ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 100-107
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.56: 539.89: 539.2526
ОСОБЕННОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ е-ФАЗЫ СТАЛИ 12Х18Н10Т ПРИ СДВИГЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
© 2004 г. А. М. Пацелов, М. В. Дегтярев, В. П. Пилюгин, Т. И. Чащухина, Л. М. Воронова,
Е. Г. Чернышев, Г. Г. Талуц
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 05.06.2000 г.; в окончательном варианте - 26.04.2004 г.
Методами микротвердости, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии исследованы структурные и фазовые превращения в аустенитной стали 12Х18Н10Т после деформации сдвигом под квазигидростатическим давлением. Деформация под давлением осуществляется как двой-никованием, так и путем образования ячеистой структуры. При истинной деформации е > 5 формируется субмирокристаллическая (СМК) структура со средним размером кристаллитов 60 нм, и дальнейшая деформация не приводит к измельчению элементов структуры и росту твердости стали. Деформация под давлением 8 ГПа приводит к стабилизации е-фазы высокого давления.
Формированию ультрадисперсных структур деформационными методами, в частности сдвигом под давлением, посвящено большое число публикаций [1-9]. Несмотря на это, остается открытым вопрос о существовании установившейся стадии деформации. В работах, проведенных на конструкционных сталях и железе различной степени чистоты, наблюдали непрерывное измельчение элементов субструктуры, сопровождающееся упрочнением деформированного материала [1-3]. В то же время в работе [4], выполненной на железе, ферритной и аустенитной нержавеющих сталях, и в работе [5] при исследовании никеля и меди наблюдали стадию, на которой в ходе деформации выше некоторой степени твердость и структура перестают изменяться. Наличие установившейся стадии, с одной стороны, может быть связано с развитием динамического возврата и динамической рекристаллизации, что наблюдали на никеле и меди [5]. С другой стороны, эффективным механизмом релаксации выступает фазовое мартенситное превращение, инициируемое высоким давлением [6-11], развитие которого может обусловить достижение установившейся стадии. Анализ литературных данных, например [8, 9], показывает, что фазовое превращение под давлением всегда сопровождается выходом деформации на установившуюся стадию, однако взаимосвязь этих явлений в опубликованных работах не установлена.
В работе [6] было обнаружено, что деформация железомарганцевых сталей под давлением в области существования фазы высокого давления обеспечивает сохранение этой фазы после снятия
нагрузки. Т.е. появляется возможность исследовать не только влияние фазового превращения на структуру сплава, но и морфологию фазы высокого давления в материале, подвергнутом большой деформации.
При исследовании влияния всестороннего давления на дефектность структуры и фазовые переходы в стали Х18Н10Т было установлено [10], что в зависимости от величины давления реализуются у —► е- или у —► а-переходы. При этом отмечено, что образование более плотноупакованной е-фазы сопровождается значительным уменьшением концентрации дефектов упаковки в аусте-ните, а формирующаяся под давлением а-фаза возникает при наличии 5-10% е-фазы и имеет менее дисперсную структуру по сравнению с мартенситом деформации, образующимся в процессе осадки при температуре жидкого азота. Авторами работы [10] высказано предположение, что формирование а-мартенсита инициируется некомпенсированными растягивающими напряжениями, возникающими при образовании е-фазы.
Структурные исследования ГЦК-сплавов систем железо-марганец, железо-никель [6, 11], железо-никель-хром [7, 8], а также ГЦК-чистых металлов [5, 12] показали, что образование субмикрокристаллической (СМК) структуры в процессе деформации при сдвиге под давлением осуществляется в зависимости от подвижности дислокаций либо за счет образования и эволюции структур ячеистого типа, либо структур полосчатого типа, образованных двойниками и дефектами упаковки. Однако в литературе нет систематического исследования влияния фазовых превращений на
формирование СМК-структуры при большой деформации иод давлением. Целью данной работы было изучить влияние фазового превращения, инициируемого высоким давлением, на эволюцию структуры и упрочнение стали 12Х18Н10Т при сдвиговой деформации.
Исследованная сталь соответствовала марочному составу 12Х18Н10Т и согласно данным рент-генофазового и электронно-микроскопического анализов в исходном состоянии перед деформированием имела аустенитную матрицу с кубическими выделениями карбонитрида титана. Образцы для деформации вырезали в виде диска диаметром 5 мм и толщиной 0.30 мм. Деформацию осуществляли методом сдвига под квазигидростатическим давлением. Средняя расчетная величина давления составляла 8 ГПа, а угол поворота наковальни 15°, 45°, 180°, 360°, 3 х 360°, 5 х 360°, 10 х 360°. Кроме того, осуществляли воздействие давлением 8 ГПа без деформации сдвига. Образцы в процессе деформации сдвигом под давлением претерпевали осадку. Суммарную истинную деформацию рассчитывали по формуле [1]
e = ln
1 + 1ф
'hi
+ ln
(1)
Размер, нм 500
400
300
200
100
Микротвердость, ГПа -|5
H-i
где ф - угол поворота (в радианах), R t - расстояние от оси вращения, h0 и h, - толщина образца до и после деформации на соответствующем радиусе R. Степень деформации осадки после обжатия образца давлением 8 ГПа составляла e = 0.7, а после сдвига достигала e = 1. На расстоянии от центра образца 1.5 мм суммарная истинная деформация составляла 1.5; 2.3; 3; 3.7; 5; 5.5; 6.2 в соответствии с углами поворота наковальни.
Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.5 Н. Разброс значений микротвердости на разных образцах при одинаковой расчетной степени деформации не превышал 7%. Исследование структуры проводили на электронном микроскопе JEM-200 CX. Разориентировку элементов субструктуры оценивали качественно по изменению темнопольного контраста при наклоне гониометра. Размер элементов субструктуры определяли на темнопольных электронно-микроскопических снимках по результатам не менее 300 измерений, что обеспечивало погрешность менее 10%. Статистический подсчет среднего и наиболее вероятного размера выполняли с использованием компьютерной программы обработки и анализа сканированных изображений UTHSCSA Image Tool.
Рентгеноструктурный анализ проводили на автоматизированном рентгеновском дифрактомет-ре ДРОН-УМ1 в MoA^-излучении в геометрии
0 1 2 3 4 5 6 Степень деформации, е
Рис. 1. Изменение микротвердости (светлые квадраты) и среднего размера элементов субструктуры (темные кружки) стали при деформации.
рассеяния на прохождение после соответствующего утонения образцов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изменение твердости стали 12Х18Н10Т при сдвиге под давлением. На рис. 1 приведена зависимость микротвердости исследованной стали от степени деформации. Видно, что приложение высокого квазигидростатического давления 8 ГПа (деформация осадкой с е = 0.7) без деформации сдвигом повышает твердость стали приблизительно на 20%. При сдвиге под давлением до е = 5 происходит деформационное упрочнение стали, и коэффициент упрочнения составляет Кду = 0.6 ГПа/на единицу логарифмической деформации. При дальнейшем увеличении степени деформации в интервале 5 < е < 6.2 рост твердости прекращается. Из литературы известно, что в аустенитных сплавах значительные структурные изменения происходят при увеличении степени деформации до значений е ~ 5-7, затем деформация выходит на установившуюся стадию, и твердость при даль-
4
3
2
0.5 мкм
.3 мкм
|-1
Рис. 2. Микроструктура стали 12Х18Н10Т после деформации под давлением 8 ГПа:
а - деформация осадкой с е = 0.7; б - деформация сдвигом с е = 2.3; в - деформация сдвигом с е = 6.2, темное поле в рефлексе (00.2)е, (110)а, (111)у.
нейшем увеличении степени деформации не повышается [7, 9]. Состояние материала, твердость и структура которого не изменяются при повышении степени деформации, в [9] названо дисси-пативным. В настоящей работе при деформации
аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т получены аналогичные результаты.
Так как деформация образца при сдвиге неоднородна [1], исследовали изменение твердости по радиусу деформированных образцов. Деформация е < 5 приводила к увеличению твердости по мере удаления от центра образца. После деформации е = 5.5 такая зависимость твердости сохранялась только в центральной части образца до радиуса 0.75 мм. На большем расстоянии от центра происходило выравнивание твердости (аналогичные результаты были получены ранее при деформации никеля [12]). При увеличении степени деформации до е = 6.2 область изменения твердости ограничилась радиусом 0.25 мм.
Установлено [1-3], что в ОЦК-сплавах железа деформация сдвигом под давлением не приводит к выходу твердости на насыщение. Авторы указанных работ связывают это с отсутствием динамических релаксационных процессов при деформации под давлением. В исследованной аустенитной стали 12Х18Н10Т наблюдаемое насыщение по упрочнению при повышении степени деформации может быть связано с протеканием фазового превращения под давлением.
Эволюция структуры стали 12Х18Н10Т при сдвиге под давлением. Электронно-микроскопическое исследование показало, что в исходном состоянии исследованная сталь имеет типичную структуру горячекатанного аустенита с частицами карбонитрида титана. Обжатие образца квазигидростатическим давлением 8 ГПа (е = 0.7) привело к появлению двух типов структуры: двойников деформации и дислокационных ячеек (рис. 2а). Дифракционные рефлексы от ячеистой структуры размыты в азимутальном направлении. Дифракция с области двойникованной структуры точечная. Из литературы известно, что тип деформационной субструктуры зависит от энергии дефекта упаковки (ЭДУ). Высокое значение ЭДУ обусловливает развитие ячеистой дислокационной субструктуры, а низкое - приводит к двойни-кованию [5]. Подобные изменения структуры наблюдали в работе [13] после гидроэкструзии при давлении 2 ГПа.
При сдвиге под давлением с увеличение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.