<<
>>

1.1 Модели старения трубных сталей

  Деформационное старение - это процесс изменения свойств металла, происходящий во времени после холодной или «теплой» пластической деформации. Наиболее важными следствиями деформационного старения стали являются эффекты упрочнения и охрупчивания.
Если указанные эффекты наблюдаются в основном при выдержке после деформации, то такое старение называют статическим, а если в течение самой деформации, то динамическим.

Теория деформационного старения в общем виде исходит из двух основных положений, многократно подтвержденных практикой.

в металл деформацией введено определенное количество «свежих» дислокаций.

концентрация примесных атомов, которые могут эффективно взаимодействовать с этими дислокациями, превышает 10 4% (по массе).

Следовательно, в основе механизма процесса деформационного старения должен лежать механизм взаимодействия примесных атомов с дислокациями, которые введены деформацией. Формальным итогом этого взаимодействия является изменение расположения примесных атомов в объеме металла после деформационного старения по сравнению с тем расположением их, которое существовало сразу после деформации. После деформационного старения распределение примесных атомов в основном следует распределению дислокаций, дислокационной структуре, созданной деформацией.

(1.1)

AFn=AEH-TASH,

где AFH — повышение свободной энергии при наклепе;

Так как процесс деформационного старения является самопроизвольным, то он должен сопровождаться уменьшением свободной энергии. При деформации (наклепе) свободная энергия металла повышается в основном за счет повышения внутренней энергии.

АЕН - повышение внутренней энергии;

ASH - общее изменение энтропии при наклепе.

Последнее представляет собой сумму изменения конфигурационной и вибрационной энтропии (ASK0H+ASBn6p).

Так как пластическая деформация вызывает увеличение беспорядка в деформированном металле, то энтропия при этом увеличивается.

Если AFH в уравнении оказывается положительной величиной, то это означает, что влияние введенных деформацией дислокаций на энтропию по сравнению с влиянием этих дислокаций на внутреннюю энергию невелико. Следовательно, дислокационная              структура,              определяющая

взаимоблокирование дислокаций, должна влиять на степень уменьшения вибрационной энтропии при старении.

Уменьшение внутренней энергии при деформационном старении определяется уменьшением энергии искажений решетки матрицы при переходе растворенных атомов в район дислокации, а также уменьшением при этом энергии самой дислокации. Выигрыш в энергии в данном случае, конечно, не сравним с повышением энергии при наклепе или с соответствующим уменьшением энергии при рекристаллизации деформированного металла. Поэтому, рассматривая термодинамику деформационного старения, нельзя пренебрегать энтропийным членом в уравнении (1.1), особенно при повышенных температурах старения. В определенных условиях изменение конфигурационной и, особенно, вибрационной энтропии при деформационном старении могут весьма заметно влиять на распределение примесных атомов как вдоль дислокационной линии, так и относительно ядра дислокации [13, 96, 98]. Влияние энтропийного члена на указанное распределение будет тем больше, чем меньше энергия взаимодействия примесных атомов с дислокацией.

Особенности изменения внутренней энергии в энтропии при деформационном старении имеют не только теоретическое, но и важное практическое значение, так как распределение примесных атомов у дислокации оказывает преимущественное влияние на изменение свойств в процессе старения.

Уменьшение энергии искажений кристаллической решетки при собирании примесных атомов у дислокаций не сопровождается образованием новых поверхностей раздела. В связи с этим при деформационном старении (во всяком случае, при первых его стадиях), нет необходимости вводить представление о зародыше критического размера, как, например, при закалочном старении.

Поэтому изменение свободной энергии при образовании сегрегаций на дислокациях, заметно отличается от соответствующего изменения свободной энергии при гомогенном образовании зародышей выделения избыточной с отличной от матрицы решеткой[99].

В работе [6] при рассмотрении механизма деформационного старения стали, как механизма взаимодействия примесных атомов внедрения со свободными дислокациями, делаются следующие допущения:

необходимое количество примесных атомов находится сразу после деформации непосредственно в нормальных позициях внедрения;

необходимое количество примесных атомов не испытывает какого- либо заметного взаимодействия с другими (кроме дислокаций) дефектами строения кристаллической решетки, а также с поверхностями раздела;

дислокации, введенные деформацией, распределены в объеме металла равномерно, и их можно рассматривать, как «изоляционные», т.е. отсутствует заметное взаимодействие дислокаций;

температура, при которой анализируется указанное взаимодействие, дает меньшую энергию тепловых колебаний, чем энергия взаимодействия растворенного атома примеси с дислокацией.

При этом растворенные атомы и дислокации могут испытывать различные типы взаимодействия: упругое, электрическое, химическое, геометрическое. Для нашего рассмотрения наиболее важным является первый тип взаимодействия, который сильнее остальных.

Механизм упругого взаимодействия описывается следующим образом. Если атом примеси растворяется в бездефектной кристаллической решетке, в которой отсутствуют подходящее по размерам и форме «место» для этого атома, то решетка деформируется. Обозначим работу, необходимую для указанной деформации, через Wo. При размещении атомов примеси в районе дислокаций необходимо совершить работу Wi, причем Wi Тогда Wo - Wi даст энергию упругого взаимодействия V растворенного атома в поле напряжения дислокаций. Вполне очевидно, что V будет тем больше, чем больше Wo и меньше Wb Увеличение Wo следует ожидать при переходе от растворов замещения к растворам внедрения, особенно на основе металлов с о.ц.к.

решеткой. При этом должна также уменьшаться работа Wi. Wo должна также зависеть от величины сил Пайерлса-Набарро. У переходных металлов по этой причине Wo будет более высокой.

Так как процесс деформационного старения является самопроизвольным, то он должен сопровождаться уменьшением свободной энергии. При деформации свободная энергия металла повышается, в основном, за счет увеличения внутренней энергии. Уменьшение внутренней энергии при деформационном старении определяется уменьшением энергии искажений решетки матрицы при переходе растворенных атомов в район дислокации. Распределение примесных атомов у дислокации оказывает преимущественное влияние на изменение свойств в процессе старения стали.

Таким образом, энергия упругого взаимодействия примесных атомов внедрения с дислокациями в а-железо должна быть достаточно большой.

1.2 Основные факторы, влияющие на кинетику процесса старения

Известно, что уровень прочности данного металла тем выше, чем больше дислокаций, порожденных при деформировании, задерживается в материале и чем прочнее их блокировка. Существуют следующие способы задержки дислокаций: создание внутренних дислокационных барьеров (границы зерен и субзерен, двойники, границы раздела фаз, лес дислокаций, мелкодисперсные выделения) и блокировка дислокаций; создание внешних дислокационных барьеров (упрочненные поверхности и слои, покрытия и т.п.); повышение сил трения решетки (легирование) [40].

Изменение механических свойств является главным практически важным результатом деформационного старения. В преобладающем числе работ исследования изменения механических характеристик при деформационном старении проводят по результатам испытаний на статическое растяжение (с записью технической и полученной истинной диаграмм растяжения). Это позволяет оценить изменение таких механических характеристик как предел упругости (о"у), физический предел текучести (оЪд), предел прочности (сгв), коэффициент упрочнения и скорость деформационного упрочнения (dff/de).

На рисунке 1.1 показана схема изменения показателей старения и кинетика изменения механических свойств при деформационном старении СтЗ.

Рисунок 1.1 - а) - Схема изменения показателей старения при низкотемпературном деформационном старении; б) - кинетика изменения механических свойств при статическом растяжении в процессе естественного деформационного старения нормализованной СтЗ.

Анализ данных рисунка 1.1 показывает, что в процессе деформационного старения в первую очередь наблюдается рост площадки текучести (1ПТ.), значений пределов упругости и текучести.

Показательно, что 1ПТ. изменяется почти одновременно с а0,2, оу, но значительно раньше достигает предельных значений, не изменяясь в процессе дальнейшего старения. В то же время остальные характеристики, как правило, начинают повышаться после того, как 1 п.т достигнет предельных значений. Неодновременность изменения указанных свойств позволяет связать их с определенной степенью блокировки дислокаций (определенной стадией деформационного старения). Если изменение 1П.Т., а0д, су, может быть связано с дополнительным напряжением, возникающим при «отрыве» дислокаций от блокирующих примесных атомов, то изменение свойств выше площадки текучести требует более сильной блокировки, а именно такой, при которой значительная часть дислокаций, введенных деформацией, вообще не разблокируется при последующем нагружении. Именно эти «неподвижные» дислокации и объясняют рост ае, п, сгЬ-

Увеличение do/dG вполне согласуется с уменьшением числа дислокаций, принимающих участие в деформации, если значительная часть дислокаций, введенных деформацией, оказывается «неподвижной» вследствие сильной блокировки при старении.

Исследование [6, 7, 82, 108] параметров текучести показало, что начальное повышение а0)2 связано с соответствующим ростом Кс1~1П в уравнении Холла-Петча (формула 1.2), который достигает практически предельных значений при завершении увеличения 1 п.т.

*0a=ao+Kd-"\              (1.2)

где 0о,2 " нижний предел текучести;

а0 - напряжение для поддержания скольжения в действующих плоскостях скольжения внутри зерен (структурных областей), между которыми существует эстафетная передача скольжения;

Kd~1/2 - напряжение для эстафетной передачи скольжения между зернами (структурными областями) размером d.

При этом параметр а0 не изменяется. При неизменном d параметр Kd~1'2 имеет практически одинаковое значение для широкого класса сталей и обработок [82]. Так как параметр Kd~112 связан с напряжением эстафетой передачи скольжения от зерна к зерну, то рассмотренное выше означает, что в начальных стадиях деформационного старения более интенсивно блокируются дислокации у границ зерен.

Как показали исследования [35, 36, 107] плотность дислокаций у границ зерен слабо деформированной стали заметно выше. Поэтому именно эти дислокации, очевидно, и поглощают в первую очередь «запасы» С +N. С этим положением согласуется более высокая микротвердость граничных зон ферритных зерен после естественного и искусственного деформационного старения, а также то обстоятельство, что повышение микротвердости центральных зон зерна при искусственном старении (следующим за

естественным старением в течение 2 месяцев) более интенсивно, чем изменение микротвердости граничных зон при аналогичной обработке [5].

Значения Kd~V2 стабилизируются тогда, когда блокированность приграничных скоплений дислокаций (с учетом их взаимодействия) возрастает настолько, что напряжение их разблокировки становится большим, чем напряжение генерации новых дислокаций на старых (или новых) границах раздела. В этом случае дальнейшее старение не влияет на напряжение генерации новых дислокаций. В данном случае генерация новых дислокаций возможна на старых поверхностях раздела (прежде всего, болыпеугловых границах зерен), так как в процессе старения происходит «отсос» C+N от них к приграничным скоплениям дислокаций до установления равновесия между сегрегациями на границах и у дислокаций. Тогда состояние границ зерен (и напряжение генерации) не будет заметно изменяться в процессе дальнейшего старения. Генерация дислокаций может происходить и на новых, образованных при деформации, поверхностях раздела типа дислокационных малоугловых границ. Тогда в течение первой стадии старения будет происходить их насыщение C+N. Преимущественная миграция C+N в первой стадии старения к таким границам подтверждается данными работы [103]. Неизменность напряжения генерации в процессе дальнейшего старения объясняется тем, что плотность мест закрепления дислокационных границ и их распределение формируются в основном в течение первой стадии старения, а в дальнейшем изменяется только плотность сегрегаций в местах закрепления (напряжение генерации дислокационного источника зависит в основном от расстояния между точками закрепления). Неизменность <т0 в течение первой стадии предполагает сравнительно слабую блокировку дислокаций в теле зерна. Одной из причин этого может быть небольшая плотность и, следовательно, небольшое взаимодействие дислокаций, приводящее к получению сравнительно больших расстояний между узлами дислокационной сетки. С учетом неравномерного распределения точек закрепления вдоль

дислокационной линии, для разблокирования дислокаций в теле зерна повышенного напряжения разблокировки дислокаций у границ зерен оказывается достаточным.

Таким образом, изменение механических свойств на первой стадии старения объяснимо с учетом неоднородного блокирования дислокаций вследствие их топографии, различной плотности и взаимодействия и предполагает наличие процесса разблокировки дислокаций от примесных атомов.

Дальнейшее увеличение 0"о,2 (если оно происходит после стабилизации 1П Т.) определяется уже ростом сг0 и должно зависеть от условий старения, так как рост Оо ограничивается, по всей вероятности, только процессом перестаривания. Увеличение а0 не обязательно связано с отсутствием разблокировки дислокаций в теле зерна. Если новые дислокации генерируются на «старых» границах, то свой вклад в повышение а0 дадут сильно блокированные приграничные дислокации и повышенное напряжение разблокировки дислокаций в теле зерна. Только увеличение таких характеристик, как n, dff/d6, а?, говорит о росте а0 в связи с отсутствием разблокировки значительной части дислокаций, введенных деформацией [48, 81,82].

Количественный эффект упрочнения при деформационном старении определяется в первом приближении соотношением между плотностью дислокаций, введенных данной деформацией, и концентрацией примесных атомов внедрения, способных взаимодействовать с дислокациями, блокируя их. В качестве атомов внедрения в сталях выступают атомы марганца, кремния, серы, фосфора, азота. Их содержание колеблется в пределах 0,006- 1,2%.

Исследования показали, что прирост плотности дислокаций при деформационном старении тем больше, чем меньше размер зерна. Изменение плотности дислокаций может быть оценено по приросту коэрцитивной силы.

Исходная концентрация примесных атомов в твердом растворе определяется по высоте пика Снука над фоном внутреннего трения [53, 94].

В процессе деформационного старения также наблюдается уменьшение общего относительного удлинения (8), равномерного удлинения (5Р), относительного сужения (\р), работы разрушения — площади под кривой растяжения (А). Однако для 8, \р, А, как характеристик, связанных с процессом разрушения, указанная связь является более сложной, ибо процесс образования и роста трещин является более локальным, чем процесс упрочнения, и поэтому изменение 8, А более сильно зависит как от распределения дислокаций, так и от общего структурного фона. Следует также учитывать, что величины 8, А имеют, как известно, температурную зависимость с переходным интервалом от вязкого разрушения к хрупкому. Увеличение склонности стали к хрупкому разрушению представляет основную опасность деформационного старения.

Эффект охрупчивания при деформационном старении связан с

N

блокированием дислокаций примесными атомами, что увеличивает вероятность возникновения и развития хрупких трещин, так как уменьшается возможность релаксации упругих напряжений за счет пластической деформации. Вакансии, которые всегда имеются в металле и которые генерируются при деформации, взаимодействуют как с дислокациями, так и с примесными атомами. С ростом деформации вакансии увеличиваются по следующему эмпирическому закону [94]:

С «10"4е,              (1.3)

где б - степень деформации.

Итак, изменения механических свойств на первой стадии старения объяснимо с учетом неоднородного блокирования дислокаций вследствие их топографии, различной плотности и взаимодействия и предполагает наличие процесса разблокирования дислокаций от примесных атомов.

Дальнейшее увеличение ат (если оно происходит после стабилизации 1П.Х.) определяется уже ростом о0 и должно сильно зависеть от условий старения, так как рост о0 ограничивается, по всей вероятности, только процессом перестаривания.

Таким образом, блокирование дислокаций в процессе старения создает условия для практически одновременной работы большинства дислокационных источников, создавая, следовательно, такой высокий потенциальный барьер для их работы, что влияние концентраторов напряжений, неоднородности микронапряжений, фактора ориентации оказывается превзойденным. Количественная оценка 1пт. показывает, что она значительно сильнее зависит от структуры и химического состава в исходном состоянии, чем в деформационно состаренном. Эти наблюдения говорят о том, что хотя плотность и распределение дислокаций зависят от исходной структуры и легирования стали, величина 1п.т. после деформационного старения более сильно связанна с определенной стадией блокирования дислокаций примесными атомами. Следовательно, в описанных условиях изменения 1п.т. действительно может быть универсальным индексом первой стадии деформационного старения.

Существует некая тенденция к увеличению 1пт в состаренном СОСТОЯНИИ С ростом 1п.т. в исходном, что говорит о некоем влиянии структурного фона и после старения. Однако при сравнительно больших исходных значениях 1ПТ. наблюдаются либо примерно такие же, либо меньшие значения 1пт. после старения. Особенно заметно уменьшается 1пт. после старения по сравнению с исходным значением ее, когда используется сталь с малой чувствительностью к старению.

Так как блокирование дислокаций примесными атомами в деформационно состаренной стали, по всей вероятности, меньше, чем, например, в отожженном, то возрастание или неизменность 1П.Т. после старения будут связаны уже с тем, что в деформационно состаренной стали роль микроструктуры в значительной мере заменена ролью дислокационной

структуры и взаимодействием дислокаций. Можно полагать, что во всех случаях дислокационная субструктура более дисперстна, чем исходная микроструктура, что будет способствовать увеличению 1п.т. даже при меньшей блокированности дислокаций примесными атомами, чем в исходном состоянии.

Давно было замечено, что если направления предварительной и окончательной деформации не совпадают, то кинетика изменения упрочнения при старении отличается от рассмотренной в работах [14,101]. Наиболее подробно это явление, получившее название анизотропии упрочнения при деформационном старении, изучено для свойств при статическом растяжение (особенно для 1п.т и о*т после предварительной деформации растяжением в поперечном направлении) сжатии, кручении, волочении, прокатке, изгибе и т.п. Интересные возможности для изучения эффекта анизотропии упрочнения открывает исследование кинетики изменения свойств при кручении, когда предварительная деформация осуществляется также кручением, но в обратном направлении. Анизотропия упрочнения при деформационном старении кроме теоретического, имеет важное практическое значение.

На изменение свойств, определяемых при больших степенях деформации, эффект анизотропии оказывает незначительное влияние. В следствии этого, если направление предварительной или окончательной деформации не совпадают, при старении сначала начинают увеличиваться стЕ и сгв, а затем 1пт. и ат. Таким образом, изменяется чувствительность различных свойств к деформационному старению. Коэффициент и скорость деформационного упрочнения более высокие при несовпадении направлений предварительной и окончательной деформации.

Однако, исследования показывают, что не эти факторы определяют рост 1п т. и <тт, а по-прежнему сегрегация примесных атомов на дислокациях [6]. Для роста 1п.т. и ах при деформации в одном направлении требуется меньшая сегрегация вследствие дополнительной блокировки дислокаций в

приграничных зонах и у других стопоров, благодаря взаимодействию дислокаций. При деформации в различных направлениях «обратные напряжения», действующие на дислокационный источник, могут, напротив, облегчить раскрепление дислокаций и уменьшить напряжение работы дислокационных источников.

Таким образом, непосредственные наблюдения в определенной степени подтверждают наличие выделений на дислокациях при длительном деформационном старении стали. Однако, кинетика структурных изменений на различных этапах деформационного старения остается по существу неисследованной (особенно для практически важного случая медленного охлаждения стали) и поэтому многие детали этих изменений дискуссионны.

Несмотря на то, что температура деформационного старения обычно ниже температуры рекристаллизации, продолжительная выдержка деформированной стали при комнатной или повышенной температурах, как правило, может привести к другим структурным изменениям - типа отдыха или возврата.

Последнее может проявляться в релаксации или перераспределении внутренних напряжений и определенном перераспределении дислокаций. Если старение происходит в нагруженном состоянии (после предварительного деформирования), то перераспределение дислокаций может происходить под действием обратных, действующих на дислокационный источник, напряжений и ускоряться при повышенной концентрации вакансий, облегчающих процесс поперечного скольжения. Сегрегации примесных атомов у дислокаций и взаимодействие первых с вакансиями должны затруднять подобное перераспределение и тем интенсивнее, чем выше эффективная концентрация С и N. Поэтому возврат более вероятен в слабо стареющих сталях. Следует учитывать также влияние дислокационной структуры, получаемой при предварительном нагружении. В случае сильного взаимодействия дислокаций процесс их перераспределения при возврате должен быть затруднен. К сожалению,

экспериментальных данных, касающихся изучения таких структурных изменений, недостаточно. Имеющиеся в литературе данные и собственные наблюдения приводят к заключению, что старение, в том числе и искусственное, до 400°С существенно не изменяет общей картины распределения дислокаций. Но такой вывод не может быть окончательным, так как нет данных тщательного исследования одного и того же места фольги до и после старения, а также нет и статистически сравнимой картины распределения дислокаций после указанных обработок.

Таким образом, согласно большинству литературных источников процесс деформационного старения малоуглеродистых и низколегированных трубопроводных сталей включает в себя все основные механизмы: накопление необратимых микроскопических деформаций (движение дислокаций), перераспределение атомов углерода, азота и др., взаимодействие примесных атомов с дислокациями, распад цементита и образование новых карбидных частиц, образование микротрещин при накоплении одноименных дислокаций у различных препятствий.

г

В результате деформационного старения происходит изменение структуры и свойств сталей и их сварных соединений, выражающееся в некотором повышении прочностных характеристик, незначительном снижении пластических и вязких свойств металла и повышении его склонности к хрупкому разрушению.

<< | >>
Источник: ИЛЮХИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И СКЛОННОСТЬ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва-2009. 2009

Еще по теме 1.1 Модели старения трубных сталей:

  1. Глава 2 Анализ склонности к деформационному старению трубных сталей различной категории прочности
  2. Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей
  3. Глава 3 Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей различной категории прочности и их сварных соединений
  4. 1.3 Влияние старения на эксплуатационные свойства трубных сталей (прочностные свойства, трещиностойкость, сопротивление хрупкому разрушению, коррозионная стойкость, водородное охрупчивание)
  5. ИЛЮХИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И СКЛОННОСТЬ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва-2009, 2009
  6. 2.4 Влияние деформационного старения на изменение тонкой структуры сталей.
  7. 2.1 Характеристика исследуемых сталей
  8. Старение и смерть
  9. Глобальное старение и миграция
  10. Эффекты физического старения
  11. Влияние эффектов старения на адгезионную прочность
  12. 3.2 Результаты оценки влияния деформационного старения на коррозионную стойкость стали с различной структурой
  13. Существует тесная связь между работой, стрессом и старением.
  14. 14.3. Понятие «МОДЕЛЬ» 14.3.1. Общее представление о модели
  15. Модернизация модели дистанционной и методической поддержки ФЭП на основе использования новых информационных технологий (распределенная модель ФЭП) А.И. АДАМСКИЙ, В.Г. АНАНИН
  16. 12.1. Теории и модели памяти в когнитивной психологии 12.1.1. Модели организации процессов памяти в когнитивной психологии