vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2024-2(48)-85-93vsgiu-66Research ArticleРаздел 3. Металлургия и материаловедениеSection 3. Metallurgy and Materials ScienceАНАЛИЗ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ И ПОЛЕЙ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА РАССТОЯНИИ ОТ ЗОН ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОЙ СТАЛИANALYSIS OF STRUCTURAL-PHASE STATE AND INTERNAL STRESS FIELDS AT A DISTANCE FROM THE ZONE OF DEFORMATION LOCALIZATION FOR SPECIMENS MADE OF HEAT-RESISTANT STEELhttps://orcid.org/0000-0003-0794-8040АбабковНиколай ВикторовичAbabkovNikolay V.

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой технологий машиностроения

Cand. Sci., Associate Prof., Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies

ababkovnv@kuzstu.ruКузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. ГорбачеваРоссияT.F. Gorbachev Kuzbass State Technical UniversityRussian Federation202430062024028593Copyright © Абабков Н.В., 20252025Абабков Н.В.Ababkov N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/66

Выполнен анализ различий структурно-фазового состояния и полей внутренних напряжений в зонах локализации деформации и на расстоянии 1 мм от нее для образцов из теплоустойчивой стали марки 12Х1МФ. Исследование микроструктуры образцов осуществляли методом просвечивающей электронной микроскопии на тонких фольгах. Показано, что структура металла всех исследованных участков образцов после деформации до образования зон устойчивой локализации деформаций состоит из феррита и перлита. Занимающий основную часть объема материала феррит присутствует как не фрагментированный, так и фрагментированный. Выявлены отличия в структурно-фазовом состоянии в металле образцов из стали марки 12Х1МФ в зонах устойчивой локализации деформации и на расстоянии от нее. Установленные различия заключаются как в разном процентном соотношении морфологических составляющих микроструктуры (феррита и перлита), в том числе в содержании фрагментированной и не фрагментированной дислокационной субструктуры, так и в количественных показателях (скалярной и избыточной плотности дислокаций, кривизны-кручения кристаллической решетки, амплитуды полей внутренних сдвиговых и дальнодействующих напряжений). Установлено, что после кратковременного испытания до достижения устойчивой локализации деформации не весь объем металла образца имеет одинаковую микроструктуру. Установленные различия структурно-фазового состояния и полей внутренних напряжений в зонах локализации деформации и на расстоянии 1 мм от нее для образцов из теплоустойчивой стали марки 12Х1МФ свидетельствуют о том, что именно в зонах локализации деформации возникновение микротрещин имеет наибольшую вероятность.

The analysis of differences in the structural-phase state and internal stress fields in the deformation localization zones and at a distance of 1 mm from it for samples made of heat-resistant steel grade 12X1MF is performed. The microstructure of the samples was studied by transmission electron microscopy on thin foils. It is shown that the metal structure of all the studied sections of the samples after deformation before the formation of zones of stable localization of deformations consists of ferrite and perlite. Ferrite, which occupies the main part of the volume of the material, is present both non-fragmented and fragmented. Differences in the structural and phase state in the metal of 12X1MF steel samples in the zones of stable localization of deformation and at a distance from it were revealed. The established differences are both in the different percentage of morphological components of the microstructure (ferrite and perlite), including the content of fragmented and non-fragmented dislocation substructure, and in quantitative indicators (scalar and excessive dislocation density, curvature-torsion of the crystal lattice, amplitudes of the fields of internal shear and long-range stresses). It was found that after a short-term test until stable localization of deformation is achieved, not the entire metal volume of the sample has the same microstructure. The established differences in the structural-phase state and internal stress fields in the deformation localization zones and at a distance of 1 mm from it for samples made of heat-resistant steel grade 12X1MF indicate that it is in the deformation localization zones that the occurrence of microcracks is most likely.

структурно-фазовое состояниеполя внутренних напряженийплотность дислокацийзона локализации деформациитеплоустойчивая стальдлительная эксплуатацияstructural-phase stateinternal stress fieldsdislocation densitydeformation localization zoneheat-resistant steellong-term operationReferencesКлюев В.В. Деградация диагностики без-опасности. Москва: Издательский дом «Спектр». 2012:128. EDN: SFDDCN.Klyuev V.V. Degradation of safety diagnos-tics. Moscow: Izda-tel'skii dom «Spektr». 2012:128. EDN: SFDDCN. (In Russ.).Багмутов В.П., Белов Е.Г., Божко И.А., Бу-довских Е.А., Ващук Е.С. и др. Структур-но-фазовые состояния перспективных ме-таллических материалов. Новокузнецк: Изд-во НПК. 2009:613. EDN: SNBGKB.Bagmutov V.P., Belov E.G., Bozhko I.A., Budovskikh E.A., Vashchuk E.S. etc. Struc-tural and phase states of promising metal mate-rials. Novokuznetsk: Izd-vo NPK. 2009:613. EDN: SNBGKB.Grib V.V., Petrova I.M., Romanov A.N. Esti-mation of the probability of mechanical sys-tems breakdown by technical state modelling. Journal of Machinery Manufacture and Relia-bility. 2016;45(5):433–437.Grib V.V., Petrova I.M., Romanov A.N. Esti-mation of the probability of mechanical sys-tems breakdown by technical state modelling. Journal of Machinery Manufacture and Relia-bility. 2016;45(5):433–437.https://doi.org/10.3103/S1052618816050095https://doi.org/10.3103/S1052618816050095Ботвина Л.Р., Будуева В.Г., Остапенко А.А., Тютин М.Р., Демина Ю.А., Солдатенков А.П., Жаркова Н.А. Механические свойства и ме-ханизмы разрушения крупногабаритных ем-костей из сплава АМг6 после длительной эксплуатации. Деформация и разрушение материалов. 2013;12:28–35.Botvina L.R., Budueva V.G., Ostapenko A.A., Tyutin M.R., Demina Yu.A., Soldatenkov A.P., Zharkova N.A. Mechanical properties and mechanisms of destruction of large-sized con-tainers made of AMg6 alloy after prolonged operation. Deformatsiya i razrushenie materi-alov. 2013;12:28–35. (In Russ.).Demina Y.A., Tyutin M.R., Marchenkov A.Y., Levin V.P., Botvina L.R. Effect of Long-Term Operation on the Physical and Mechanical Properties and the Fracture Mech-anisms of X70 Pipeline Steels. Russ. Metall. 2022;2022:452–462. https://doi.org/10.1134/s0036029522040127Demina Y.A., Tyutin M.R., Marchenkov A.Y., Levin V.P., Botvina L.R. Effect of Long-Term Operation on the Physical and Mechanical Properties and the Fracture Mech-anisms of X70 Pipeline Steels. Russ. Metall. 2022;2022:452–462. https://doi.org/10.1134/s0036029522040127Romanov A.N., Filimonova N.I. Deformation Re-sistance and Damage Accumulation of Unstable Structural Material under Cyclic Elastoplastic De-formation. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2019;48(5):440‒445.Romanov A.N., Filimonova N.I. Deformation Resistance and Damage Accumulation of Un-stable Structural Material under Cyclic Elas-toplastic Deformation. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2019;48(5):440‒445. https://doi.org/10.3103/S1052618819050108https://doi.org/10.3103/S1052618819050108Tikhomirova E.A., Rybnikov A.I., Getsov L.B. Changes in the structure and properties of monocrys-talline heat-resistant alloys during long-term opera-tion. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka. 2017;1(739):33–38. (In Russ.).Тихомирова Е.А., Рыбников А.И., Гецов Л.Б. Изменение структуры и свойств монокри-сталлических жаропрочных сплавов в про-цессе длительной эксплуатации. Металло-ведение и термическая обработка. 2017;1(739):33–38.Demchenko M.V., Kuzeev I.R. Patterns of change in the morphology of the surface relief of the welded joint of oil and gas equipment under operating conditions. Nanotekhnologii v stroitel'stve. 2018;10(4):39–56. (In Russ.).Демченко М.В., Кузеев И.Р. Закономерно-сти изменения морфологии рельефа поверх-ности сварного соединения нефтегазового оборудования в условиях эксплуатации. Нанотехнологии в строительстве. 2018;10(4):39–56.Polyakov A., Kuksenova L.I., Alekseeva M.S. Metodological Foundations for Chosing the Materials for Gears according to Wear Re-sistance Criteria. Journal of Machinery Manu-facture and Reliability. 2019;48(4):328–335. https://doi.org/10.3103/S1052618819040125.Polyakov A., Kuksenova L.I., Alekseeva M.S. Metodological Foundations for Chosing the Materials for Gears according to Wear Re-sistance Criteria. Journal of Machinery Manu-facture and Reliability. 2019;48(4):328–335. https://doi.org/10.3103/S1052618819040125.Petrova I.M., Gadolina I.V., Botvina L.R., Demina Yu.A., Tyutin M.R. The effect of prolonged aging on the fatigue characteristics of steel 45. Zavodskaya laboratoriya. Diagnos-tika materialov. 2011;77(1):58–61. (In Russ.).Петрова И.М., Гадолина И.В., Ботвина Л.Р., Демина Ю.А., Тютин М.Р. Влияние дли-тельного старения на характеристики уста-лости стали 45. Заводская лаборатория. Ди-агностика материалов. 2011;77(1):58–61.Makhutov N.A., Gadenin M.M., Odintsev I.N., Razumovsky I.A. Methods of the calcu-lation and experimental determination of the local residual stresses under spectrum devel-opment of complex loading. Journal of Ma-chinery Manufacture and Reliability. 2015;44(6):531–538. https://doi.org/10.3103/S1052618815060096Makhutov N.A., Gadenin M.M., Odintsev I.N., Razumovsky I.A. Methods of the calcu-lation and experimental determination of the local residual stresses under spectrum devel-opment of complex loading. Journal of Ma-chinery Manufacture and Reliability. 2015;44(6):531–538. https://doi.org/10.3103/S1052618815060096Gorynin I.V., Timofeev B.T. Degradation of the properties of structural materials under prolonged ex-posure to operating temperatures. Voprosy materi-alovedeniya. 2011;1(65):41–59. (In Russ.).Горынин И.В., Тимофеев Б.Т. Деградация свойств конструкционных материалов при длительном воздействии эксплуатационных температур. Вопросы материаловедения. 2011;1(65):41–59.Konstantinov V.M., Puchkov E.P., Galimskii A.I. Features of operation and properties of structural steels when working in climatic cold conditions. Polzunovskii al'manakh. 2014;2:41–44. (In Russ.).Константинов В.М., Пучков Э.П., Галим-ский А.И. Особенности эксплуатации и свойства конструкционных сталей при ра-боте в условиях климатического холода. Ползуновский альманах. 2014;2:41–44.Romanov A.N. Damage accumulation and limit states under the low-cycle loading of structural softening steel. Engineering Failure Analysis. 2022;142:106836.Romanov A.N. Damage accumulation and limit states under the low-cycle loading of structural softening steel. Engineering Failure Analysis. 2022;142:106836.https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106836https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2022.106836Getsov L., Semenov A., Semenov S., Rybni-kov A., Tikhomirova E. Thermal fatigue of single-crystal superalloys: experiments, crack-initiation and crack-propagation criteria. Ma-terials and technology. 2015;49(5):773–778.Getsov L., Semenov A., Semenov S., Rybni-kov A., Tikhomirova E. Thermal fatigue of single-crystal superalloys: experiments, crack-initiation and crack-propagation criteria. Ma-terials and technology. 2015;49(5):773–778.Makhutov N.A., Gadenin M.M. Analysis and control of the strength, useful life, and safe operation risks of power plants with various kinds of energy commodities. Journal of Ma-chinery Manufacture and Reliability. 2022;51(1):37–45. https://doi.org/10.3103/S105261882201006XMakhutov N.A., Gadenin M.M. Analysis and control of the strength, useful life, and safe operation risks of power plants with various kinds of energy commodities. Journal of Ma-chinery Manufacture and Reliability. 2022;51(1):37–45. https://doi.org/10.3103/S105261882201006XZuev, L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A., Ploskov N.A. On the nature of the elasto-plastic invariant of deformation. ZhTF. 2018;88(6):855–859. (In Russ.).Зуев, Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А., Плосков Н.А. О природе упругопластиче-ского инварианта деформации. ЖТФ. 2018;88(6):855–859.Danilov V.I., Gorbatenko V.V., Zuev L.B. On the kinetics of mobile Chernov–Luders band fronts. AIP Conference Proceedings. 2016;1783:020035. https://doi.org/10.1063/1. 4966328Danilov V.I., Gorbatenko V.V., Zuev L.B. On the kinetics of mobile Chernov – Luders band fronts. AIP Conference Proceedings. 2016;1783:020035. https://doi.org/10.1063/1. 4966328Gorbatenko V.V., Danilov V.I., Zuev L.B. Elastoplastic transition in material with sharp yield point. AIP Conference Proceedings. 2015;1683:020058. https://doi.org/10.1063/1.4932748Gorbatenko V.V., Danilov V.I., Zuev L.B. Elastoplastic transition in material with sharp yield point. AIP Conference Proceedings. 2015;1683:020058. https://doi.org/10.1063/1.4932748Ababkov N., Smirnov A., Danilov V., Zuev L., Popova N., Nikonenko E. Structural-phase state, mechanical properties, acoustic and magnetic characteristics in the sustainable de-formation localization zones of power equip-ment made of structural and heat resistant steels. Metals. 2021;11(10).Ababkov N., Smirnov A., Danilov V., Zuev L., Popova N., Nikonenko E. Structural-phase state, mechanical properties, acoustic and magnetic characteristics in the sustainable de-formation localization zones of power equip-ment made of structural and heat resistant steels. Metals. 2021;11(10).https://doi.org/10.3390/met11101638https://doi.org/10.3390/met11101638Danilov V.I., Orlova D.V., Zuev L.B. On the kinetics of localized plasticity domains emer-gent at the pre-failure stage of deformation process. Materials and Design. 2011;32:1554‒1558. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.09.031Danilov V.I., Orlova D.V., Zuev L.B. On the kinetics of localized plasticity domains emer-gent at the pre-failure stage of deformation process. Materials and Design. 2011;32:1554‒1558. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.09.031Zuev L.B. Chernov–Luders and Portevin–Le Chatelier deformations in active deformable media of different nature. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2017;58(2):328‒334. https://doi.org/10.1134/S0021894417020171Zuev L.B. Chernov–Luders and Portevin–Le Chatelier deformations in active deformable media of different nature. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2017;58(2):328‒334. https://doi.org/10.1134/S0021894417020171Конева Н.А., Козлов Э.В. Закономерности субструктурного упрочнения. Известия ву-зов. Физика. 1991;34(3):С. 56–70.Конева Н.А., Козлов Э.В. Закономерности субструктурного упрочнения. Известия ву-зов. Физика. 1991;34(3):С. 56–70.Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V. Fatigue-induced evolution of AISI 310S steel micro-structure after electron beam treatment. Mate-rials. 2020;13(20):1–13.Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V. Fatigue-induced evolution of AISI 310S steel micro-structure after electron beam treatment. Mate-rials. 2020;13(20):1–13.https://doi.org/10.3390/ma13204567https://doi.org/10.3390/ma13204567Kozlov E.V., Popova N.A., Kabanina O.V., Klimashin S.I., Gromov V.E. Evolution of phase composition, defective structure, internal stresses and carbon redistribution during tem-pering of cast structural steel. Novokuznetsk: ITs SibGIU, 2007:177. (In Russ.).Козлов Э.В., Попова Н.А., Кабанина О.В., Климашин С.И., Громов В.Е. Эволюция фа-зового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределе-ние углерода при отпуске литой конструк-ционной стали. Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2007:177.Koneva N.A., Popova N.A., Kozlov E.V. The size of grains and fragments of the microlevel as a factor determining the density of disloca-tions. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya. 2011;75(5):709–712. (In Russ.).Конева Н.А., Попова Н.А., Козлов Э.В. Размер зерен и фрагментов микроуровня как фактор, определяющий плотность дислока-ций. Известия РАН. Серия физическая. 2011;75(5):709–712.Kozlov E.V., Trishkina L.I., Popova N.A., Koneva N.A. The place of dislocation physics in a multilevel approach to plastic defor-mation. Fizicheskaya mezomekhanika. 2011;14(3):95–110. (In Russ.).Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Попова Н.А., Конева Н.А. Место дислокационной физики в многоуровневом подходе к пластической деформации. Физическая мезомеханика. 2011;14(3):95–110.Gromov V.E., Yur’ev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Alsaraeva K.V. Structure, phase composition, and defect substructure of dif-ferentially quenched rail. Steel in Translation. 2014;44(12):883–885. https://doi.org/10.3103/S0967091214120067Gromov V.E., Yur’ev A.B., Morozov K.V., Ivanov Yu.F., Alsaraeva K.V. Structure, phase composition, and defect substructure of dif-ferentially quenched rail. Steel in Translation. 2014;44(12):883–885. https://doi.org/10.3103/S0967091214120067Kozlov E. V., Popova N.A., Pekarskaya E.E., Koneva N.A., Zhdanov A.N. Subgrain struc-ture and internal stress fields in UFG materi-als: problem of Hall–Petch relation. Materials Science and Engineering: A. 2004;1-2:789–794. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.12.081Kozlov E. V., Popova N.A., Pekarskaya E.E., Koneva N.A., Zhdanov A.N. Subgrain struc-ture and internal stress fields in UFG materi-als: problem of Hall–Petch relation. Materials Science and Engineering: A. 2004;1-2:789–794. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.12.081Smirnov A.N., Kozlov E.V., Ababkov N.V., Kupchenko M.V. Modern methodological support for assessing the state of metal of po-tentially dangerous equipment. Part 1. Mi-croscopy and X-ray diffraction analysis. Vest-nik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta. 2010;4:62–68. (In Russ.).Смирнов А.Н., Козлов Э.В., Абабков Н.В., Купченко М.В. Современное методическое обеспечение для оценки состояния металла потенциально опасного оборудования. Часть 1. Микроскопия и рентгеноструктур-ный анализ. Вестник Кузбасского государ-ственного технического университета. 2010;4:62–68.Ababkov N.V. Study of the structural-phase state and internal stresses in zones of localized deformation of samples made of heat-resistant steel. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2024;1(47):135–141. (In Russ.).Абабков Н.В. Исследование структурно-фазового состояния и внутренних напряже-ний в зонах локализации деформации об-разцов из теплоустойчивой стали. Вестник Сибирского государственного индустриаль-ного университета. 2024;1(47):135‒141. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-1(47)-135-141http://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-1(47)-135-141

The authors declare that there are no conflicts of interest present.