ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 2, с. 287-289
УДК 669.15-194.56:539.89:539.25'26
ФОРМИРОВАНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ, УСТОЙЧИВОЙ К ФАЗОВОМУ ПРЕВРАЩЕНИЮ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
© 2007 г. Т. И. Чащухина, М. В. Дегтярев, Л. М. Воронова
Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург E-mail: highpress@imp.uran.ru
Показано влияние сдвигового у-е-превращения на твердость, размер элементов структуры и переход на стадию субмикрокристаллической структуры при деформации аустенитной стали 4Х14Й14В2М, фазовая стабильность которой зависит от величины приложенного давления.
Фазовое превращение, инициируемое высоким давлением, влияет на формирование структуры аустенитной стали 12Х18Н10Т при деформации. Увеличение степени деформации на стадии субмикрокристаллической (СМК) структуры приводит к возрастанию доли фазы высокого давления, а твердость и средний размер элементов структуры остаются неизменными [1]. Цель настоящей работы - исследовать стадийность изменения структуры при деформации стали 4Х14Н14В2М, проявляющей существенно более высокую фазовую стабильность под высоким давлением.
Образцы стали 4Х14Н14В2М диаметром 5 мм и толщиной 0.3 мм деформировали сдвигом под давлением 6 и 10 ГПа. Угол поворота наковальни изменяли от 1/24 до 10 оборотов. Распределение деформации определяли, учитывая сдвиговую компоненту и осадку, а также из изменение по радиусу образца. Степень деформации рассчитывали по формуле
9 1/2
е = ln ( 1 + [ф r/ hirf ) +ln ( h0/hir), (1)
где ф - угол поворота наковальни, r t - расстояние от оси вращения, h0 и hir - толщина образца до и после деформации на соответствующем r t. Толщину образца измеряли по двум взаимно перпендикулярным диаметрам через 0.5 мм. Значения толщины получали как средние по четырем измерениям. Твердость измеряли по двум диаметрам через 0.25 мм и так же рассчитывали среднее значение для каждого rt. Погрешность определения твердости, связанная с измерениями на разных образцах при одинаковой расчетной степени деформации, не превышала 7%. При построении зависимости твердости ее значения, полученные на разных образцах, усредняли по интервалам деформации Ае. Структуру исследовали методом электронной микроскопии. Расстояние от центра образца до области исследования структуры оценивали с точностью ±0.2 мм. Размеры элементов структуры опре-
деляли на темнопольных изображениях в рефлексе типа (111), по результатам более четырехсот измерений с погрешностью менее 10%.
После деформации под давлением 6 ГПа е-фаза не обнаружена, что свидетельствует о фазовой стабильности аустенитной стали 4Х14Н14В2М в этих условиях. Повышение давления до 10 ГПа привело к образованию е-фазы в количестве около 15%. Это позволило оценить влияние барического фазового превращения на формирование СМК-структуры.
Твердость стали резко увеличивается после малой деформации (рис. 1а). До е = 5 давление 10 ГПа обеспечивает более высокую твердость, при дальнейшей деформации, наоборот, выше твердость стали, деформированной при 6 ГПа. Отчетливых перегибов в области больших деформаций не наблюдали. При перестройке зависимости в координатах твердость - корень квадратный из степени деформации (этот прием позволяет представить параболические стадии упрочнения прямыми с разными углами наклона [2]) появился перегиб, показывающий начало новой стадии деформации (рис. 16, в). Степень деформации перегиба е = 4.8 и е = 6.2 при давлении 6 и 10 ГПа соответственно. Увеличение деформации приводит к росту твердости.
На первой из выделенных стадий формируется структура смешанного типа, образованная деформационными двойниками, дислокационными ячейками и микрокристаллитами с высокоугловыми границами (рис. 2а). На второй стадии структура состоит из микрокристаллитов (рис. 26). Механизм формирования структуры при деформации связан с энергией дефекта упаковки (ЭДУ). Высокое значение ЭДУ приводит к развитию ячеистой дислокационной субструктуры, а низкое - к двой-никованию [3]. Одновременное образование ячеистой и двойникованной структур наблюдают при промежуточных значениях ЭдУ.
288
ЧАЩУХИНА и др.
Рис. 1. Твердость стали 4Х14Н14В2М (а) и выявление стадий при большой деформации под давлением 6 (б) и 10 ГПа (в); □ - 6 ГПа; ■ - 10 ГПа.
Средний размер элементов структуры, формирующихся при деформации, зависит от приложенного давления (рис. 3). Это может быть связано со сдвиговым у-е-превращением. Когда деформация стали 4Х14Н14В2М не приводит к образованию е-фазы, удается измельчить микрокристаллиты в
Рис. 2. Микроструктура стали 4Х14Н14В2М после деформации: а - на стадии смешанной структуры (е = = 2.3); б - на стадии СМК-структуры (е = 7.7).
среднем до 0.03 мкм. Образование даже небольшого (порядка 15%) количества фазы высокого давления не позволяет в исследованном интервале деформаций получить средний размер элементов структуры менее 0.05 мкм (рис. 3).
Анализ гистограмм распределения элементов структуры по размерам показал, что деформация под давлением 10 ГПа приводит к меньшему измельчению элементов структуры по сравнению с деформацией под давлением 6 ГПа. На стадии СМК-структуры после деформации одинаковой степени сильно (в 3-4 раза) различаются наибольшие размеры мирокристаллитов, значения наиболее вероятного размера различаются в меньшей степени (на 30-40%). Сохранение после деформации при 10 ГПа небольшой доли крупных элементов (порядка 1 мкм), обусловливает значительную размерную неоднородность структуры.
Таким образом, при деформации аустенитной стали на стадии СМК-структуры реализуется один из двух возможных механизмов релаксации - сдвиговое фазовое превращение или измельчение элементов структуры.
Стабилизацию размера элементов структуры в исследованном интервале деформаций под давлением 6 и 10 ГПа не обнаружили. При 6 ГПа коэффициент измельчения на стадиях смешанной и СМК-структуры составляет 0.07 и 0.01 мкм на единицу логарифмической деформации соответственно. При 10 ГПа средний коэффициент измельчения составил 0.025 мкм на единицу логарифмической деформации.
Для каждой из стадий получены зависимости твердости от размера элементов структуры (таблица). Для деформации под давлением 10 ГПа на стадии СМК-структуры зависимость получить не удалось. При одинаковом размере элементов структуры присутствие е-фазы приводит к более высокой твердости. Это различие возрастает с измельчением элементов структуры. Значение Н0 = = 1.7 ГПа, полученное для стадии СМК-структуры,
d, мкм
Рис. 3. Изменение среднего размера элементов структуры при деформации под давлением; О - 6 ГПа; • -10 ГПа.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 2 2007
ФОРМИРОВАНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОИ СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТНОИ СТАЛИ
соответствует твердости отожженной крупнокристаллической стали. Интересно отметить, что такое же значение твердости дает экстраполяция до е = 0 зависимости Н от е05 на рис. 16.
ВЫВОДЫ
1. При большой деформации аустенитной стали 4Х14Н14В2М, сохраняющей фазовую стабильность под давлением 6 ГПа, выявлена смена стадий структурных состояний. При деформации с е < 4.8 формируется структура смешанного типа, состоящая из двойников, дислокационных ячеек с малоугловыми границами и микрокристаллитов с высокоугловыми границами. На следующей стадии (е > 4.8) микроструктура образована микрокристаллитами наномасштабного размера.
2. Повышение давления от 6 до 10 ГПа при деформации стали 4Х14Н14В2М приводит к развитию сдвигового у-е-превращения. Образование е-фазы замедляет измельчение элементов структуры и достижение стадии однородной СМК-структуры. При равных размерах элементов структуры сталь, содержащая е-фазу, имеет более высокую твердость.
3. Смена стадий сопровождается изменением параметров зависимости, связывающей твердость с размером элементов структуры. При деформа-
289
Зависимость твердости (Н стали 4Х14Н14В2М от размера элементов структуры (й) при деформации под давлением
Давление, Тип структуры
ГПа смешанная СМК
6 H = 3.6 + 1.3d H = 1.7 + 2d-°'5
10 H = 3.9 + 1.4d-°'5 -
ции e < 8.5 стадия установившейся деформации не достигнута.
Работа выполнена при поддержке грантов научных школ НШ-778.2003.3, гранта РФФИ 04-0396132. Электронно-микроскопическое исследование выполнено в ЦКПЭМ ИФМ УрО РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пацелов A.M., Дегтярев М.В., Пилюгин В.П. и др. // ФММ. 2004. Т. 98. № 2. С. 100.
2. Трефилов ВИ, Моисеев В.Ф, Печковский Э.П. и др. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наук. думка, 1987. 248 с.
3. Смирнова H.A., Левит ВИ, Пилюгин В.П. и др. // ФММ. 1986. Т. 61. № 6. С. 1170.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 2 2007
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.