ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 2, с. 293-296
УДК 669.15-194.56:539.4.015
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В НАНОСТРУКТУРНОМ СОСТОЯНИИ
© 2007 г. И. И. Косицына, В. В. Сагарадзе
Институт физики металлов Уральского отделения РАИ, Екатеринбург E-mail: kositsyna@imp.uran.ru
Изучены особенности структурообразовання при равноканально-угловом (РКУ) прессовании и холодной деформации прокаткой до степени e = 2.1, а также изменение механических свойств. Показано, что РКУ-прессование метастабильной аустенитной стали приводит к увеличению прочностных характеристик и сохранению высоких значений пластичности, на порядок превышающих эти значения после холодной пластической деформации, что связано с оптимизацией кинетики у ^ а-превращения.
Наноструктурные материалы, обладая высокой твердостью и прочностью, обычно характеризуются низкой пластичностью [1, 2]. Повышенную пластичность наблюдали у меди с размером зерна 100 нм после равноканально-углового (РКУ) прессования [3]. Однако в других чистых металлах или стабильных сплавах при деформации РКУ-прессованием не удается сохранить высокую пластичность при близких степенях упрочнения [1, 4]. Так, механические свойства армко-же-леза после РКУ-прессования имеют значения св = = 980 МПа при низкой пластичности 5 = 5% [4]. В настоящей работе рассмотрены механические свойства стали после интенсивной пластической деформации методом РКУ-прессования в отличие от деформации другими методами, в частности прокаткой, изучены особенности структурообра-зования, определены механизмы повышения пластичности.
Исследована типичная нержавеющая аустенит-ная сталь 12Х18Н10Т стандартного химического состава. Образцы размером 14 х 14 х 165 мм3 после закалки от 1050°С в воде деформировали методом РКУ-прессования в инструменте с углом пересечения каналов 90° при комнатной температуре (скорость 0.4 мм/с, истинная деформация е = = 2.1 при количестве циклов 4). Холодную пластическую деформацию осуществляли прокаткой образцов размером 2.5 х 6 х 50 мм3 в гладких валках при комнатной температуре со степенью обжатия 30% (е = 0.3), 50% (е = 1), 70% (е = 1.5), 90% (е = 2.1).
В закаленном состоянии аустенитная сталь 12Х18Н10Т имела механические свойства: предел прочности св = 560 МПа, предел текучести с0.2 = = 210 МПа, твердость 16 ед. ЖС, относительное удлинение 5 = 70%, относительное сужение ¥ = = 69%. Очень высокое значение 5 связано с метаста-бильностью рассматриваемой аустенитной стали, с
реализацией в ней TRIP (transformation induced plasticity) эффекта. Образующиеся при растяжении кристаллы а-мартенсита вызывают релаксацию пиковых напряжений, локально упрочняют материал, пластическое течение переходит на другие зерна, что предотвращает преждевременное разрушение образцов и вызывает повышение пластичности [5, 6]. РКУ-прессование с истинной степенью деформации e = 2.1 приводит к сильному упрочнению и некоторому снижению пластичности: св = 1550 МПа, с0.2 = 1340 МПа, 5 = 27.5%, ¥ = = 41%, твердость составляет 47 ед. HRC. Повышение предела текучести более чем в 6 раз при РКУ-прессовании достигнуто при относительно небольшой степени деформации (e = 2.1).
Структура стали после РКУ-прессования состоит из достаточно равноосных кристаллов аустенита и мартенсита (рисунок, а). Наблюдаются повышенная плотность дислокаций и ультрамелкие микрокристаллиты, также отдельные карбиды TiC или Cr23C6, расположенные в теле зерна и на границах зерен. Согласно анализу темнопольных изображений зерен, размеры мартенситных кристаллитов изменяются в пределах от 70 до 140 нм, встречаются и более мелкие кристаллиты (20-50 нм), образовавшиеся при дроблении мартенситных пластин и двойников. Количество а-мартенсита по данным магнитометрии составляет 45 об. %. Использованная степень деформации (e = 2.1) еще не позволяет полностью сформировать мелкие зерна с преобладающими большеугловыми границами. Величина азимутального размытия рефлексов на электронограмме свидетельствует о разориентации субзерен 8-10°.
Устойчивость полученной субмикрокристаллической (СМК) структуры и свойств исследовали при последеформационных отжигах до температуры 850°С. Как видно из таблицы, твердость, прочностные свойства стали практически не из-
Х60000
Структура стали 12Х18Н10Т после РКУ-прессования (а) и отжига при 550°С в течение 1 ч (в), 850°С и 1 ч (г); после холодной деформации со степенью е = 0.3 0), е = 1 (е), е = 2.1 (б).
меняются в результате часового отжига при 550°С, а пластичность несколько возрастает. При этом микрокристаллическая аустенито-мартен-ситная структура сохраняется (рисунок, в). Однако средний размер кристаллов возрастает до 150— 250 нм, и они частично очищаются от дислокаций за счет происходящих при нагреве процессов перераспределения и аннигиляции дислокаций. Появляются отдельные выросшие зерна фазонакле-панного аустенита (рисунок, в), содержащего тонкие двойники, которые образовались в процессе а ^ у-превращения. Количество мартенсита уменьшается до 22%. Так как частичное а ^ у-превраще-ние при нагреве до 550°С сопровождается образованием фазонаклепанного аустенита, то прочностные свойства стали 12Х18Н10Т снижаются очень мало (таблица). Резкое падение твердости происходит после отжигов при температурах б00-650°С. Дальнейшее повышение температуры отжига приводит к развитию рекристаллизации и увеличению размера зерен. Рост зерен происходит без зарождения новых кристаллов, путем превращения неравновесных границ в границы новых зерен и их миграции. После нагрева стали 12Х18Н10Т до 850°С наблюдается рекристалли-зованная разнозернистая полиэдрическая структура (рисунок, г) с размером зерна 1-6 мкм. Сталь 12Х18Н10Т после РКУ-прессования имеет повышенную пластичность (5 = 27%), высокая пластичность (5 = 37.5%) сохраняется после отжига при 550°С без разупрочнения и достигает самых высоких значений (5 = 99%) в рекристаллизован-ном мелкозернистом состоянии после отжига при 850°С.
В процессе деформации прокаткой в стали 12Х18Н10Т накапливается значительная плотность дислокаций внутри зерен, затем формируется ячеистая, а впоследствии фрагментирован-ная (субзеренная) структура, которая с увеличением степени деформации охватывает все больший объем зерна. Плотность дислокаций в границах фрагментов и угол разориентировки на границах возрастают пропорционально степени деформации, и границы превращаются в конце концов в новые большеугловые границы. Электронно-микроскопические исследования эволюции структуры стали при прокатке показали, что в исходной аустенитной структуре после степеней деформации е < 0.3 появляются мартенсит деформации и скопления дислокаций в у-матрице (рисунок, д). Затем при степенях деформации е от 0.3 до 1 формируется дислокационная ячеистая структура (рисунок, е). После деформации со степенью е > 1.5 субзерна вытягиваются вдоль оси прокатки и разворачиваются относительно друг друга. С увеличением степени деформации больше е = 1.5 происходит непрерывный рост углов разориентировки субзерен, при незначительном уменьшении их размеров. После степеней дефор-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 2 2007
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ 295
Изменение механических свойств, размера зерна и содержания мартенсита стали 12Х18Н10Т после различных обработок
Обработка Твер, ЖС ов, МПа о02, МПа 5, % V, % а, об. % Размер зерна, нм
Закалка 1050°С 16 562 213 70 69 0 10000
РКУ 47 1550 1340 27.5 41 45 20-70-120
РКУ + 550°С, 1ч 46 1530 1285 37.5 47.5 22 150-250
РКУ + 850°С, 1ч 15 722 428 99 82 0 1000-6000
Холодная е = 0.3 33 887 695 30 56
деформация е = 1 42 1290 1087 3.5 41
е = 1.5 47 1450 1210 2.9 37
е = 2.1 47 1600 1300 2.5 29 56 80-100
мации е > 2.1 появляются некристаллографические полосы сдвига, в которых наблюдается СМК-структура с зерном размером около 100 нм и менее (рисунок, б). Наблюдаются более широкие "распушенные" дислокационные границы, чем после РКУ-прессования (рисунок, а), а кристаллы мартенсита имеют более вытянутую форму. Сопоставление электронограмм свидетельствует о последовательном развороте фрагментов кристаллов и формировании зерен с большеугловыми границами при увеличении степени обжатия.
С увеличением степени пластической деформации при прокатке от 0 до 90% (до е = 2.1) происходит увеличение прочностных свойств стали 12Х18Н10Т (с0.2 с 210 до 1300 МПа) и чрезвычайно сильное снижение пластичности (5 с 70 до 2.5% и с 69 до 29%) (см. таблицу). По сравнению с деформацией РКУ-прессованием при одинаковой истинной деформации е = 2.1 достигается одинаковый уровень упрочнения, однако пластичность сильно различается: после РКУ 5 = 27.5%, ¥ = 41%, а после холодной пластической деформации 5 = 2.5%, ¥ = = 29%. Разрушение происходит практически без образования шейки. Более того, после прокатки, начиная с умеренных степеней деформации е > 1, TRIP-эффект отсутствует и относительное удлинение принимает очень низкие значения (5 < 4%). В холоднокатаном материале формируется неоднородная разнозернистая структура(внутри и вне полос сдвига), что также не способствует высоким характеристикам пластичности.
Одна из основных причин более высокой пластичности стали после РКУ-прессования - особый способ интенсивной пластической деформации, задаваемой механикой процесса деформирования. Основанные на сдвиге традиционные методы пластической деформации (прокатка, волочение, ковка, кручение) позволяют достичь достаточно высокой степени деформации за счет многократной обработки, но не обеспечивают, в отличие от РКУ-прессования, однородного распределения параметров напряженного состояния.
Из-за неоднородности состояния ресурс пластичности в значительной степени исчерпывается непосредственно в процессе деформации, вследствие чего материалы, деформированные традиционными методами, обладают довольно низкой пластичностью (малыми значениями 5 и ¥). Кроме того, сформированная после РКУ-прессования разориентированная структура с равноосным субмикрокристаллическим зерном, возможно, будет деформироваться при последующем растяжении с участием зернограничного пр
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.