научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДОМИНИРУЮЩЕГО СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕГО ПРОЦЕССА ПРИ БОЛЬШОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НА ПАРАМЕТРЫ УРАВНЕНИЯ ХОЛЛА–ПЕТЧА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДОМИНИРУЮЩЕГО СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕГО ПРОЦЕССА ПРИ БОЛЬШОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НА ПАРАМЕТРЫ УРАВНЕНИЯ ХОЛЛА–ПЕТЧА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 5, с. 748-750

УДК 539.53.669.14.018.29

ВЛИЯНИЕ ДОМИНИРУЮЩЕГО СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕГО ПРОЦЕССА ПРИ БОЛЬШОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НА ПАРАМЕТРЫ УРАВНЕНИЯ ХОЛЛА-ПЕТЧА

© 2007 г. Т. И. Чащухина, М. В. Дегтярев, Л. М. Воронова

Институт физики металлов УрО РАИ, Екатеринбург E-mail: highpress@imp.uran.ru

Показано, что параметры уравнения Холла-Петча для ультрадисперсных структур, образованных при большой деформации, определяются структурообразующим процессом, реализующимся в данном материале в конкретных условиях деформации.

Структурообразующие процессы, определяющие стадийность деформации, зависят от ее условий и материала. При смене стадий можно ожидать изменения параметров зависимости твердости от размера элементов структуры:

Н = Н0 + ксСт, (1)

где Н0 - твердость крупнозернистого материала, к и т - константы, характеризующие сопротивление границ деформации, значение т изменяется от 0.5 для высоко- до 1 для малоугловых границ [1]. Часто предполагают, что структура наноматериалов, образованная при большой пластической деформации, подобна зеренной, и поэтому принимают т = 0.5 [2, 3]. Нами показано, что при размере элементов структуры порядка 100 нм в разных материалах реализуются структуры разного типа с преобладанием или высоко-, или малоугловых границ [4-6]. Заранее заданное значение т не позволяет выявить различие в типе структуры [2] либо приводит к высокому к и отрицательному значению напряжения течения при экстраполяции в область крупнокристаллического состояния [3]. Цель настоящей работы - исследование влияния доминирующих структурообразующих процессов на параметры уравнения Холла-Петча на стадиях смешанной и СМК-структуры.

Медь (99.99%), конструкционные стали 30ХГ-СН2А, 30Г2Р, 20Г2Р, армко-железо (0.5% примесей, из них 0.01% С), железо чистотой 99.97% (0.003% С) и аустенитную сталь 4Х14Н14В2М деформировали при 290 К методом "сдвиг под давлением". Давление составляло от 5 ГПа (медь) до 10 ГПа (сталь). Твердость и степень деформации определяли по радиусу образцов [5]. Размеры элементов структуры - дислокационных ячеек, микрокристаллитов и зерен определяли методом электронной микроскопии с погрешностью менее 10%.

При деформации исследованных материалов нами выделены стадии структурных состояний, на каждой из которых доминируют определенный релаксационный процесс и механизм упрочнения. В меди смена стадий определяется температурно

скомпенсированной скоростью деформации (1п2) [4]. При 1п2 > 42 выделена стадия наклепа, при 1п 2 < 38 - стадия развитой динамической рекристаллизации (ДР), при промежуточных значениях 1п2 происходит постепенное уменьшение влияния наклепа и возрастание роли Др.

В аустенитной стали релаксационный структурообразующий процесс зависит от приложенного давления. При 6 ГПа это деформационный наклеп, давление 10 ГПа инициирует сдвиговое у-е-пре-вращение. При деформации без фазового превращения выделены стадии смешанной структуры, образованной дислокационными ячейками, деформационными двойниками и микрокристаллитами (0.5 < е < 4.8), и СМК-структуры, состоящей из микрокристаллитов (е > 4.8). Дополнительный канал релаксации путем сдвигового превращения удлиняет стадию смешанной структуры до е = 6.2.

В железе и конструкционных сталях в условиях холодного наклепа стадийность связана с изменением механизма деформации - дислокационного на стадии ячеистой структуры, ротационного на стадии СМК-структуры и дислокационно-ротационного на промежуточной стадии. Степень деформации, приводящей к смене стадий, определяется легированием (табл. 1) [5].

Полученные результаты позволили проанализировать уравнение (1) отдельно для каждого структурного состояния. Три переменных параметра не могут быть определены из эксперимента однозначно, без дополнительных условий. Одному из параметров придавали значение, имеющее простое физическое объяснение. Для структуры с высокоугловыми границами Н0 и к получали из линейной зависимости Н от С-05. При заданном Н0 параметры к и т находили по линейной зависимости 1п(Н - Н0) от 1пС (рис. 1). Полученные функции (табл. 2) сопоставляли с экспериментальными данными (рис. 2) [7]. При округлении Н0 и к до одного, а т - до двух знаков после запятой, отклонение функции не превышало погрешность измерения твердости (5%).

ВЛИЯНИЕ ДОМИНИРУЮЩЕГО ПРОЦЕССА

749

Таблица 1. Степень деформации, твердость и размеры элементов структуры в начале стадий структурных состояний и предельные значения, экспериментально достигнутые в данной работе

Смешанная структура СМК Предельные значения

Материал е1 2 е2 3 е Н, ГПа d, мкм

ГПа мкм ГПа мкм

Чистое железо 4.0 3.0 0.45 6.0 3.2 0.19 9.3 5.7 0.06

Техническое железо 2.6 2.8 0.35 5.3 3.7 0.17 9.0 5.0 0.10

20Г2Р 1.6 2.7 0.50 3.7 3.5 0.25 8.2 6.0 0.08

30Г2Р 1.0 2.8 0.55 3.6 3.6 0.17 8.5 7.6 0.04

30ХГСН2А 1.0 3.2 0.40 3.6 3.9 0.15 7.2 7.5 0.04

4Х14Н14В2М, 6ГПа <0.5 - - 4.8 4.6 0.05 8.2 5.6 0.03

4Х14Н14В2М, 10 ГПа <0.5 - - 6.2 4.7 0.11 8.9 5.3 0.05

Таблица 2. Аппроксимирующие функции H = f(d) для железа и сталей со структурой различного типа

Тип структуры Чистое железо Техническое Конструкционные Сталь 4Х14Н14В2М

железо стали 6 ГПа 10 ГПа

Рекристаллизованная Смешанная СМК 0.6 + 1.2d-°'5 0.8 + 1.2d-05 0.8 + 1.2d-05 0.8 + 1.2d-05 0.9 + 1.2d-05 0.8 + 1.2d-051 1.0 + 1.2d-05 (1)* 1.0 + 1.2d-a55 (2) 1.1 + 1.2d-a5 1.0 + 1.1d-a58 (3) 0.8 + 1.2d-a56 (4) 1.3 + 1.3d-a5 3.6 + 1.3d-a5 1.7 + 2.0d-a5 3.9 + 1.4d-a5

* В скобках указаны номера зависимостей на рис. 2.

Для меди экспериментальные данные разделили в соответствии со значениями \п2. Так как структура на обеих стадиях (38 < \п 2 < 42 и \п 2 < 38) содержит и мало-, и высокоугловые границы, значение т определили из зависимости \п(Н - Н0) от 1пё (рис. 1а). Н0 = 1.5 ГПа соответствует твердости крупнозернистой деформированной меди к началу ДР [4]. При дальнейшей деформации на твердость влияют, с одной стороны, измельчение зерна и наклеп, а с другой - уменьшение плотности дефектов вследствие ДР, постдинамической рекристаллизации и динамического возврата. Эти факторы на стадии неполной ДР приводят к обратной зависимости с положительным показателем степени: Н = = 1.5 + 0.3ё+0'5 (рис. 1а). Полученная зависимость не связана с переходом материала в наноструктурное состояние (ё = 0.5-0.2 мкм). На стадии полной ДР уравнение (1) принимает традиционный вид: Н = = 1.5 + 0.04ё-0'7. Значение т, лежащее в интервале от 0.5 до 1, показывает наличие в структуре зерен и субзерен [1].

В чистом железе изменение типа структуры, связанное со сменой механизма деформации в рамках одного структурообразующего процесса, не оказывает влияние на параметры уравнения (1) (рис. 16). Увеличение Н0 в деформационной структуре (табл. 2) имеет методический характер: при размере элементов структуры много меньше отпечатка индентора, происходит переход от измерения микротвердости к измерению твердости.

Для сталей со смешанной и СМК-структурой получены по две равновероятные аппроксимирующие зависимости. В конструкционных сталях и армко-железе для смешанной и рекристаллизован-

ной структуры параметры уравнения практически не различаются. При переходе к СМК-структуре видна тенденция к уменьшению Н0 и увеличению т. Это связано с растворением карбидных частиц и выходом углерода на границы микрокристаллитов [7].

В аустенитной стали реализуется один из двух или оба структурообразующих процесса: сдвиговое фазовое превращение и наклеп, который в свою очередь развивается в соответствии со сдвиговым (двойникование), дислокационным или ротационным механизмами. В отсутствие фазового превращения при переходе от смешанной к СМК-структуре при неизменном т снижается Н0, что связано с незначительным в сравнении с цементитом растворением при деформации специальных карбидов. Образование более твердой фазы высокого давления приводит на стадии смешанной структуры к увеличению Н0 и к (рис. 3, табл. 2). Для определения параметров уравнения (1) на стадии СМК-структуры в условиях фазового превращения необходима более высокая степень деформации, чем достигнутая в данной работе. Когда барическое фазовое превращение на стадии СМК-структуры становится доминирующим процессом, твердость и размеры элементов структуры перестают изменяться при деформации [6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Смена доминирующего структурообразующего процесса в деформируемом материале приводит к изменению параметров уравнения Холла-Петча. Смена механизма деформации при неизменном структурообразующем процессе в чистых метал-

750

ЧАЩУХИНА и др.

d, мкм 0Л5 0.20 0.30 0.60

H, ГПа

-2

ЙС

«3-3

4.0 -1.5 -1.0 -0.5 ln d d, мкм

0.050.10 0.30 1.00

1.6

1.2

й|

0.4

СМК

Ячеистая структура

\

\

° \

-3 -2 -1 ln d

0

Рис. 1. Определение параметров уравнения Холла-Петча; а - в меди при Н0 = 1.5 ГПа, ■ - для 1п2 < 38, О -для 38 < 1п2 < 42; б - в чистом железе при Н0 = 0.8 ГПа; Л - СМК-структура, □ - ячеистая структура, ♦ - структура смешанного типа.

d, мкм

0.400.20 0.10 0.05 0.03

6-

4

0 5

2

0.2

0.4

0.6 d, мкм

4.5 6.0

2, мкм-1/2

Рис. 3. Зависимость Холла-Петча для стали 4Х14Н14В2М; Л - 10 ГПа; О, • - 6 ГПа; светлые значки - на стадии структуры смешанного типа, темные значки - на стадии СМК-структуры.

лах не влияет на значение параметров. Изменение параметров может произойти в сплавах, когда смена стадий сопровождается перераспределением легирующих элементов.

Обнаружено не связанное с переходом материала в наноструктурное состояние изменение зависимости Холла-Петча на обратную с положительным показателем степени при действии нескольких

Рис. 2. Соответствие аппроксимирующих функций (табл. 2) экспериментальным значениям твердости конструкционных сталей, а - на стадии СМК-структу-ры, б - на стадии структуры смешанного типа; • -20Г2Р, Л - 30Г2Р, ♦ - 30ХГСН2А.

структурообразующих процессов, противоположным образом влияющих на твердость материала.

Работа поддержана РФФИ, грант № 04-0396132, и грантом НШ-5965.2006.3. Исследование структуры выполнено в ЦКПЭМ ИФМ УрО РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голъдштейн М.И, Литвинов B.C., Бронфин Б.М

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»