Фурное 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 — наноразмерньш, и разворачиванием на этом уровне исследовательской и технологической приборной базы (в частности, массовый выпуск относительно недорогих силовых, туннельных и сканирующих электронных микроскопов);
2) успешные попытки 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. Для реализации нового подхода была сформирована база экспериментальных данных с использованием новейшего исследовательского оборудования, в частности, атомно-силового микроскопа Solver HV компании NT-MDT, электронного микроскопа Quanta 200 компании FEI, рентгеновского энергодисперсионного микроанализатора ED АХ.
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 массивных образцах компактного металла не поддаются прямому инструментальному исследованию в силу их скоротечности. Изучение же результатов этих процессов в виде особой морфологии таких структур как фрагментированные, ультрадисперсиые, нанокристаллические, «белый слой» и др. дают основания говорить о нетривиальных механизмах превращений, протекающих в металле при поверхностной обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ). В частности, структурные и морфологические особенности Ре-С-сплавов после лазерной обработки, наблюдавшиеся нами экспериментально [1−3], требуют новых теоретических подходов к их объяснению. Попытки таких подходов делались разными исследователями, однако, успехи в этом направлении носят эпизодический характер [4−8], что, по-видимому, характеризует стадию накопления теоретического и эмпирического материала. Среди существующих 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.
На защиту выносится научно-обоснованное техническое и методологическое решение проблемы управления неравновесным структурообразованием в стали при импульсном термосиловом воздействии, внедрение которого вносит значительный вклад в совершенствование существующих упрочняющих технологий и стимулирует разработку новых технологий поверхностной обработки с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) и заключающееся:
1) в комплексном теоретическом и металлофизическом исследовании фундаментальных закономерностей влияния существенно неравновесных вакансионно-дислокационных взаимодействий (ВДВ) на процесс структурной эволюции железо-углеродистых сплавов при их обработке КПЭ;
2) в разработке физических основ процессов формирования различных типов структуры стали в поверхностном слое, обладающих уникальным сочетанием свойств за счет специфической организации субструктуры;
3) в разработке и компьютерной реализации математической модели неравновесных металлофизических, тепловых и деформационных процессов в стали при импульсном термосиловом воздействии;
4) в разработке на этой основе технологических принципов оптимизации упрочнения деталей машин и инструмента.
Результаты аналитических и экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе:
1) раскрывают физическую природу и механизмы существенно неравновесного взаимодействия дефектов кристаллического строения сплава;
2) дают параметрическое математическое описание неравновесных условий существования дефектной среды металлического сплава;
3) устанавливают особенности поведения точечных, трансляционных и ротационных дефектов в условиях, которые обеспечивают протекание фазового превращения (например, мартенситного) по механизму, отличающемуся от классическогопо результатам этих исследований:
4) построены карты механизмов существенно неравновесных превращений в стали;
5) разработан программный продукт для описания поведения элементов дефектной структуры металла на стадии, предшествующей фазовому переходу в существенно неравновесных условиях внешнего воздействия;
6) продемонстрированы возможности разработанной компьютерной модели по прогнозированию тонкого строения и структуры сталей различного состава в процессе обработки КПЭ, и по применению компьютерного моделирования для описания поведения таких структур в условиях износа.
Работа выполнена на кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета.
Основные научные положения работы неоднократно представлялись на международных, всесоюзных, общероссийских, зональных и региональных конференциях и семинарах [9−15,17,24,79,125,164,214−249].
Часть экспериментальных и теоретических результатов диссертации была получена автором при финансовой поддержке из средств федерального бюджета по научно-исследовательским программам и грантам как фундаментального, так и прикладного характера:
— фундаментальных и поисковых работ, финансирование которых осуществлялось Министерством общего и профессионального образования РФ по единому заказ-наряду ДГТУ (1994;2007гг.), в том числе в качестве руководителя работ по программам: шифр 1.014.02Д (2002 г.), гос. per. № 1 200 214 179 (2003;04 гг.), гос. per. № 1 200 502 879 (2005 г.), гос. per. № 1 200 604 244 (2006;07 гг.);
— тематического плана научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию РФ (2005;2007гг.);
— гранта Минобразования РФ по направлению «Технологические проблемы производства авиакосмической техники» (1999;2000гг.);
— грантов Минобразования РФ №-Т00−06.2−1055 (2001;2002гг.) и №-Т02−06.2−862 (2003;2004гг.).
— гранта № 04−03−96 806 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 2006;2007гг. (Гос. контракт № 02.445.11.7449 от 9.06.2006г.).
Разработанные технологические процессы упрочняющей обработки деталей машиностроения и инструментального производства с использованием результатов диссертационной работы апробированы и внедрены со значительным экономическим эффектом на предприятиях металлургического, машиностроительного и оборонного комплексов России: ГПЭ-23 (г. Вологда, 1978;1980 г. г.), ПО «Ростсельмаш» (г. Ростов-на-Дону, 1981 г.), завод.
Пирометр" (г. Ленинград, 1983;1986 г. г.), Азовский завод пластмасс (г. Азов, 1996 г.), НИИ «Градиент» (г. Ростов-на-Дону, 1996 г.), АОМЗ (г. Азов, 1998 г.), ОАО «Калужский турбинный завод» (г. Калуга, 2004;2006 г.), Ассоциация «Высокие технологии» (отраслевое внедрение, 2006;2007 г.), ОАО «Тагмет» (г. Таганрог, 2007 г.), Ассоциация «Станкоинструмент» (отраслевое внедрение, 2006;2008 г.).
По теме диссертации опубликована 131 научная работа. Из них в реферируемых центральных изданиях, соответствующих перечню ВАК для докторских диссертаций, — 24 публикации, а также две монографии:
Феноменология мартенситного превращения и структуры стали (в соавторстве с Кудряковым О.В.- Ростов-на-Дону, 2004 г. [2]);
Динамика неравновесных субструктурных процессов в металлах (Ростов-на-Дону, 2007 г. [22]).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
Основная идея выполненной диссертационной работы заключалась в исследовании прикладного аспекта использования методологии динамического анализа для прогнозирования структурных состояний металлических сплавов при их импульсной поверхностной обработке с использованием концентрированных потоков энергии. Главные результаты, полученные по реализации этой идеи направлены на то, чтобы наполнить физическим смыслом и саму методологию и те понятия и результаты, которые её- сопровождают. Неравновесность, самоорганизация, фрактальность, аттракторы, диссипативность — терминология, привычная для математика, не всегда имеет адекватное выражение в технических науках и часто остается лишь модной абстракцией. Если в материаловедении при изучении относительно медленного (квазиравновесного) формирования структуры сплавов без этого можно было о обойтись, то процессы структурообразования с масштабами порядка 10 си 10−6м уже требуют привлечения более изобретательного исследовательского аппарата из других наук. Система «черного ящика», когда известны только входные параметры и конечные результаты, которая повсеместно царит в традиционном материаловедении при изучении существенно неравновесного структурообразования, малоэффективна, поскольку не позволяет вмешиваться в процесс и управлять им. Поэтому в работе сделана попытка соединения традиционных методов исследования структуры металлических сплавов с математическим аппаратом динамического анализа и возможностями компьютерного моделирования для исследования явлений структурной самоорганизации стали в гипернеравновесных условиях обработки.
В качестве ядра исследуемой динамической системы неравновесного структурообразования рассматриваются вакансионно-дислокационные взаимодействия, роль которых в существенно неравновесных фазовых переходах и структурных превращениях подробно исследована автором в предшествующих опубликованных работах.
Для целей прогнозирования субструктурной эволюции металлического сплава специально создана оригинальная компьютерная программа «ВупЗуэ». С ее помощью проведено моделирование и количественный анализ структурообразования в некоторых конструкционных и инструментальных сталях при лазерной, детонационной, индукционной и других видах упрочняющей обработки. На этой основе определены области применимости разработанной прогностической модели. Динамический анализ и моделирование проведены на базе широкого комплекса экспериментальных микроструктурных исследований.
Полученные в рамках динамического анализа результаты, как показано в работе, имеют корреляции с реальным структурообразованием. Это свидетельствует о жизнеспособности предлагаемого аналитического подхода и его перспективности. Вместе с тем он требует совершенствования в описании динамики структурообразующих элементов сплава и расширения динамической системы структурообразования путем учета всего многообразия факторов, которые влияют на фазовые и структурные превращения в сплавах: динамики междислокационных взаимодействий, легирования, рекристаллизационных явлений и т. д.
Важнейшей чертой предлагаемой динамической модели структурообразования является её- универсальность. Так, например, физическая природа механизма неравновесных ВДВ, который лежит в её- основе, позволяет расширить математическую модель без изменения самого физического механизма. То есть расширение модели и введение в нее, например, дополнительных параметров или компонент представляется как не слишком сложная техническая операция прикладного (преимущественно математического) характера.
Для того, чтобы избежать излишней громоздкости системы и сложности вычислений целесообразно рассматривать отдельные стадии или доминирующие механизмы структурообразования в виде отдельных взаимовлияющих динамических систем. Каждая из них может анализироваться отдельно, как это сделано в настоящей работе для неравновесных ВДВ.
В более общем плане, ВДВ являются тем звеном и аналитическим примером, которые открывают путь к единой теории гипернеравновесных фазовых превращений, обосновывая их физическую природу и связывая вместе различные метастабильные структурные модификации сплава, полученные при разных типах внешнего воздействия на металл. Благодаря этому грандиозная задача материаловедения — прогнозирование и моделирование структуры и свойств метастабильных сплавов обретает реальные перспективы и в ближайшем будущем может перейти уже на стадию прикладных решений: компьютерных моделей, технологических режимов и т. п. На уровне таких субструктурных процессов, как неравновесные ВДВ, под действием различных управляющих параметров реализуются однотипные неустойчивости и бифуркации динамического процесса неравновесного структурообразования, приводящие к самоорганизации металлического сплава в виде, например, структуры «белого слоя», фрагментированных структур или различных типов мартенсита в стали.
Как представляется автору, разрабатываемое направление имеет хорошие перспективы в тех исследовательских вопросах материаловедения, где прямое наблюдение происходящих процессов невозможно. На данный момент времени существует апробированный инструмент для исследования в виде адаптированной методологии динамического анализа и разработанной программы «ОупЗуз», а главное, есть понимание природы физических процессов, к изучению которых этот инструмент применим.
Итог научных разработок диссертации, соответствующих цели и задачам исследования, можно сформулировать в виде следующих научных результатов и общих выводов (в порядке логики и представления материала в диссертационной работе):
1. На основании комплексных металлофизических исследований показана роль механизма ВДВ в гипернеравновесном структурообразовании и в структурной эволюции стали при импульсном баро-термическом воздействии.
2. На примере импульсной лазерной обработки углеродистых сталей и армко-железа экспериментально показано, что в неравновесных условиях происходит ускорение диффузии углерода в металлическую матрицу за счет потока избыточных вакансий от межфазной границы феррит-цементит.
3. РЭМ-исследованиями деформационных явлений в зоне термического влияния армко-железа установлено, что при импульсном баро-термическом воздействии деформация ферритной матрицы происходит по механизму ЗГП. Об этом свидетельствуют выявленные характерные признаки ЗГП: зернограничные ступеньки, приграничные зоны аккомодации и разворот ферритных зерен.
4. Экпериментально-аналитическим путем найдено, что механизм ЗГП в армко-железе проявляется при сверхскоростном прогреве ферритной матрицы до температур выше 700 °C. При этом ЗГП происходит с активным участием вакансий в зернограничных процессах, а степень деформации по механизму ЗГП не превышает 5−6%.
5. По результатам сканирующей электронной микроскопии проведена аттестация неравновесных структур армко-железа, в формировании каждой из которых при импульсном баро-термическом воздействии доминирующую структурообразующую роль выполняют разные механизмы превращений:
— для фрагментированной структуры — неравновесные ВДВ;
— для игольчатой структуры — сдвиговый механизм классического мартенситного превращения;
— для ультрамелкозернистой структуры — механизм неравновесной жидкофазной кристаллизации.
6. Методом статистического стереологического анализа структуры углеродистой стали в зоне импульсной лазерной обработки выявлено наличие двух четко выраженных размерных групп мартенситных кристаллов — относительно крупных и ультрамелких, что также может рассматриваться как косвенное свидетельство протекания мартенситного превращения по двум различным механизмам — феноменологическому (на базе неравновесных ВДВ) и классическому.
7. Из результатов исследований следует, что углерод препятствует протеканию деформационных процессов в стали по механизму ЗГП, что, в частности, способствует повышению склонности стали к трещинообразованию при импульсном баро-термическом воздействии.
8. Микроструктурными и электронно-оптическими исследованиями углеродистой стали показано, что в областях с мощными температурными градиентами (>10 град/м), например, на границе зоны лазерного пятна, или в областях с большими градиентами напряжений, например, у берегов трещин, диффузия углерода благодаря сопутствующему вакансионному потоку может ускоряться настолько, что за время порядка 10 «.10 с создаются зоны с заметно отличающейся морфологией мартенсита, в частности, «белые зоны».
9. Анализ явлений пластической деформации в зоне лазерного пятна высокоуглеродистой стали, измеренной по сдвиговым смещениям на пересечении трещин с границей лазерного пятна, дает основания считать величину относительной локальной деформации, предшествующей образованию трещин, не превышающей 2,5%.
10. Методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа показано, что легирование стали элементами, сильно понижающими ЭДУ (Сг, Мп, N1, Со), подавляет неравновесные ВДВ и исключает тем самым образование квазидиполей, деформацию по механизму ЗГП или образование «белых зон». При этом накопление избыточных вакансий на высокоугловых границах становится разупрочняющим фактором, а упрочнение в таких сталях происходит с участием других механизмов (например, в исследованной стали XI2М — по дисперсионному механизму — за счет формирования когерентных наноразмерных карбидов в аустенитной матрице).
11. На основе большого массива экспериментальных данных по различным видам импульсной баро-термической обработки стали в диссертации аналитическими методами впервые выполнено параметрическое описание неравновесных условий протекания высокотемпературных фазовых переходов, структурообразования и деформации. Определены значения введенных управляющих параметров к и д, характеризующих степень неравновесности процессов при упрочняющей КПЭ-обработке стали. Регулируя вклады термических и деформационных вакансий в механизме неравновесных ВДВ, управляющие параметры к и # позволили связать условия обработки стали с его реальным структурообразованием через механизм ВДВ и открыли возможность моделирования структурообразующих процессов.
12. При определении значений деформационного управляющего параметра # методами интерференционного и атомно-силового исследования установлено, что в аустенитной стали при импульсной ЛО величина локальной пластической деформации в плоскости скольжения составляет 1,4—3,9%. Это соответствует величине термических напряжений стг, действующих в упрочненном слое при ЛО, в пределах 260−990 МПа.
13. С целью моделирования процессов неравновесного структурообразования в диссертационной работе выполнена адаптация математической методики динамического анализа для решения материаловедческой задачи. Причем, всем математическим понятиям (система отображений, её- компоненты, коэффициенты и параметры, фазовое пространство, диссипативность отображений, сходимость и расходимость траекторий, аттракторы, протяженность итерационного цикла) придан физический смысл в рамках динамики неравновесных ВДВ как одного из структурообразующих механизмов.
14. Для выполнения компьютерного моделирования процессов неравновесного структурообразования разработано зарегистрированное программное обеспечение — программа «ОупЗуэ».
15. Выполненный в работе при помощи программы «ОупЗуБ» количественный динамический анализ неравновесных ВДВ в стали при различных видах импульсного баро-термического воздействия (лазерная и детонационная обработка, обработка ТВЧ с КМП) позволил определить три области фазового пространства с различной динамикой ВДВ — турбулентной, ламинарной и хаотичной (неупорядоченной). Каждая из них возможна при определенном наборе значений управляющих параметров к и д, задающих тип и режим обработки, и определенном наборе значений коэффициентов и компонент системы отображений, задающих исходное состояние материала.
16. Одним из наиболее важных итогов исследования является то, что при помощи динамического анализа удается прогнозировать явления структурной самоорганизации металла при обработке КПЭ. В частности, аттракторная область фазового пространства с турбулентным характером ВДВ при импульсной ЛО соответствует структуре «белого слоя» углеродистых сталей или фрагментированной структуре армко-железа. Таким образом, выявленная итерационным путем динамика ВДВ имеет корреляции с реальным процессом неравновесного структурообразования.
17. В прикладной части исследований экспериментами по лазерному термоциклированию продемонстрировано хорошее соответствие микроструктурных данных результатам компьютерного прогнозирования неравновесного структурообразования для углеродистых сталей и необходимость корректировки и уточнения динамической модели для легированных сталей.
18. В заключительной части работы найдено перспективное направление использования разработанной модели динамического анализа ВДВ для прогнозирования износостойкости стали по структурным разупрочняющим факторам. В частности, показано, что для стали XI2М критерием разупрочнения являются оплавление и вакансионная пористость, которые в рамках модели динамического анализа соответствуют нахождению комплексных границ между областями с турбулентной и хаотичной динамикой ВДВ на фазовом пространстве.
19. Исследования стойкости сталей к динамическому истиранию позволили дифференцировать неравновесные структуры по показателю износостойкости и выявить факторы, обеспечивающие его максимальное значение. Для углеродистой стали это совокупность факторов, объединяющих наследование исходной дефектной структуры, феноменологический механизм фазового перехода у->а, структуру «белых зон», повышение температуры Мн. Этому комплексу отвечает, например, зона импульсной лазерной закалки из аустенитного состояния стали У10, параметры формирования которой достаточно точно определяются с помощью разработанной компьютерной модели.
20. По результатам исследований построены дифференциальные диаграммы (карты) механизмов мартенситного превращения в стали, уточняющие известные диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита в области гиперскоростного охлаждения. Из полученных данных следует, что феноменологический механизм, основной стадией которого являются неравновесные ВДВ, будет все больше доминировать над классическим по мере увеличения содержания углерода в стали, ускорения охлаждения, повышения температуры нагрева и роста дефектности стали.
