ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Несмотря на высокую степень изученности, структурные превращения при пластической деформации остаются приоритетным направлением научных исследований в области материаловедения. Разные подходы сходятся в том, что деформация металла развивается от микро- к макромасштабам, а смена стадий – это скачкообразная потеря устойчивости структуры, которая неизбежно завершается локализацией сдвига и разрушением в шейке образца. Цель работы. Определение соотношения стадий пластической деформации со структурой, топографией поверхности и микромеханическими характеристиками подвергаемого одноосному растяжению распространенного конструкционного материала – стали 09Г2С. Методы исследования. В работе исследованы гантелеобразные плоские образцы конструкционной стали 09Г2С до и после одноосного растяжения. Выполнено моделирование процесса растяжения образца методом конечных элементов, получено распределение параметров напряженно-деформированного состояния. Структуру изучали методами оптической и растровой электронной металлографии. Параметры шероховатости поверхности определяли методом оптической профилометрии. Для определения микромеханических характеристик проведено кинетическое микроиндентирование. Результаты и обсуждение. Установлено однозначное соответствие между параметрами шероховатости, стадией и степенью деформации стали 09Г2С. Установлено, что около трещины находятся самые большие степени деформации, структура не имеет выраженных колоний перлита и присутствуют вытянутые ферритные зерна, границы между которыми кое-где декорированы фрагментированными пластинками цементита. Четко прослеживаются несплошности, вытянутые поры деформационной природы. Поверхностный рельеф обусловлен скольжением мезо- и макрополос. Проанализирована взаимосвязь механических свойств стали со структурами, полученными на различных стадиях – от начала пластического деформирования и вплоть до образования макротрещины. Показано, что применение оптической профилометрии, структурных методов исследования, а также микромеханических испытаний при инструментальном индентировании позволяет достоверно регистрировать изменения структуры на различных участках образцов стали 09Г2С после статического нагружения.

1. Конева Н.А. Природа стадий пластической деформации // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – Т. 4, № 10. – С. 99–105.

2. Structural levels of deformation in solids / V.E. Panin, Y.V. Grinyaev, T.F. Elsukova, A.G. Ivanchin // Soviet Physics Journal. – 1983. – Vol. 25 (6). – P. 479–497. – DOI: 10.1007/BF00898745. – EDN: XLXYAT.

3. Panin V.E., Panin A.V. Fundamental role of nanoscale structural level of plastic strain in solids // Metal Science and Heat Treatment. – 2006. – Vol. 48 (11–12). – P. 533–538. – DOI: 10.1007/s11041-006-0131-x. – EDN: LKECCF.

4. Конева Н.А. Классификация, эволюция и самоорганизация дислокационных структур в металлах и сплавах // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – Т. 2, № 6. – С. 99–107.

5. Панин В.Е., Панин А.В. Масштабные уровни пластической деформации разрушения наноструктурированных материалов // Нанотехника. – 2005. – № 3. – С. 28–42. – EDN: JUJJVB.

6. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.

7. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. – Новосибирск: Наука, 1990. – 255 с. – ISBN 5-02-029308-3. – EDN: YSBSDP.

8. Thermodynamics of substructure transformations under plastic deformation of metals and alloys / N.A. Koneva, E.V. Kozlov, L.I. Trishkina, E.E. Pekarskaya // Materials Science and Engineering: A. – 1997. – Vol. 234–236. – P. 614–616. – DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00271-2. – EDN: LEJOJH.

9. Механизмы упрочнения и особенности стадийности деформации поликристаллов с нанозерном / Н.А. Конева, Э.В. Козлов, Л.И. Тришкина, А.Н. Жданов // Деформация и разрушение материалов. – 2009. – № 1. – С. 12–15. – EDN: KVSYHT.

10. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. – 2006 – Vol. 9, № 3. – P. 9–22. – EDN: IJIOEV.

11. Адамов А.А., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Экспериментальная идентификация законов пластичности и разрушения анизотропной малоуглеродистой листовой стали для моделирования холодной штамповки // Проблемы прочности и пластичности. – 2019. – Т. 81, № 2. – С. 202–211. – DOI: 10.32326/1814-9146-2019-81-2-202-211. – EDN: YQNPKW.

12. Structure of near-surface layer of high-strength steel subjected to abrasive waterjet cutting / T.I. Tabatchikova, N.A. Tereshchenko, I.L. Yakovleva, N.Z. Gudnev // Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119 (9). – P. 871–879. – DOI: 10.1134/S0031918X18090107. – EDN: LJVWUW.

13. Локализация пластического течения в низкоуглеродистой стали, деформированной взрывом / И.А. Батаев, А.А. Батаев, И.А. Балаганский, В.Г. Буров, Е.А. Приходько, Н.А. Морева, А.А. Руктуев // Физическая мезомеханика. – 2011. – Т. 14, № 1. – С. 93–99. – EDN: NQWAQR.

14. Эволюция структурных элементов деформации в приповерхностных слоях образцов из низколегированной стали / Д.Г. Копаница, А.М. Устинов, А.И. Потекаев, А.А. Клопотов // Современные проблемы теории машин. – 2015. – № 3. – С. 218–223. – EDN: TWRXGR.

15. Bowden H.G., Kelly P.M. Deformation twinning in shock-loaded pearlite // Acta Metallurgica. – 1967. – Vol. 15 (1). – P. 105–111. – DOI: 10.1016/0001-6160(67)90158-7.

16. Pröger M. Die Deformations und Bruchmechanismen des lamellaren Perlits: Dissertation. – Stuttgart, 1964. – 101 p.

17. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: Наука, 1993. – 280 с. – ISBN 5-02-030323-2. – EDN: RVAYMZ.

18. Features of the plastic deformation of steels with a lamellar pearlite structure / A.A. Bataev, L.I. Tushinskii, V.A. Bataev, L.B. Zuev // Russian Physics Journal. – 1996. – Vol. 39 (7). – P. 603–608. – DOI: 10.1007/BF02439086. – EDN: PJKWUD.

19. Special features of the fracture of ordered segregated excess cementite in eutectoid steels / V.A. Bataev, A.A. Bataev, S.A. Kotorov, L.I. Tushinskii // Metal Science and Heat Treatment. – 1999. – Vol. 41 (3–4). – P. 101–104. – DOI: 10.1007/BF02467693. – EDN: LFGBDD.

20. Форма межслойных границ в соединениях, полученных сваркой металлических пластин / И.А. Батаев, А.А. Батаев, М.А. Есиков, Р.А. Достовалов, Н.С. Белоусова // Научный вестник НГТУ. – 2012. – № 4 (49). – С. 107–112. – EDN: PUHHUF.

21. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 1998. – Vol. 30 (1). – P. 1–11. – DOI: 10.1016/S0167-8442(98)00038-X. – EDN: LFBDJF.

22. Panin V.E. Synergistic principles of physical mesomechanics // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2001. – Vol. 37 (1). – P. 261–298. – DOI: 10.1016/S0167-8442(01)00085-4.

23. Закономерности стадии предразрушения в физической мезомеханике / В.Е. Панин, Л.С. Деревягина, Е.Е. Дерюгин, А.В. Панин, С.В. Панин, Н.А. Антипина // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6, № 6. – С. 97–106. – EDN: IUCYZF.

24. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. – Киев: Наукова думка, 1989. – 320 с. – ISBN 5-12-001121-7.

25. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. В 2 т. Т. 2 / отв. ред. В.Е. Панин. – Новосибирск: Наука, 1995. – 320 с. – ISBN 5-02-030841-2. – EDN: SYKNJF.

26. Hatherley M., Malin A.S. Shear bands in deformed metals // Scripta Metallurgica. – 1984. – Vol. 18 (5). – P. 449–454. – DOI: 10.1016/0036-9748(84)90419-8.

27. Harren S.V., Deve H.E., Asaru R.J. Shear band formation in plane strain compression // Acta Metallurgica. – 1988. – Vol. 36 (9). – P. 2435–2480. – DOI: 10.1016/0001-6160(88)90193-9.

28. On the nature of plastic strain localization in solids / V.E. Panin, V.E. Egorushkin, A.V. Panin, D.D. Moiseenko // Technical Physics. – 2007. – Vol. 52 (8). – P. 1024–1030. – DOI: 10.1134/S1063784207080105. – EDN: LKVOWB.

29. Zuev L.B., Khon Yu.A. Plastic flow as spatiotemporal structure formation. Part I. Qualitative and quantitative patterns // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (2). – P. 103–110. – DOI: 10.1134/S1029959922020011. – EDN: JIKJKV.

30. McDowell D.L. Multiscale modeling of interfaces, dislocations, and dislocation field plasticity // Mesoscale Models / ed. by S. Mesarovic, S. Forest, H. Zbib. – Cham: Springer International Publishing, 2019. – P. 195–297. – (CISM International Centre for Mechanical Sciences; vol. 587). – DOI: 10.1007/978-3-319-94186-8_5.

31. Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. – 605 с. – ISBN 978-5-7692-1661-9. – DOI: 10.15372/MULTILEVEL2019TPV. – EDN: BCSSTZ.

32. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. – 1998. – Т. 1, № 1. – С. 5–22. – EDN: KWPHTL.

33. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика – новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6, № 4. – С. 9–36. – EDN: IUCYMD.

34. Multilevel models in physical mesomechanics of metals and alloys: results and prospects / P.V. Trusov, A.I. Shveykin, N.S. Kondratyev, A.Yu. Yants // Physical Mesomechanics. – 2021. – Vol. 24 (4). – P. 391–417. – DOI: 10.1134/S1029959921040056. – EDN: ILUNCK.

35. Applicability of magnetic measurements to the detection of fracture nucleation in 09G2S steel / Yu.V. Khudorozhkova, A.M. Povolotskaya, S.V. Burov, D.I. Vichuzhanin // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2025. – Vol. 61 (12). – P. 1477–1487. – DOI: 10.1134/S1061830925700457. – EDN: ZWAFVI.

36. Determining the coefficients in the functional dependence of the strain resistance on the basis of conical-indentor data / S.V. Smirnov, V.K. Smirnov, A.N. Soloshenko, V.P.  Shveikin // Russian Metallurgy (Metally). – 1998. – N 6. – P. 109–113. – EDN: XQDITL.

37. Structure, mechanical characteristics, and deformation and fracture features of quenched structural steel under static and cyclic loading after combined strain-heat nanostructuring treatment / A.V. Makarov, R.A. Savrai, E.S. Gorkunov, A.S. Yurovskikh, I.Yu. Malygina, N.A. Davydova // Physical Mesomechanics. – 2015. – Vol. 18 (1). – P. 43–57. – DOI: 10.1134/S1029959915010063. – EDN: UFLETF.

38. Влияние термического воздействия на микромеханические свойства хромоникелевого покрытия, полученного газопорошковой лазерной наплавкой / Н.Н. Соболева, А.В. Макаров, А.К. Степченков, И.Ю. Малыгина, Ю.С. Коробов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 2. – С. 104–117. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.2-104-117. – EDN: RRQDDQ.

39. Методы определения механических характеристик материалов с помощью индентирования (обзор) / Е.И. Орешко, В.С. Ерасов, Н.О. Яковлев, Д.А. Уткин // Авиационные материалы и технологии. – 2021. – № 1 (62). – С. 104–118. – DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-1-104-118. – EDN: TOCRQD.

40. Соболева Н.Н., Давыдова Н.А., Макаров А.В. Влияние кратности фрикционного воздействия на микромеханические свойства NiCrBSi-покрытий // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2022. – № 5. – С. 50–59. – DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.050-059. – EDN: NVWZDT.

41. Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сенаева Е.И. Структура и микромеханические свойства СВС-композитов с медной матрицей: особенности формирования // Frontier Materials & Technologies. – 2023. – № 4. – C. 99–108. – DOI: 10.18323/2782-4039-2023-4-66-9. – EDN: DWBOQD.