материалов вследствие структурных превращений, происходящих в твёрдом растворе под воздействием условий эксплуатации с течением времени. Наиболее значимыми структурно-физическим аспектами, определяющими работоспособность конструкционных материалов, являются равномерность распада твёрдых растворов и величина объёмной дилатации на границе «формирующаяся фаза — матрица» [4].

При определённом легировании можно подавить или значительно ослабить избирательность выпадения вторичных фаз.

Равномерность распада твёрдого раствора приводит к созданию в матрице относительно правильного чередования частиц карбидов или интерметаллидов, т. е. к образованию типа макрорешётки из этих фаз. При таком распаде, в отличие от неоднородного, избирательного, твёрдый раствор в процессе температурно-временных циклов под нагрузкой всё время остаётся относительно изотропным и обеспечивает возможность равномерного протекания пластической деформации. Одновременно с этими процессами обеднение твёрдого раствора легирующими элементами облегчает работу границ зёрен в условиях ползучести, так как даёт возможность реализации течения внутри них. Это замедляет развитие межзёренных повреждений во времени и обеспечивает более высокую остаточную пластичность при разрушении [1,3,4,5].

Равномерность распределения первичных фаз и высокая однородность и плотность зарождения вторичных карбидных, интерметаллидных и других фаз являются необходимыми, но не единственными условиями, обеспечивающими ослабление повреждаемости конструкционных материалов в условиях эксплуатации. Другим структурным фактором, определяющим сопротивляемость зарождению и развитию трещин, является объёмная дилатация на границе раздела «формирующаяся фаза — матрица», предопределяющая появление упругоискажённых областей в матрице (растянутых и сжатых), глубину их распространения и уровень возникающих при этом напряжений.

Следует отметить, что наиболее сильное влияние на работоспособность конструкционных материалов оказывают величина, интенсивность и распределение структурных напряжений, возникающих на ранних стадиях распада, которые в некоторых случаях могут достигать величины хрупкой прочности материала. О наличии высоких внутренних напряжений, достигающих даже величины хрупкой прочности, свидетельствует появление в ряде случаев микротрещин в процессе распада твёрдых растворов [6].

Процессы предвыделения (зарождения и развития избыточной фазы в маточном твёрдом растворе) оказывают определяющее влияние на прочность и пластичность сталей сплавов. Изотропность механических свойств при этом, уменьшая локализацию повреждаемости, будет способствовать повышению сопротивляемости развитию трещин.

В связи с вышеизложенным, изучение процессов распада твёрдых растворов и закономерностей их протекания во времени, их влияния на комплекс механических, физических, коррозионных свойств металлических материалов различных композиций с ГЦК-, ОЦК-, ГПУ-структурами является важной научной и практической задачей, позволяющей прогнозировать поведение различных материалов при определённых температурно-временных условиях. Наиболее актуально это для материалов, используемых в энергетике (тепловой и атомной), где особое значение приобретает фактор времени.

Цель работы заключалась в изучении процессов распада твёрдых растворов сталей различных композиций с ОЦК-, ГЦКи ГПУ-структурами, а также процессов распада твёрдых растворов при наличии полиморфных превращений, определении общих закономерностей распада твёрдых растворов, изучении влияния ранних стадий распада на механические, физические и другие свойства сплавов.

Научная новизна. Впервые по единому, целенаправленному подходу изучены закономерности распада твёрдых растворов с различным типом кристаллической структуры. Показано, что распад пересыщенных твёрдых растворов весьма сложен, и задолго до выделения избыточных фаз в твёрдом растворе происходит ряд промежуточных превращений.

Установлено, что процессы, происходящие при распаде твёрдых растворов, присущи всем твёрдым растворам, но развитие их с учётом температурно-временных факторов различно (в одних сталях они сильно развиты, в других — более слабо).

Отмечены три периода распада при определённых температурно-временных условиях: 1) дораспадный, 2) инкубационный (скрытый, латентный) и 3) период обособления и коагуляции избыточных фаз.

Утверждается, что ранние стадии распада твёрдых растворов неизбежны, их влияние необходимо учитывать при анализе различных свойств сталей и сплавов. Начало этих процессов отчётливо улавливается физическими методами исследования.

Впервые показана неизбежность ранних стадий распада при изотермическом превращении переохлаждённого аустенита в углеродистых сталях. Высказывается мнение о ведущей роли углерода при распаде аустенита в простых углеродистых сталях.

Впервые установлено, что и при протекании полиморфного превращения в сплаве ранние стадии распада неизбежны, и распад твёрдого раствора происходит по общим для всех сплавов законам.

Установлено, что процессы предвыделения оказывают определяющее влияние на прочность и пластичность материала. Наиболее ощутимо во времени проявление процессов предвыделения избыточной фазы и задержки полиморфного превращения происходит при пониженных температурах, когда затормаживаются процессы диффузии элементов замещения, а затем элементов внедрения. Но даже при весьма низких температурах (-50°С) ранние стадии распада пересыщенных твёрдых растворов неизбежны при длительных выдержках.

Практическая ценность результатов работы. Результаты выполненной работы позволили:

— сформулировать основные положения структурно-кинетической концепции;

— утверждать, что изменение служебных свойств конструкционных материалов определяется не только характером взаимодействия дислокаций и других несовершенств кристаллического строения, плотностью и равномерностью их распределения, изменяющихся в процессе эксплуатации при определённых температурно-временных условиях, но и структурными превращениями, также изменяющимися во времени в зависимости от условий эксплуатации;

— установить влияние ранних стадий распада на механические и физические свойства сталей и сплавов и показать определяющую роль фактора времени при выделении вторичных избыточных фаз;

— определить направления и подходы, обеспечивающие отсутствие преждевременных разрушений изделий, а также дать практические рекомендации по оценке работоспособности конструкционных материалов в процессе длительной эксплуатации при определённых температурно-временных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: пятом Российско-Японском симпозиуме «Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твёрдыми телами», Белгород, 30 сент. — 5 окт. 1996 г.- симпозиуме «Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии», Москва, сент. 1996 г.;

VII-M Межнациональном совещании «Радиационная физика твёрдого тела», Севастополь, 30 июня — 5 июля 1997 г.- научно-техническом семинаре кафедры «Металловедение» СПбГТУ, Санкт-Петербург, май 1997 г.;

Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении», Санкт-Петербург, 27 -28 мая, 1997 г.;

VII-й конференции стран СНГ по проблеме «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов», Белгород, 9−12 сент. 1997 г.- заседании секции прочности и пластичности материалов им. H.H. Давиденкова Дома Учёных им. М. Горького, Санкт-Петербург, февраль 1998 г;

VIII-м Межнациональном совещании по радиационной физике твёрдого тела, Севастополь, июнь 1998 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Паршин A.M., Степанов Е. З., Теплухина И. В. Первичность распада переохлаждённого аустенита. //Тезисы докладов пятого Российско-Японского симпозиума «Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твёрдыми телами». Белгород: БГУ, 1996, с.52−54.

2.1 ¡-аршин А.М., Петкова А. П., Кириллов Н. Б., Теплухина И.В.

Длительная эксплуатация ВВЭР и неотложные задачи.// Тезисы докладов симпозиума «Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии». Москва: РАН, 1996, с. 114−115.

3. Степанов Е. З., Теплухина И. В. Неизбежность ранних стадий распада в сталях, предшествующих обособлению избыточных фаз. // Тезисы докладов симпозиума «Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии». Москва: РАН, 1996, с. 115−116.

4. Паршин А. М., Степанов Е. З., Теплухина И. В. Полиморфизм и особенности распада переохлаждённого аустенита при формировании бейнита.// Тезисы докладов VII — го семинара «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов». Белгород: БГУ, 1997, с. 85−87.

5. Паршин А. М., Теплухина И. В. Ранние стадии распада в аустенитных и мартенситных сталях и сплавах при формировании карбидных и интерметаллидных фаз.// Тезисы докладов VII — го семинара «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов». Белгород: БГУ, 1997, с. 73−75.

6.Паршин А. М., Степанов Е. З., Филимонов Т. Н., Теплухина И. В. Влияние временного фактора на работоспособность корпусов атомных реакторов.//Физика твёрдого тела. Севастополь: 1997, с. 89−91.

7.Паршин А. М., Степанов Е. З., Теплухина И. В. Особенности распада переохлаждённого аустенита и оптимальная термическая обработка.// Тезисы докладов на международной конференции «Высокие технологии в современном материаловедении». Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1997, с. 19−20.

8. Паршин А. М., Степанов Е. З., Теплухина И. В. Полиморфизм и особенности распада переохлаждённого аустенита при формировании бейнита.// Научные ведомости БГУ, № 1(6). Белгород: БГУ, 1998, с. 100 106.

9. Паршин А. М., Теплухина И. В. Перераспределение хрома в ферритных сталях в инкубационном периоде распада и зоны предвыделения фаз.// Материалы VIIIго Межнационального совещания по радиационной физике твёрдого тела. СевастопольД998, с. 281 — 287.

10. Теплухина И. В. Ранние стадии распада твёрдых растворов и работоспособность конструкционных материалов.// Вестник молодых учёных. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1999, №, с.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Ещё раз показано, что распад пересыщенных твёрдых растворов весьма сложен, и задолго до выделения избыточных фаз в твёрдом растворе протекает ряд промежуточных превращений.

Выпадение вторичных фаз из твёрдого раствора представляется как многостадийный процесс, последовательно включающий в себя образование сегрегатов атомов, двумерных, а затем трёхмерных образований типа зон Гинье-Престона-Багаряцкого (ранее обнаруженных в алюминиевых сплавах), различных промежуточных состояний формируемой фазы, когерентных фаз и, наконец, обособившейся фазы с собственной кристаллической решеткой, имеющей поверхность раздела с маточным твёрдым раствором и сравнительно легко изолируемой при физико-химическом методе анализа.

2.Установлено, что описанные процессы присущи всем пересыщенным твёрдым растворам, но развитие их с учётом температурно — временных факторов различно: в одних сталях (например, в дисперсионно-твердеющих) они сильно развиты, а в других (например, твёрдорастворноупрочняемых) — более слабо. При этом показано, что наиболее же важны те структурные превращения, которые происходят внутри твёрдого раствора до обособления и коагуляции избыточных фаз.

3.Показано, что выделение вторичной фазы в сталях и сплавах как с твёрдорастворным упрочнением, так и в дисперсионно-твердеющих материалах вначале происходит на границах зёрен, а затем по другим поверхностям раздела (плоскости сдвига и двойникования) и уже потом внутри зёрен по определённым кристаллографическим направлениям. Избирательность процесса распада обусловлена как более лёгкими условиями зарождения вторичных фаз на готовых поверхностях раздела, так и различной термодинамической стабильностью твёрдых растворов. Именно поэтому первые зоны предвыделения даже в наиболее однородных аустенитных дисперсионно-твердеющих сталях и сплавах были обнаружены на границах зёрен.

4.Следует выделять три периода распада при определённых температурно-временных условиях: 1) дораспадный, 2) инкубационный (скрытый, латентный) и 3) период обособления и коагуляции вторичных избыточных фаз. К сожалению, очень часто учитываются только те процессы, которые происходят на стадиях обособления или даже коагуляции фаз (количественная сторона процесса). При этом почти не учитываются не менее важные, а иногда и определяющие процессы, происходящие до обособления фаз — в инкубационном периоде распада (качественная сторона процесса). Именно в этом периоде, в основном, образуются напряжения несоответствия.

Отмечено, что физическая сущность зон предвыделения и состоит в том, что они являются теми обнаруживаемыми при исследовании «микрообъёмами», в которых протекают структурные превращения в инкубационном периоде распада.

5. Показано, что все твёрдые растворы в зависимости от легирования имеют переменную растворимость, определяемую температурно-временными факторами и состоянием материала, которая может изменяться (например, при воздействии внешних условий, таких как нейтронное и ионное облучение, предварительный холодный наклёп и ДР-).

Интенсивность выпадения избыточных фаз определяется не только степенью пересыщенности твёрдого раствора, но и скоростью диффузии легирующих элементов, формирующих будущую избыточную фазу. Определяющее же влияние оказывает на процессы выделения избыточных фаз фактор времени.

6. С учётом изложенной структурно-кинетической концепции изотермическому распаду переохлаждённого пересыщенного аустенита в обычной (например, эвтектоидной) стали должны предшествовать ранние стадии структурных превращений, т. е. наличие инкубационного периода распада является неизбежным. Обобщение и анализ имеющихся данных о распаде переохлаждённого аустенита указывает на первичность выделения углерода в виде карбида БезС в эвтектоидной стали. В сталях же с меньшим содержанием углерода (доэвтектоидные стали) превращению аустенита в феррит также предшествует миграция углерода. Неизбежность расслоения по углероду переохлаждённого аустенита приводит к появлению мест, обогащённых им, а, следовательно, и обеднённых. Обогащение по углероду первично и обусловлено неизбежностью формирования карбида БезС.

7. Показано, что и при полиморфном превращении неизбежно протекание ранних стадий распада по описанным выше законам. При этом ранние стадии распада (например, эвтектоидный распад углеродистой стали) протекают не только при формировании в аустените карбида Без С, но и при последующем полиморфном превращении у.

8.Установлено, что принципы легирования определяют температурно-временные условия поздних стадий распада, т. е. стадий обособления и коагуляции вторичных фаз. Ранние же стадии распада в меньшей степени подчиняются установленным ранее законам. Может и поэтому при начальном развитии процесса распада не наблюдается изменения механических свойств. Но протекание ранних стадий распада хорошо улавливаются физическими методами исследования. При этом обнаруживаются «аномальные» явления, которыми сопровождается протекание ранних стадий распада твёрдых растворов, такие как, повышение удельного электросопротивления, сокращение объёма образцов, увеличение внутреннего трения, тепловые эффекты и др.

9. Показано, что метод измерения удельного электросопротивления сплавов является «тонким» средством изучения распада пересыщенных твёрдых растворов, особенно в инкубационном периоде распада.

Обнаруженное «аномальное» увеличение удельного электросопротивления на начальных стадиях старения в ряде дисперсионно-твердеющих аустенитных и мартенситно-стареющих сталях и сплавах связывается с образованием скоплений растворённых атомов, имеющих размеры, соизмеримые с длиной волны электронов проводимости и потому вызывающих их сильное рассеяние.

Ю.Установлено, что ранние стадии распада твёрдых растворов и протекание их во времени отчётливо фиксируется при изучении процессов ползучести. При определённых температурно-временных и напряжённых условиях наблюдается не удлинение, а сокращение длины образцов, т. е. имеет место отрицательная ползучесть. Условия, при которых имеет место отрицательная ползучесть, зависят от легированности твёрдого раствора, а также типа его кристаллической решётки.

Показано, что этот эффект наиболее сильно проявляется в аустенитных дисперсионно-твердеющих сталях и сплавах, а также других, значительно пересыщенных металлических материалах, например, в р-сплавах титана.

Следует отметить, что явление отрицательной ползучести обусловлено развитием и протеканием ранних стадий распада пересыщенных твёрдых растворов и вырождается при значительном повышении температуры или нагрузки ввиду преобладающего влияния удлинения образцов собственно от ползучести над сокращением размеров образцов, обусловленного протеканием ранних стадий распада.

11. Ещё раз показано, что упрочнение и охрупчивание пересыщенных твёрдых растворов при тепловом воздействии происходит задолго до обособления и коагуляции избыточных фаз. Ранние стадии распада пересыщенных твёрдых растворов оказывают существенное влияние на механические свойства сталей и сплавов (твёрдость, прочность, ударную вязкость и т. д.) при тех или иных температурно-временных условиях. Особенно сильно это влияние проявляется при тепловом воздействии в аустенитных дисперсионно-твердеющих, мартенситно-стареющих и других сталях и сплавах, а также в |3- сплавах титана, т. е. в тех сталях и сплавах, в которых процессы предвыделения достаточно сильно развиты. При этом изменение механических свойств определяется структурными превращениями на ранних стадиях формирования избыточной фазы или на стадиях подготовки к.

128 полиморфному превращению, протекающими в инкубационном, латентном периоде распада твёрдого раствора.

12. Представленная структурно-кинетическая концепция даёт возможность утверждать, что изменение служебных свойств конструкционных материалов определяется не только характером взаимодействия дислокаций и других несовершенств кристаллического строения, плотностью и равномерностью их распределения, изменяющихся в процессе эксплуатации конструкции при определённых температурно-временных условиях, но и структурными превращениями, также изменяющимися во времени в зависимости от условий эксплуатации. При этом нужно учитывать взаимодействие несовершенств кристаллического строения и структурных превращений на различных этапах распада твёрдых растворов. Особенно важна величина и интенсивность распределения структурных напряжений, возникающих в инкубационном периоде распада.

13.Следует полагать, что такие явления, как К-состояние в нимониках и других высоконикелевых дисперсионно-твердеющих сплавах, расслоение твёрдого раствора по хрому в ферритных нержавеющих сталях, появление аз-фазы ври (а+Р)-сплавах титана и другие эффекты с позиций предложенной структурно-кинетической концепции представляются как стадии предвыделения фаз из пересыщенных твёрдых растворов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ и обобщение изложенных факторов убедительно показывает важность теоретических исследований физических явлений, происходящих при распаде пересыщенных твёрдых растворов, для оценки работоспособности и надёжности металла в конструкции при определённых специфических условиях эксплуатации. При этом предварительное знание указанных процессов значительно облегчает прогнозирование поведения материала в конструкции, а также обеспечивает правильную эксплуатацию конструкции и предупреждает преждевременные разрушения. Ещё раз можно отметить справедливое мнение П. Л. Капицы о преимуществе теоретических знаний при проектировании и создании изделий.

Изложенные положения не претендуют на полный охват всех особенностей структурных превращений, их влияния на прочностные и пластические свойства и, в итоге, на работоспособность материалов. Однако, они позволяют определить направления и подходы, позволяющие уменьшить количество преждевременных разрушений изделий, а также дать практические рекомендации по оценке работоспособности конструкционных материалов в процессе длительной эксплуатации при определённых температурно-временных условиях.