^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.1 '24'784:539.25'
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ИНВАРНЫХ Ре-№ И Ре-№-С СПЛАВАХ
ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ОСАДКОЙ
© 2015 г. В. М. Надутов*, Д. Л. Ващук*, П. Ю. Волосевич*, В. З. Спусканюк**, А. А. Давиденко**
*Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины 03680 Украина, Киев, бульв. Акад. Вернадского, 36 **Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины 83115 Украина, Донецк, ул. Розы Люксембург, 72 е-та1\:пайу\Штр.к1еу.иа Поступила в редакцию 15.05.2014 г.; в окончательном варианте — 25.03.2015 г.
Методами рентгеноструктурного, металлографического и электронно-микроскопического анализов исследованы особенности изменения размерных и микроструктурных характеристик образцов двух инварных ГЦК-сплавов Бе—35.0% N1—0.49% Мп и Бе—30.9% N1—1.23% С после осадки с логарифмической деформацией е = 0.5 и 1.1. Показано, что закономерности изменения макроскопических размеров образцов, а также параметров элементов структуры, представленные коэффициентами изменения формы после осадки, являются общими для обоих сплавов, хотя имеют отличия. Эти отличия обусловлены присутствием в углеродсодержащем сплаве второй фазы, сосредоточенной преимущественно по границам элементов структуры, которая влияет на изменение размерных и микроструктурных характеристик, а также более высокой плотностью и равномерностью распределения дефектов.
Ключевые слова: инвар, структура, твердость, осадка. БО1: 10.7868/80015323015090120
ВВЕДЕНИЕ
Одним из широко используемых промышленных методов изготовления металлических заготовок и изделий является осадка, теоретические основы и особенности пластической деформации при которой достаточно хорошо изучены на сплавах с ГЦК- и ОЦК-решетками (медь, алюминий, железо [1—4], сталь [5]) как в части изменения формы и размеров образов, так и их микроструктуры.
Несмотря на простоту метода осадки, образец по всему объему деформируется неравномерно [2] (рис. 1). Благодаря поверхностному трению в его приконтактных слоях образуются зоны I, в которых формоизменение минимально. Максимальному деформированию и измельчению структуры подвергается зона II. Степень участия в пластической деформации, а соответственно и структура зоны III, расположенной вдоль боковой поверхности цилиндра, как и в зонах I и II, зависят от величины пластической деформации.
Результаты измерений микротвердости по высоте в центральной части образцов, проведенных, в том числе и в случае наложения ультразвуковых колебаний при осадке, подтверждают неоднород-
ность распределения деформации [6—9]. В работе [10] экспериментально получено немонотонное изменение твердости и величины электросопротивления стали 20 при ступенчатой осадке, обусловленное также неоднородностью деформации в разных зонах.
Вместе с тем изучению особенностей формирования тонкой структуры при подобных видах обработки сплавов на основе железа с ОЦК- и
Рис. 1. Схема распределения по величине накопленных пластических деформаций осадкой по продольному сечению заготовки [2].
ГЦК-решеткой, в том числе и в двухфазных состояниях, уделено значительно меньше внимания. В частности, структура и свойства инварных Fe—Ni сплавов после деформации осадкой не изучены, хотя такая технология для изготовления изделий из них широко применяется. Также отсутствуют данные относительно взаимосвязи формоизменения элементов микроструктуры инварных сплавов после осадки c геометрическими размерами металлических заготовок. Кроме того не изучено, как влияет углерод на особенности структуро-образования в ГЦК Fe—Ni сплавах в процессе осадки.
Исходя из этого, целью настоящей работы было установление закономерностей формирования структуры в инварных сплавах Fe—Ni и Fe—Ni—C после деформации осадкой и выявление корреляции формоизменения ее элементов с геометрическими параметрами заготовок, а также твердостью вдоль высоты слитков, после обжатия до логарифмической деформации е = 0.5 и 1.1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Работа проведена на промышленном инвар-ном сплаве Н36 (ГОСТ 10994-74) - Fe-35.0% Ni— 0.49% Mn, а также лабораторном, легированном углеродом — 1Н31, состав которого приведен в табл. 1.
Образцы для испытаний имели цилиндрическую форму с диаметрами 12.5 и 21 мм при высоте 25 и 30 мм для Н36 и 1Н31 соответственно. Они подвергались в исходном состоянии гомогенизации при 1373 K в силикатном шлаке с выдержкой 30 минут и последующей закалке в воде комнатной температуры. Шлак использовался для предотвращения окисления образца, а также минимизации потерь углерода.
После термообработки (исходное состояние) заготовки деформировались методом осадки, которую осуществляли усилием 1 МН при скорости перемещения ползуна пресса Уп = 2 мм/с. Деформацию при осадке определяли из выражения (1)
Таблица 1. Химический состав сплава 1Н31
e = ln
ho h '
(1)
где к0 и к — высота образца до и после обжатия соответственно.
Структуру и свойства обоих сплавов после обработки осадкой изучали методами рентгенострук-турного, металлографического, электронно-микроскопического анализов и твердости.
Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе "МЕОРНОТ-32" в поперечном (параллельном плоскости контактной поверхности), продольном (по высоте) сечениях средней части образца на шлифах, приготов-
Содержание легирующих элементов, мас. %
Ni C Cr Cu Fe
1Н31 30.9 1.23 <0.003 <0.03 Остаток
ленных механическим и электролитическим способами полировки (травления) с использованием электролита состава: 75 гр. хромового ангидрида, 133 мл ледяной уксусной кислоты и 10—20 мл воды при напряжении 90 В и силе тока 0.5—1.5 А. Этот электролит применялся и в случае приготовления тонких фольг для исследований с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (на приборе "JEM-2000FX"), образцы для которой вырезались из центральной части продольного и поперечного сечений слитков.
Плотность дислокаций в деформированных состояниях сплавов определяли методом сравнительного анализа с общепринятой плотностью дислокаций в мартенсите (1011—1012 см-2.)
Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре "ДРОН-3М" с использованием Со^а-излучения в поперечном сечении образцов по отношению к направлению осадки.
Твердость по Виккерсу при нагрузке 5 кг определялась вдоль высоты образца в плоскости продольного сечения с шагом не менее двух диагоналей отпечатка. Ошибка измерений составляла ±10 HV5.
Оценка распределения элементов структуры (зерен) по размерам ((d)), а также относительного изменения диаметров заготовок кк и km, коэффициентов вытянутости зерен к1 и k{ и коэффициента изменения средних размеров зерен kc после деформации осадкой проводилась с использованием программного обеспечения Image Pro 3.0 (табл. 2).
Относительное изменение диаметров заготовок определяли из соотношений
kk = D и кт = Do, D т Di
(2)
где Б0 — диаметр сечения слитка в исходном состоянии до осадки, Б и Бх — диаметры сечений приповерхностной и средней части деформированных осадкой образцов, соответственно. Коэффициенты вытянутости зерен кх и к{ в продольном сечении в приповерхностной и центральной части образцов оценили из соотношения
к\, к{ =
(dmin) (dmax)
(3)
Таблица 2. Макроскопические и микроскопические характеристики изменения формы заготовок инварных сплавов и их структуры после деформации осадкой
Сплав е Д0, мм Д, мм мм к0, мм к, мм кк/кт кс кх/к;
Н36 1.1 21 34.8 37.9 30 9.8 0.60/0.55 0.77 0.29/0.16
1Н31 0.5 21 24.8 26.8 25.0 15 0.84/0.78 0.91 0.39/0.37
1Н31 1.1 12.5 17.2 20.0 25.0 8 0.72/0.63 0.78 0.29/0.27
где (атЬ) и (атах) — средние минимальные и максимальные размеры зерен. Величина
Кс =
\ /и
(4)
деф
Ь 7
• '
■ ■ * (а) 100мкм
16 12 8 4
О
(д)
(б) 100 мкм
16 12 8 4
О
40 80 120160 200 а, мкм
(е)
50 100 150 200 а, мкм
(ж)
50 100 150 200250 а, мкм
Рис. 2. Структуры образцов сплава Н36 в исходном состоянии (а) и после деформации осадкой до е = 1.1 в поперечном (б, средняя часть) и продольных сечениях приповерхностной части (в) и середины образца (г) с соответствующими гистограммами (д, е, ж, з) распределений зерен по минимальным (О), средним (•) и максимальным ( ) размерам.
определена как соотношение средних размеров зерен на поверхности перпендикулярной направлению осадки в исходном и деформированном состояниях.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ приведенных результатов свидетельствует о том, что изменения макроскопических параметров образцов, выраженных в виде соотношения коэффициентов кк/кт = 0.60/0.55 для сплава Н36, коррелируют с изменением микроскопических коэффициентов кх/к\ = 0.29/0.16, указывая на текстурообразование, степень проявления которого повышается по мере приближения к центральной их части образцов. Подобный эффект наблюдается и в случае сплава 1Н 31 (табл. 2).
Анализ гистограмм распределения элементов структуры (зерен) по размерам, полученных по результатам металлографических исследований деформированного до е = 1.1 сплава Н 36 в поперечном и продольном сечениях с поверхностной и средней частей образца приведены на рис. 2. Они свидетельствуют о том, что на внешней (контактной) поверхности поперечного к направлению осадки сечения образца (зона I, рис. 1) после указанной деформации наблюдается увеличение среднего диаметра зерен относительно исходного состояния на 30% от 50 мкм (рис. 2д) до 65 мкм (рис. 2е) при сохранении их формы, не проявляя признаков преимущественного направления в изменении размеров.
Подобная закономерность наблюдается также в средней части образца (зона II, рис. 1): относительный рост среднего максимального размера зерен примерно в 2 раза (от 52 до 110 мкм) (рис. 2д, з). При этом коэффициент увеличения диаметров образцов (кк/кт) для обоих сплавов изменяется пропорционально деформации (табл. 2). В то же время исследования структуры в продольных сечениях свидетельствуют об удлинении структурных элементов вдоль оси, перпендикулярной высоте образца, усиливающемся по мере продвижения от поверхности приложения нагрузки к
середине образца (табл. 2, к1/К1' = 0.29/0.16 для сплава Н36; для сплава 1Н31 изменения подобные). Характер изменен
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.