научная статья по теме ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2010, том 109, № 2, с. 146-153

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.15-194.56:621.785

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРЫ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М

© 2010 г. Л. М. Воронова, М. В. Дегтярев, Т. И. Чащухина

Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Поступила в редакцию 04.06.2009 г.

При 700°С рекристаллизация аустенитной жаропрочной стали 4Х14Н14В2М с субмикрокристаллической структурой протекает в условиях высокой скорости распада пресыщенного твердого раствора. В этом случае повышение равновесности структуры происходит за счет совершенствования границ и формы микрокристаллитов при низкой скорости их роста. Высокая скорость распада пересыщенного твердого раствора обеспечивает выделение карбидов хрома по границам и в тройных стыках зерен, что эффективно тормозит рост зерна на стадии собирательной рекристаллизации. Такая структура в ходе длительного нагрева стали при 700°С остается субмикрозернистой, максимальный размер зерна не превышает 1 мкм. При более низкой температуре нагрева (600°С) способными к росту оказываются только отдельные центры рекристаллизации, карбиды выделяются преимущественно в теле рекристаллизованных зерен и не препятствуют их росту. Еще до завершения первичной рекристаллизации формируются зерна размером несколько микрон, и субмикрозернистое состояние не реализуется.

РАСЯ 81.10.jt, 81.40. —г

Ключевые слова: аустенитная жаропрочная сталь, деформация, высокое давление, рекристаллизация, распад пересыщенного твердого раствора.

ВВЕДЕНИЕ

В чистых металлах термическая стабильность ультрадисперсного структурного состояния определяется типом структуры. Одновременное наличие в структуре как микрокристаллитов с высокоугловыми границами (готовых центров рекристаллизации), так и элементов с малоугловыми границами (дислокационных ячеек и субзерен) приводит к быстрой деградации ультрадисперсного структурного состояния. Напротив, рекристаллизация однородной субмикрокристаллической (СМК) структуры, состоящей только из микрокристаллитов, позволяет сохранить субмикронный размер зерна [1]. В сплавах на термическую стабильность, кроме того, существенное влияние оказывают фазовые превращения, в том числе выделение второй фазы.

В слабодеформированных материалах в температурном интервале, где могут одновременно идти процессы старения и рекристаллизации, ведущая роль принадлежит выделению. Пластическая деформация ускоряет диффузионные процессы, а, следовательно, и выделение частиц, поэтому рекристаллизация возможна или при температурах, близких к границе растворимости, когда распад идет вяло, или на стадии коагуляции частиц [2, 3].

Большая пластическая деформация, приводящая к образованию СМК-структуры, принципиально меняет картину распада пересыщенного твердого раствора. Ведущую роль начинает играть рекристаллизация, определяющая характер распада [4, 5]. Микрокристаллиты представляют собой готовые зародыши рекристаллизации — области с низкой плотностью дислокаций, окруженные высокоугловой границей. В этом случае образование рекристаллизованных зерен (первичная рекристаллизация) при отжиге не связано с возникновением новых границ, а происходит путем перестройки неравновесных границ микрокристаллитов в равновесные границы зерен [6]. Такая рекристаллизация может протекать при температуре на несколько сотен градусов ниже, чем в умеренно деформированном материале, и не требует для своего начала инкубационного периода [7]. Высокая термическая стабильность СМК-структу-ры в чистых металлах связана с ее уникальным свойством: увеличение размеров зерна на стадии первичной рекристаллизации происходит по кинетике нормального роста: d ~ ?1/2. В сплавах для обеспечения термической стабильности СМК-структуры необходимо также равномерное распределение примесей и однородных по размеру частиц по границам зерен [1, 8].

Таблица 1. Химический состав стали 4Х14Н14В2М

С Мп Сг N1 W Мо

0.4—0.5 <0.7 13—15 13—15 2—2.75 0.25—0.4

Рекристаллизация сплава с СМК-структурой в интервале температур дисперсионного твердения приводит к образованию субмикрозерни-стой структуры типа "микродуплекс", характеризующейся высоким комплексом механических свойств и термической стабильностью. Считается, что для образования такой структуры необходима опережающая роль рекристаллизации в комплексной реакции распад-рекристаллизация [5]. Возможность получения структуры типа "микродуплекс" в аустенитных жаропрочных сталях с карбидным упрочнением при комплексной реакции, когда оба процесса идут одновременно, показана в работе [4]. Снижение температуры нагрева может изменить соотношение скоростей процессов распада и рекристаллизации. Целью настоящей работы было исследование кинетики рекристаллизации стали 4Х14Н14В2М с СМК-структурой как при температуре высокой скорости распада (700°С), так и при более низкой температуре.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Из всей группы аустенитных жаропрочных сталей с карбидным упрочнением наиболее простое легирование имеет сталь 4Х14Н14В2М, ее химический состав приведен в табл. 1. Стали этого класса приобретают упрочнение в результате выделения из твердого раствора карбидов типа Ме23С6 на основе хрома. Это карбид переменного состава, в котором в широком интервале концентраций растворены железо, никель, вольфрам и молибден [9].

Аустенитную сталь 4Х14Н14В2М закаливали от 1200°С в воде, что обеспечило растворение карбидов хрома, и затем деформировали сдвигом под давлением 6 ГПа, недостаточным для образования б-фазы [10]. В этой стали для получения однородной СМК-структуры необходима деформация е > 4.8 [10]. Поэтому деформацию осуществляли поворотом наковальни на 1 и 5 оборотов. Степень деформации на радиусе 1.5 мм от центра образца составила е = 5.2 ± 0.2, и е = 7.5 ± 0.2, что соответствует началу стадии СМК-структуры (в дальнейшем СМК-1-структура) и глубине этой стадии (в дальнейшем СМК-2-структура). При расчете степени деформации учитывали сдвиговую компоненту и осадку, а также их изменение по радиусу образца [10]. Средний размер микрокристаллитов после деформации составлял 40 и 30 нм в СМК-1- и СМК-2-структуре соответственно (табл. 2).

Нагрев деформированной стали проводили при температурах 600 и 700°С, обеспечивающих низкую и высокую скорость распада пересыщенного твердого раствора, соответственно. До 600°С включительно в недеформированной и умеренно деформированной (е < 1) стали 4Х14Н14В2М не наблюдается развития процессов карбидообра-зования и рекристаллизации. В работе [4] было показано, что в недеформированной стали при 700°С выделение карбидов Сг23С6 начинается после выдержки 30 ч. Небольшая деформация е = 0.7 уменьшает время достижения максимума дисперсионного твердения до 15 мин. Однако температура 700°С недостаточна для начала рекристаллизации после такой деформации. Увеличение степени деформации до е = 2.7 привело к тому, что при 700°С первые зародыши рекристаллизации появились после 4 ч, а первые рекристаллизован-ные зерна — после 16 ч выдержки. После деформации сдвигом под давлением с е = 7 рекристаллизация при этой температуре начинается без инкубационного периода. Начало рекристаллизации

Таблица 2. Параметры распределения элементов СМК-структуры по размерам стали 4Х14Н14В2М после деформации и отжига при 600°С

е = 5.2 е = 7.5

Исходное состояние ¿ср ¿вер ¿тах ¿1 ¿2 Ур, % К ^ср ¿вер ¿тах ¿1 ¿2 Ур, % К

0.04 0.02 0.27 - - - - 0.03 0.01 0.12 - - - -

Время 16 0.04 0.02 0.36 0.03 0.09 - 0.7 0.04 0.02 0.45 0.03 0.17 3 1

отжига, ч

64 0.06 0.03 2.16 0.04 0.72 37 2.8 0.08 0.01 3.00 0.03 0.83 26 3.1

Рис. 1. Микроструктура стали 4Х14Н14В2М после деформации е = 5.2 и нагрева при 600°С, (б — темнопольное изображение в рефлексе (044)Сг с ).

смещается к 600°С, тогда первые центры рекристаллизации появляются после 16 ч выдержки.

Твердость как после деформации, так и после нагрева измеряли по радиусу образцов на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.5 Н. Погрешность измерений с учетом повторяемости результатов на разных образцах, деформированных с одной степенью, не превышала 7%. Структуру исследовали на электронном микроскопе JEM-200CX. Размер элементов структуры рассчитывали по результатам более 200 измерений с погрешностью менее 10% [11]. Строили гистограммы распределения микрокристаллитов и рекристаллизованных зерен по размерам и анализировали параметры полученных распределений: средний размер dср, наиболее вероятный размер dвер, соответствующий максимуму на кривой распределения, наибольший размер dmax и коэффициент вариации линейных размеров зерен (К — отношение среднеквадратичного отклонения к среднему размеру). Для определения доли рекристаллизованной структуры (Ур) и обьемной доли карбидных частиц (/) использовали планиметрический метод [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нагрев при 600°С исследованной стали с СМК-1- и СМК-2-структурой показал, что при этой температуре происходит постепенное совершенствование границ и формы микрокристаллитов, и на фоне этого процесса наблюдается аномальный рост отдельных центров рекристаллизации. Выдержка в течение 16 ч привела к появлению рекристаллизованных зерен, содержащих двойники отжига (см. рис. 1а). Размер этих зерен достигает 0.35—0.45 мкм, что на порядок превышает средний

размер микрокристаллитов после деформации (табл. 2). Увеличение времени выдержки до 64 ч недостаточно для завершения рекристаллизации при этой температуре: доля рекристаллизованной структуры (Ур) составляет около 30% (табл. 2). Структура характеризуется сильной разнозерни-стостью (рис. 2а, 2б). Отдельные крупные (до 3 мкм) рекристаллизованные зерна образуют на гистограммах распределения элементов структуры по размерам длинные "хвосты" (рис. 2в), которые увеличиваются с увеличением времени выдержки и степени деформации. Из табл. 2 видно, что рост dmax происходит при неизменном размере dвер (вероятный размер — тот размер, который имеет наибольшее количество элементов структуры), таким образом, увеличение среднего размера элементов структуры происходит за счет роста отдель

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.

Показать целиком