Идентификация механизмов и кинетики релаксации напряжений при деформации модельных ТРИП/ТВИП сталей методом кластерного анализа акустической эмиссии

В настоящее время во многих областях промышленности в связи с растущими требованиями к надежности конструкций, в частности, в автомобилестроении, наметилась устойчивая тенденция к внедрению материалов, обладающих высокими показателями, как по прочности, так и по пластичности. Традиционные способы повышения прочностных характеристик изделия: различные способы термообработки или деформационного упрочнения, в том числе методы интенсивной пластической деформации, - в большинстве случаев приводят к снижению пластических свойств материалов и изделий из них. Поэтому конструирование сталей, обладающих одновременно высокими прочностными и пластическими свойствами, относится к важнейшим трендам современной промышленности.

К числу таких материалов относятся стали с, так называемым, ТРИП/ТВИП эффектами, отличающиеся тем, что благоприятный комплекс физико-механических свойств формируется в них непосредственно в ходе деформирования за счет реализации, наряду с дислокационным скольжением, таких процессов, как двойникование, образование дефектов упаковки и деформационного мартенсита. Целенаправленное комбинирование и управление кинетикой указанных процессов позволяет получать на выходе чрезвычайно широкий диапазон физико-механических свойств.

Несмотря на обилие работ, посвященных изучению механизмов деформации, реализующихся в ТРИП/ТВИП сталях, которые были проведены И.Н. Богачевым, М.А. Филипповым, А.П. Гуляевым, И.Я. Георгиевой, В.В. Сагарадзе, А.И. Уваровым, В.Ф. Терентьевым (Россия), Х. Бирман (H. Biermann, Германия), А. Вайднер (A. Weidner, Германия), Д. Раабе (D. Raabe, Германия), Г. Фроммайер (G. Frommeyer, Германия), Ю. Хоубарт (Y. Houbaert, Бельгия), Т. Ивамото (T. Iwamoto, Япония), З.К. Лин (Z.Q. Lin, Китай) и другими авторами, многие аспекты в данной области изучены еще недостаточно хорошо. В частности, нет полного понимания о взаимосвязи различных релаксационных процессов, протекающих при деформации, их кинетике, условиях и механизмах перехода одних в другие. Основные методы, используемые для их анализа – просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия – не могут быть использованы в реальном времени, тем более при различных температурах. Учитывая, что область применения ТРИП/ТВИП сталей с каждым годом расширяется, изучение в них кинетики релаксационных процессов, протекающих при деформации в реальном времени является актуальной для исследования задачей.

Гипотеза. Как уже было сказано, при деформировании ТРИП/ТВИП сталей возможно как раздельно, так и совместно протекание различных процессов, таких как дислокационное скольжение, двойникование, образование дефектов упаковки и мартенситное превращение. При этом в зависимости от химического состава и условий испытаний на разных стадиях деформирования возможны самые разные их сочетания, в том числе переход от доминирования одного процесса к другому. Так как каждое, из указанных явлений, сопровождается акустическим излучением со специфическими энерго-частотными характеристиками, т.е. обладает отличительными особенностями в функции спектральной плотности сигнала акустической эмиссии (АЭ), то появляется возможность с помощью различных математических алгоритмов, лежащих в основе методов распознавания образов и/или кластерного анализа, разделить весь массив фиксируемых сигналов по форме кривой мощности спектральной плотности на отдельные группы, и каждую из них соотнести с доминирующим механизмом релаксации напряжений при деформации. Тем самым, с помощью современного метода АЭ появляется возможность изучать кинетику основных механизмов релаксации напряжений при деформации по отдельности.

ТРИП/ТВИП стали типа 16Cr6MnXNi с разным содержанием Ni (X=3%, 6% и 9%).

Кинетика механизмов релаксации напряжений в сталях с ТРИП/ТВИП эффектами по данным кластерного спектрального анализа потока АЭ, регистрируемого безпороговым способом.

1. Проведен анализ литературных источников, на основании которого разработаны подходы для решения поставленной цели.
   2. Адаптирована методика кластерного анализа для обработки больших массивов АЭ информации, полученных при безпороговом способе регистрации статических и циклических испытаний модельных ТРИП/ТВИП сталей.
2. Проведены статические испытания модельных ТРИП/ТВИП сталей при комнатной температуре и 100°C с широкополосной записью сигналов АЭ и установлена временная зависимость основных механизмов релаксации напряжений.
3. Изучена микроструктура образцов исследуемых материалов на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения с применением технологий EBSD и ECCI, и сопоставлена с результатами кластерного анализа сигналов АЭ.
4. Проведены испытания ТРИП/ТВИП сталей на скорость роста усталостной трещины с широкополосной записью сигналов АЭ и установлена кинетика основных процессов, протекающих при росте усталостной трещины.

• Экспериментально доказано, что при деформировании модельных ТРИП/ТВИП сталей разным релаксационным процессам, протекающим при деформации, соответствуют уникальные характерные для них функции спектральной плотности, что позволяет с помощью методов кластерного анализа их различать, а значит и идентифицировать соответствующие им процессы, доминирующие в данный момент времени, в том числе, исследовать их по отдельности.
• Экспериментально установлена кинетика доминирующих механизмов релаксации напряжений в виде АЭ в метастабильных сталях типа 16Cr6MnXNi с разным содержанием Ni (X=3%, 6% и 9%) при двух температурах испытания (комнатной и 100°C), а именно: для стали с 9% Ni при обеих температурах испытания ведущим механизмом релаксации напряжений является двойникование; для стали с 6% Ni при комнатной температуре ведущим механизмом релаксации напряжений является мартенситное превращение, а при 100°C – двойникование; для стали с 3% Ni мартенситное превращение является ведущим механизмом релаксации напряжений при обеих температурах.
• Экспериментально доказано, что совокупная АЭ энергия кластера, отвечающего за мартенситное превращение, линейно коррелирует с количеством образовавшегося мартенсита, измеренного с помощью магнитных методов.
• Экспериментально установлена кинетика ведущих механизмов релаксации напряжений, сопровождающих рост усталостной трещины для метастабильных сталей типа 16Cr6MnXNi с разным содержанием Ni (X=3%, 6% и 9%) при комнатной температуре, и показано, что сопротивление ее распространению существенно зависит от стабильности аустенитной структуры.

• Усовершенствованная методика анализа непрерывного потока сигналов акустической эмиссии, позволяет изучать в реальном времени кинетику ведущих механизмов деформации, протекающих в ТРИП/ТВИП сталях, и может быть применима к другим классам материалов.
• Полученные данные о кинетике основных механизмов деформации в модельных ТРИП/ТВИП сталях могут оказать существенную помощь при разработке новых метастабильных сталей с заданным комплексом физико-механических свойств.
• Применяемые в диссертационном исследовании подходы к работе с большими массивами АЭ данных могут быть использованы в практике применения метода АЭ в качестве метода неразрушающего контроля.