ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2011, том 112, № 5, с. 521-528
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 539.4.015.1
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПОКРЫТИЯХ С АЗОТИСТОЙ АУСТЕНИТНОЙ МАТРИЦЕЙ И СТРУКТУРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИХ РЕЛАКСАЦИИ
© 2011 г. Н. А. Наркевич*, Е. А. Иванова**, Ю. П. Миронов*, А. И. Смирнов***,
В. Г. Дураков*, Д. Н. Тагильцева**
*Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, пр. Академический, 2/4 **Томский политехнический университет, 634050 Томск, пр. Ленина, 30 ***Новосибирский государственный технический университет, 630092 Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Поступила в редакцию 12.04.2011 г.
Исследована структура, характер распределения упругих микродеформаций, связанных с действием напряжений I и II рода в азотистых аустенитных покрытиях, полученных электронно-лучевой наплавкой, а также механизмы релаксации остаточных напряжений в системе подложка—покрытие. Напряженное состояние характеризуется изменением знака по толщине покрытия. Анализ экспериментальных данных показывает, что в результате релаксации остаточных напряжений формируется структура с повышенной плотностью дислокаций. Основным механизмом релаксации остаточных напряжений в наплавленных покрытиях является микродвойникование, а также у ^ в-превращение.
Ключевые слова: азотистое покрытие, осточные микронапряжения, релаксация.
Безникелевые нержавеющие азотсодержащие стали обладают благоприятным сочетанием высоких механических, коррозионных и трибологиче-ских свойств [1—3]. В связи с этим в последние годы активно разрабатываются наплавочные материалы, композиционные покрытия с матрицей, легированной азотом, и способы их нанесения. Авторами [4] методами "высокоскоростного" и плазменного напыления получено и исследовано коррозионно-стойкое покрытие 04Х22Н16АМ3Г6, содержащее 0.4% мас. азота. Наряду с высокой коррозионной стойкостью, азотистое покрытие отличается повышенными микротвердостью и деформационным упрочнением. Дуговой наплавкой сплавов 140Х15Н2АТ 50Х25Н4АГ9М4Б и 10Х17АГ14, содержащих азот 0.3—0.42 мас. %, с применением защитно-легирующей среды азота были получены покрытия с повышенными твердостью, пределом прочности и ударной вязкостью по сравнению с покрытиями, нелегированными азотом [5]. Авторы работы полагают, что повышение износостойкости при таком способе формирования азотистых покрытий достигается благодаря увеличению массовой доли нитридов и карбонитридов, а также за счет благоприятной направленности кристаллитов покрытия. Известен ряд работ [6—9], посвященных разработке и исследованию композиционных дисперсно-упрочненных покрытий с азотистой матрицей, которые формируются на поверхности углеродистых сталей электронно-лучевой наплавкой. Применение источника нагрева с высокой концен-
трацией вводимой энергии, каким является электронный пучок, позволяет при использовании порошковых композиционных наплавочных материалов получать покрытия с высокой объемной долей упрочняющей фазы: карбонитридов титана И(С,М) [6], карбонитридов ванадия У(С^) [7, 9]. При этом значительные температурные и концентрационные градиенты в системе подложка—покрытие приводят к охлаждению поверхностных и внутренних слоев покрытия, а также подложки с разной скоростью. В результате часто покрытия, полученные на лабораторных образцах, обладающие высокими эксплуатационными свойствами, не могут использоваться для упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов вследствие того, что покрытие растрескивается, отслаивается, либо наплавляемое изделие изменяет свою форму и размеры настолько, что эксплуатироваться уже не может. В связи с этим особое значение приобретает разработка таких наплавочных материалов, которые в процессе наплавки, кристаллизации и охлаждения способны релаксировать возникающие остаточные напряжения за счет изменения своей структуры без разрушения покрытия и формоизменения наплавляемого изделия. Применение в качестве основы для таких покрытий азотистого аустенита весьма перспективно. Азотистый аустенит имеет низкую энергию дефекта упаковки, вследствие чего обладает высоким деформационным упрочнением, под действием внешних напряжений нестабилен к мартенситному превращению.
2
1
Подложка-
Направление первичного
Направление перемещения образца в объектодержателе
Поверхность образца Покрытие
Поверхность образца
рентгеновского луча _/
К К
Рис. 1. Схема расположения поверхности исследуемого образца относительно рентгеновского пучка при послойном определении упругих микродеформаций кристаллической решетки (положения 1, 2, 3, 4).
4
В настоящей работе поставлена задача по исследованию структуры, остаточных напряжений и механизмов их релаксации в покрытии на основе азотистого аустенита, полученного электронно-лучевой наплавкой.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для получения азотистого покрытия электронно-лучевой наплавкой использовали порошок азотистой стали 60Х24АГ16. Порошок получали механическим дроблением стружки после старения при 700°С в течение 3-х ч. Порошок просеивали и отбирали для наплавки фракцию с размерами частиц 250—400 мкм, обладающую хорошей сыпучестью. Электронно-лучевую наплавку проводили на установке ЭЛУ-5 на жестко закрепленные в оправке пластины из стали 65Г шириной 20 мм, длиной 100 мм и толщиной 8 мм. Процесс наплавки осуществляли следующим образом. Электронный пучок разворачивали в две линии. Первая линия образует на поверхности подложки жидкометалличе-скую ванну, в которую через дозатор со скоростью 7—10 г/мин подается наплавочный порошок. Вторая линия переплавляет его, захватывая подложку. Покрытие толщиной 2—3 мм формировали за несколько проходов, каждый из которых формирует слой в ~0.5 мм. Ток электронного пучка изменялся в пределах 0.02—0.04 А, при скорости перемещения наплавляемой подложки относительно электронного пучка 3 мм/c. Химический анализ полученных покрытий проводили методом электронной оже-спектроскопии.
Структуру покрытия исследовали на металлографическом микроскопе Axiovert-25CA и просвечивающем электронном микроскопе FEI Tecnai 20 G2 TWIN с ускоряющим напряжением 200 кВ. Фазовый анализ и определение упругих микродеформаций проводили на дифрактометре ДРОН-4М с ис-
пользованием Co—^"„-излучения методом асимметричных съемок [10]. Исследуемые образцы располагали относительно рентгеновского излучения по схеме, приведенной на рис. 1.
Съемку проводили без вращения на образцах, вырезанных электроискровым способом, размерами 15 х 15 х 13 мм. Такие размеры позволили перемещать образец в объектодержателе дифрактометра относительно рентгеновского излучения и проводить послойные последовательные съемки, определять величину и направление микродеформаций кристаллических решеток, обусловленных действием остаточных напряжений в покрытии, в зоне сплавления и подложке. Микродеформации решетки аустенита определяли экстраполированием зависимости = /(sin2y) до значений sin2y = 1 и sin2y = 0, что позволило описать плосконапряженное состояние, характеризующееся действием проекций остаточных напряжений — стх (в плоскости шлифа и перпендикулярно поверхности подложки, то есть при у = 90°) и ст^ (перпендикулярно плоскости шлифа и параллельно поверхности подложки, т.е. при у = 0°), рис. 1. Параметры решетки аустенита определяли экстраполированием зависимости а = /(cos2©) до значений cos2© = 0.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электронно-лучевая наплавка азотистых покрытий на подложку обеспечивает особые условия его кристаллизации и охлаждения, отличающиеся от известных режимов термической обработки стареющих сталей: закалки или закалки с последующим старением. Во-первых, вследствие температурного градиента в подложке и покрытии создаются условия для направленного роста зерен из жидкой фазы. Во-вторых, высокая скорость нагрева до температур выше ликвидуса в вакууме в сочетании со скоростью
Рис. 2. Структура литой стали 60Х24АГ16 после старения при 700°С в течение 3-х ч (а) и покрытия, наплавленного порошком этой стали (б).
охлаждения 103—107 К/с в зависимости от технологических особенностей [11, 12], предопределяют изменение химического, фазового состава материала покрытия с формированием в нем остаточных напряжений I и II рода. Согласно данным оже-спек-троскопии, химический состав азотистого покрытия, наплавленного порошком 60Х24АГ16, практически не изменился (табл. 1).
Наблюдается незначительное увеличение параметра решетки аустенита, являющееся следствием растворения частиц Сг2М в легированном аустените и перехода азота в твердый раствор (рис. 2) что свидетельствует об охлаждении с высокой скоростью, обеспечивающем закалку. Быстрое охлаждение наплавляемого покрытия с теплоотводом в подложку предотвращает прерывистый распад азотистого аустенита. В структуре покрытия, как и в наплавочном материале, наблюдается значительное количество карбидов хрома (Сг^е)7С3, расположенных на границах зерен.
Металлографические исследования структуры образцов показали, что в отдельных, вероятно, в наиболее благоприятно ориентированных зернах аустенита и их агломератах наблюдаются множество линий, пересекающихся под углом ~54°, рис. 2б. Такой контраст интерпретирован нами как двойнико-вание, являющееся одним из основных механизмов деформации сплавов с низкой энергией дефекта упаковки. Пересекающиеся двойники деформации наблюдаются во всем объеме покрытия и выявились только в результате многократного, достаточно длительного травления царской водкой, что исключает возможность интерпретирования изображения структуры как подвергшейся распаду с выделением пластин Сг^. Как показано в [13], наблюдаемое множественное двойникование указывает на импульсный, высокоскоростной характер термопластической деформации в материалах, обработанных
концентрированными потоками энергии, и является одним из механизмов релаксации остаточных напряжений, по величине превосходящих предел текучести.
Покрытие, соединенное с подложкой, находится в напряженном состоянии, в котором величина и направление остаточных напряжений уравновешиваются во всем объеме образца. Формирование остаточных напряжений обусловлено взаимным
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.