ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 4, с. 431-441
СТРУКТУРА, ^^^^^^^^
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.141.24:669.15'26-194
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ГОРЯЧЕЙ ПАКЕТНОЙ ПРОКАТКИ
© 2014 г. Т. И. Табатчикова*, И. Л. Яковлева*, А. И. Плохих**, С. Ю. Дельгадо Рейна*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
**МГТУим. Баумана e-mail: phym@imp.uran.ru Поступила в редакцию 22.08.2013 г.; в окончательном варианте — 08.10.2013 г.
Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследована структура многослойного металлического материала, полученного по технологии горячей пакетной прокатки из композитной заготовки на основе листов сталей 08Х18 и 08Х18Н10. Установлено, что проведение двух технологических циклов завершается формированием ламинарного строения, которое характеризуется структурной и химической неоднородностью, возникающей вследствие диффузионных и релаксационных процессов. Показано, что при пакетной прокатке формируется ультрадисперсная структура, которая представляет собой смесь вытянутых вдоль направления прокатки слоев феррита и слоев пакетного мартенсита или бескарбидного бейнита, имеющего субзеренное строение.
Ключевые слова: пакетная прокатка, композит, многослойный материал, ультрадисперсная структура, механические свойства.
DOI: 10.7868/S0015323014040159
Создание субмикро- и нанокристаллической структуры в многослойных металлических материалах листового сортамента позволяет существенно повысить ресурс деталей и конструкций, работающих в условиях высоких температурно-силовых нагрузок, а также низких климатических температур при экономии дорогостоящих легирующих элементов [1—3]. Измельчение структурных элементов в металлических прослойках до субмикрокристаллического уровня за счет проведения интенсивной пластической деформации приводит к повышению прочностных свойств слоистых композитов при сохранении достаточного ресурса пластичности и трещиностойкости.
Практический интерес к созданию многослойных материалов (МСМ) связан с возможностью получения высокого комплекса физико-механических свойств, принципиально отличных от свойств его отдельных составляющих. При этом определяющее влияние на механические свойства данных материалов, наряду с прочностью межслойных границ, оказывает структура, сформированная в слоях композита.
Одним из способов измельчения зеренной структуры с помощью интенсивной пластической деформации является аккумулирующая прокатка с соединением (ЛЯБ-метод). Этот ме-
тод, по мнению авторов [4—6], позволяет получить ультрамелкозернистую (и даже нанокри-сталлическую) структуру в алюминиевых и медных сплавах, а также в углеродистой стали типа IF (Interstitial free steel), применяемой в автомобильной промышленности. Такая обработка при температурах 500 и 600°С приводит к получению структуры, состоящей из зерен и субзерен размером 0.5—1.5 мкм, являющихся результатом динамической рекристаллизации и динамической по-лигонизации [5, 6].
Иным подходом в решении задачи получения наноструктуры с применением технологии многопроходной пакетной прокатки является использование в качестве составляющих исходной композиции пары взаимно нерастворимых металлов, что позволяет получать методом холодной прокатки с чередующимися промежуточными отжигами МСМ с толщинами слоев не более 10 нм. Однако попытки получить многослойный материал прокаткой композиции, прошедшей компактирование и состоящей только из изоморфных слоев железа, приводит к формированию монозаготовки без видимых признаков ламинарной структуры [7].
Получение субмикро- и наноразмерной ламинарной многослойной структуры в заготовке, со-
Таблица 1. Химический состав исследуемых сталей
Содержание легирующих элементов, мас. %
Сплав С Мп Сг N1 Мо Т1 А1 V 8 Р Си
не более
08Х18Н10 0.02 0.52 1.74 18.6 8.15 0.30 0.05 0.05 0.08 0.002 0.036 0.3
08Х18 0.05 0.34 0.24 16.2 0.09 0.05 0.05 0.05 0.03 0.003 0.02 0.6
зданнои на основе одного металла, возможно в том случае, если в исходной композиции участвуют сплавы, имеющие различное кристаллическое строение, например, ОЦК- и ГЦК-решетки, либо имеющие такое строение в температурных интервалах горячей деформации [8]. Авторы считают, что одним из важнейших условий, позволяющим наследовать исходное ламинарное строение заготовки от одного технологического цикла к другому, является предотвращение фазовой и структурной перекристаллизации на межслойных границах. В отличие от традиционных многослойных материалов (би- и триметаллов), в которых образование общих зерен на границах раздела приветствуется, в материалах с истинно ламинарной структурой это является недопустимым. В статье [8] указано, что нарушение регулярного расположения слоев, вследствие исчезновения высокоугловой разориентировки между ними, в том числе из-за межслойной диффузии легирующих элементов, делает невозможным постепенное утонение слоев деформацией прокатки.
Целью настоящей работы являлось исследование особенностей структурного строения МСМ,
прошедшего два полных технологических цикла пакетной прокатки и изначально представляющего собой композитную заготовку с чередующимися слоями сталей с различными решетками, а именно ферритной стали 08Х18 и аустенитной 08Х18Н10, отличающихся по содержанию никеля. При этом имелось в виду, что структурные превращения при горячей прокатке в таком многослойном материале могут быть связаны не только с процессами динамической рекристаллизации, но и с межслойной диффузией никеля.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для проведения многопроходной прокатки был сформирован пакет, состоящий из 100 чередующихся между собой листов сталей 08Х18 и 08Х18Н10 (по 50 листов каждой) толщиной 0.5 мм. Фактическое содержание легирующих элементов в сталях 08Х18Н10 и 08Х18 приведено в табл. 1.
Схема технологического процесса получения многослойных материалов изображена на рис. 1. Перед прокаткой проводили мерную резку заготовок из листов, обработку их поверхности, сборку нарезанных листов в пакет, вакууммирование
Подготовка заготовок
Формирование многослойного пакета
Горячая прокатка
Резка листа
Материал А
N циклов
Рис. 1. Схема технологического процесса получения многослойных материалов.
Рис. 2. Микроструктура слоистого образца:
а — оптическая микроскопия; б — сканирующая электронная микроскопия.
пакета, нагрев в печи до температуры 1000°С и последующее пластическое деформирование методом горячей прокатки.
В результате реализации двух полных технологических циклов были получены листы толщиной 2 мм. Из них в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, были вырезаны образцы для исследования структуры.
Микроструктуру прокатанных образцов исследовали методами металлографического анализа, а также методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Металлографические исследования проводили на микроскопе "Neophot-30". Травление осуществляли электролитически в 10%-ном водном растворе хромового ангидрида Cr2O3, а затем в 4%-ном спиртовом растворе HNO3. Шлифы были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопах "Quanta 200" и "TESKAN VEGA II XMU" с осуществлением локального микроанализа. Уточнение типа структурных составляющих и анализ их морфологии проводили на просвечивающем микроскопе JEM-200СХ с использованием темнопольного и микродифракционного анализа. Фольгу для исследований вырезали параллельно плоскости прокатки, т.е. параллельно слоям, имеющимся в образце.
Механические свойства были определены на испытательной разрывной машине типа ИР 5047-50 мощностью 50 кН. Плоские образцы (без головок) толщиной 2, шириной 10 и длиной рабочей части 100 мм вырезали из центральной части листа в направлении, совпадающем с направлением прокатки.
Испытания по определению ударной вязкости были проведены в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах типа № 14 размером 2 х 8 х 55 мм с V-об-разным концентратором, с помощью маятникового копра типа ИО 5003-0.3. Образцы были изготовлены из горячекатаной полосы толщиной 10 мм, полученной в процессе первого и второго техноло-
гических циклов изготовления многослойного материала.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Микроструктура многослойного образца, полученная при исследовании методом оптической микроскопии, показана на рис. 2. В результате проведения двух полных циклов в листах толщиной 2 мм, сформировалась разнотолщинная ламинарная структура со средней толщиной слоя около 1—5 мкм, с общим числом слоев около 2000 шт.
Исследование методами оптической и сканирующей электронной микроскопии показало, что структура всего образца имеет сложное строение — на фоне однородно травящейся матрицы видны островки светлой фазы, вытянутые параллельно плоскости прокатки. Присутствуют полосы с повышенной травимостью, которая связана с появлением так называемых ямок травления (указаны А на рис. 2а, 2б).
Поскольку содержание углерода и хрома в обеих сталях приблизительно одинаково, то превращения, происходящие при горячей пластической деформации в исследуемом многослойном материале, несомненно, связаны с явлениями диффузии никеля из аустенитной стали в ферритную. На основании диаграммы Шеффлера [9] можно предполагать, что уменьшение содержания никеля в стали 08Х18Н10 должно способствовать развитию мартенситного превращения. В ферритной стали 08Х18 при высокотемпературном насыщении никелем может появиться аустенит, в котором при охлаждении может произойти у ^ а-превращение [9, 10].
Исследования методом сканирующей микроскопии при большем увеличении позволили определить особенности структуры и химический состав различных слоев. На рис. 3а слева показана узкая полоса с ямками травления. Локальный химиче-
Рис. 3. Вид поверхности шлифа при исследовании методом кального микроанализа в вес. %.
ский анализ в точке 1, соответствующей полосе с ямками травления, свидетельствует о высоком содержании никеля — 7.83 вес. %. Поскольку в исходном состоянии содержание никеля в стали 08Х18Н10 составляло 8.15 в
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.