научная статья по теме ВЛИЯНИЕ БАРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЮ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ БАРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЮ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 6, с. 627-634

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.15-194.56:539.89

ВЛИЯНИЕ БАРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЮ В СТАЛИ 4Х14Н14В2М

© 2012 г. Л. М. Воронова, М. В. Дегтярев, Т. И. Чащухина

Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 08.09.2011 г.

Исследована эволюция структуры стали 4Х14Н14В2М при деформации под давлением выше и ниже порогового значения инициации барического у— в-превращения. Показано, что протекание фазового превращения при деформации под давлением замедляет измельчение и препятствует формированию однородной субмикрокристаллической структуры. При последующем нагреве в тех областях, где субмикрокристаллическая структура не сформировалась из-за у—в-превращения, низкотемпературная рекристаллизация не развивается.

Ключевые слова: аустенитная сталь, большая деформация, высокое давление, фазовое превращение, рекристаллизация, структура, твердость.

ВВЕДЕНИЕ

Поведение материала при деформации и последующем нагреве связано со стадийным развитием структуры и структурообразующими процессами, например, барическим фазовым превращением, динамическими возвратом и рекристаллизацией, развивающимися в конкретных условиях деформации [1]. Формирование при большой пластической деформации микрокристаллитов — готовых центров рекристаллизации снижает температуру начала рекристаллизации. Статическую рекристаллизацию, которая может протекать при температуре на несколько сотен градусов ниже, чем в умеренно деформированном материале, и не требует термоактивируе-мого зарождения, называют низкотемпературной [2]. Образование при деформации однородной субмикрокристаллической (СМК) структуры, меняя кинетику первичной рекристаллизации на кинетику нормального роста зерна, позволяет сохранить субмикронный размер зерен по завершении первичной рекристаллизации [3]. Если однородная СМК-структура не формируется, например, из-за динамической рекристаллизации, то при последующем нагреве наблюдается опережающий рост отдельных зерен [4] и формирование субмикрозернистой структуры невозможно.

Фазовое превращение, инициируемое высоким давлением или деформацией, является дополнительным эффективным каналом релаксации напряжений. В работе [5] показано, что в

сплаве 12Х18Н10Т, испытывающем такое превращение, после формирования СМК-структуры с увеличением степени деформации твердость и средний размер элементов структуры остаются неизменными, но при этом возрастает доля фазы высокого давления. Удобным материалом для изучения влияния барического превращения на эволюцию структуры может служить сталь 4Х14Н14В2М, обладающая различной фазовой стабильностью в интервале давлений, необходимых для деформации в наковальнях Бриджмена. Данную сталь можно деформировать под давлением как ниже, так и выше границы у—е-перехода.

Целью работы было исследование влияния барического фазового превращения на эволюцию структуры стали 4Х14Н14В2М при деформации и низкотемпературной рекристаллизации при последующем нагреве.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Сталь 4Х14Н14В2М (химический состав приведен в таблице), относящуюся к аустенитным жаропрочным дисперсионно-твердеющим сталям с карбидным упрочнением [6], закаливали от 1200°С в воде, что обеспечило растворение карбидов хрома, и затем деформировали сдвигом под давлением 6 и 10 ГПа с углом поворота наковальни от 15 градусов до 15 оборотов. Распределение деформации определяли, учитывая сдвиговую компоненту и осадку, а также их изменение по радиусу образца [1]. Расчетная степень деформации

Химический состав стали 4Х14Н14В2М

Содержание компонентов, мас. %

с Мп 81 N1 Сг Мо 8 Р Fe

0.48 0.27 0.50 12.7 14.2 0.57 2.5 0.007 0.024 основа

изменялась в интервале 2 < е < 9. Рентгенографическим методом после деформации под давлением 10 ГПа обнаружено около 15% в-фазы, при давлении 6 ГПа в-фаза не фиксируется, что свидетельствует о фазовой стабильности аустенит-ной стали 4Х14Н14В2М в этих условиях. Отжиг стали, деформированной на 1 и 5 оборотов (степень деформации на радиусе 1.5 мм от центра образца е = 5.0—5.4, и е = 6.8—7.2, соответственно), проводили при температуре 600°С, соответствующей низкой скорости распада пересыщенного твердого раствора, с выдержкой от 1 до 64 ч [7]. В недеформированной и умеренно деформированной (е < 1) стали 4Х14Н14В2М при этой температуре карбидообразование и рекристаллизация не наблюдаются [8].

Твердость как после деформации, так и после нагрева измеряли по радиусу образцов на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.5 Н. При построении зависимости твердости от степени деформации ее значения, полученные на разных образцах, усредняли по интервалам логарифмической деформации Ае = 0.4. 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% [9]. Строили гистограммы распределения микрокристаллитов и рекристаллизованных зерен по размерам и анализировали параметры полученных распределений: средний размер (^ср), наиболее вероятный размер (^вер), соответствующий максимуму на кривой распределения, наибольший

6 г

а

Е4

Рис. 1. Изменение твердости при деформации под давлением 6 ГПа (□) и 10 ГПа (■).

размер (^тах) и коэффициент вариации линейных размеров зерен (К — отношение среднеквадратичного отклонения к среднему размеру). Доля ре-кристаллизованной структуры (Ур) определялась планиметрическим методом [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведено изменение твердости стали в ходе деформации. Видно, что на начальных стадиях деформации происходит резкое упрочнение. При деформации с е < 5 давление 10 ГПа обеспечивает более высокую твердость, после больших степеней деформации — выше твердость стали, деформированной при 6 ГПа. При перестройке зависимости в координатах "твердость-корень квадратный из степени деформации" (этот прием позволяет представить параболические стадии упрочнения прямыми с разным углом наклона [10]) обнаруживается перегиб, показывающий начало новой стадии деформации. Степень деформации перегиба составляет е = 4.8 и е = 6.2 при давлении 6 и 10 ГПа, соответственно (границы стадий указаны на рис. 1). В исследованном интервале деформаций установившаяся стадия, характеризуемая неизменной твердостью, не достигается [11].

При давлении 6 ГПа на первой из выделенных стадий наблюдается структура смешанного типа, состоящая из дислокационных ячеек с малоугловыми границами, двойников и микрокристаллитов с высокоугловыми границами, а на второй -СМК-структура, образованная микрокристаллитами с высокоугловыми границами (рис. 2, рис. 3а, б). При давлении 10 ГПа на обеих стадиях наряду со структурой, присущей деформации при более низком давлении, наблюдаются пластины в-фазы (рис. 3в, г). В областях, в которых прошло барическое превращение, СМК-структура не формируется.

Средний размер элементов структуры после деформации зависит от приложенного давления (рис. 4). Это может быть связано с влиянием у—в-сдвигового превращения. Когда деформация стали 4Х14Н14В2М не приводит к образованию в-фазы, удается измельчить микрокристаллиты в среднем до 30 нм. Образование даже небольшого (около 15%) количества фазы высокого давления не позволяет в исследованном интервале деформаций получить структуру со средним размером элементов менее 50 нм (см. рис. 4). Анализ гистограмм распределения элементов структуры по

2

Рис. 2. Микроструктура стали после деформации под давлением 6 ГПа:

а — е = 0.3; б — е = 1.2; в, г — е = 4.5; рис. г и кольцевая дифракция соответствуют области с мелкой структурой на рисунке в; г — темнопольное изображение в рефлексе типа (111)у.

Рис. 3. Микроструктура стали на второй стадии деформации:

а, б — Р = 6 ГПа, е = 6.9; в, г — Р = 10 ГПа, е = 7.7; б, г — темнопольное изображение в рефлексе типа (111)у. ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ том 113 № 6 2012

Рис. 4. Изменение среднего размера элементов структуры при деформации под давлением 6 ГПа (О) и 10 ГШ (•).

размерам показал, что на второй стадии после деформации одинаковой степени при образовании в-фазы максимальный размер мирокристаллитов в 3—4 раза больше, а значения наиболее вероятного размера различаются всего на 30—40%. Сохранение после деформации при 10 ГПа небольшой доли крупных элементов (размером около 1 мкм), обусловливает значительную размерную неоднородность структуры (рис. 5).

40%

20

60%

40

20

0.3 0.6

й, мкм

0.3 0.6

й, мкм

2

4

6

8

е

0

0

Рис. 5. Гистограммы распределения элементов структуры по размерам после деформации под давлением 6 ГПа (а, в) и 10 ГПа (б, г); а, б — е = 5.2; в, г — е = 6.8.

а5 Па 5

3 Ь

0.1 0.2

й, мкм

0.3

Рис. 6. Зависимость твердости стали от среднего размера элементов структуры после деформации под давлением 6 ГПа (О) и 10 ГПа (•).

Таким образом, образование при деформации в-фазы замедляет измельчение элементов структуры и препятствует получению однородной СМК-структуры. Однако, при равных размерах элементов структуры сталь, содержащая в-фазу, имеет более высокую твердость (рис. 6). Сопо-

ставление данных на рис. 4 и 6 позволяет объяснить кажущееся противоречие данных рис. 1: при больших степенях деформации твердость стали не содержащей в-фазу становится выше, чем в присутствии более твердой в-фазы. Это происходит благодаря образованию более дисперсной структуры. Ранее было показано [12], что при характерных размерах элементов структуры менее 100 нм размерный фактор вносит основной вклад в упрочнение материала.

Закономерное влияние в-фазы на изменение структуры при деформации должно проявиться при последующем нагреве. В ходе низкотемпературной рекристаллизации при температуре 600° С в стали, деформированной под давлением 6 ГПа, способными к миграции оказываются только некоторые границы. Возможные причины этого явления связаны с неравномерным закреплением границ атомарным углеро

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»