CC BY
65
УДК 669.2/8.017
СВЯЗЬ КОЭФФИЦИЕНТА ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА
А.М. Жилкашинова, М.К. Скаков*, Н.А. Попова**
Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск *Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Серикбаева, г. Усть-Каменогорск **Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: almira_1981@mail .ru;_skakovmk@mail .rn; kozlov [email protected]
Проведены испытания на растяжение для стали Гадфильда. Обнаружено, что формирование ячеистой дислокационной субструктуры является одним из основных факторов высокого деформационного упрочнения стали Гадфильда. Показано, что совместное дислокационное скольжение и микродвойникование значительно повышает упрочняемость стали Гадфильда.
Ключевые слова:
Сталь Гадфильда, деформационное упрочнение, пластическая деформация, скольжение, двойникование, коэффициент деформационного упрочнения, дислокации, дефекты упаковки.
Key words:
Hadfield steel, strain hardening, plastic deformation, slip, twinning, work hardening coefficient, dislocations, stacking faults.
Аустенитные стали находят широкое
применение в современной технике в качестве
нержавеющих, жаропрочных, износостойких деталей машин и оборудования. Среди износостойких аустенитных сталей особое место занимает высокомарганцевая сталь Гадфильда (110Г13Л), содержащая 1,2 вес. % С и 13 вес. % Mn. Отличительными особенностями, выделяющими сталь Гадфильда из всего класса аустенитных сталей, является её резко выраженная способность к деформационному упрочнению. Известно, что сталь Гадфильда может быть упрочнена холодной деформацией до значений, присущих мартенситу, в то же время оставаясь аустенитной. Тем не менее, природа способности стали Гадфильда к такому сильному упрочнению до сих пор остается неясной. Увеличение степени пластической деформации в аустенитных сталях сопровождается ростом уровня напряжений и сменой механизма деформации от скольжения к двойникованию, которое может стать
основным механизмом деформации. При этом число действующих систем двойникования
может определять стадийность кривых течения и коэффициент деформационного упрочнения ©. Так, известно [1-4], если двойникование будет развиваться после деформации скольжением,
Жилкашинова Альмира
Михайловна, канд. физ. -мат. наук, зав. лаборатории ЯМР-спектроскопии Восточно-
Казахстанского
государственного университета им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: структурно-фазовые превращения в аустенитных сталях, возобновляемая
энергетика.
Скаков Мажын Канапинович,
д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой технической физики Восточно-
Казахстанского
государственного технического университета им. Д. Серикбаева, г. Усть-Каменогорск.
E-mail: [email protected]. Область научных интересов: структурно-фазовые превращения в сталях и сплавах, радиационные дефекты в сталях и сплавах.
Попова Наталья Анатольевна,
канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Томского
государственного архитектурностроительного университета. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: структурно-фазовые превращения в сталях и сплавах.
то в этом случае будет наблюдаться конкуренция поперечного скольжения и двойникования. Развитие двойникования в одной системе после скольжения будет подавлять процессы поперечного скольжения и приводить к увеличению пластичности кристаллов, то есть будет наблюдаться ПНД-эффект или TWIP-эффект (пластичность наведенная двойникованием). При развитии двойникования с предела текучести в одной системе следует ожидать невысоких ©. Развитие двойникования в нескольких системах будет приводить к высоким ©, близким к © при мартенситных превращениях. Таким образом, исследованию влияние типа дислокационной структуры, механизма деформации (скольжения и двойникования), а также числа действующих систем скольжения и двойникования на стадийность кривой течения и коэффициент деформационного упрочнения аустенитной стали Гадфильда и посвящена настоящая работа.
Для стали Гадфильда были проведены испытания на растяжение. Полученные кривые «с-8» и «©-в» приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость напряжения течения с и коэффициента деформационного упрочнения © от степени пластической деформации в для аустенитной стали 110Г13
Как видно, здесь имеет место две стадии с различными коэффициентами упрочнения: ©п = 3-103 МПа и ©п = 2,1 • 103 МПа. Перелом кривой «с-в» соответствует значению степени
пластической деформации, равному в = 5 %. Этот перелом на кривой течения, приводящий к уменьшению коэффициента деформационного упрочнения, совпадает с моментом включения в деформацию двойникования. В предшествующих работах [5-7] отмечалась высокая упрочняемость стали Гадфильда, а высокие значения коэффициента деформационного упрочнения © и линейный характер зависимости «с-в» стали 110Г13 связывались с деформацией скольжением и механическим двойникованием. Причем работы были выполнены как на поли- [8], так и на монокристаллах [9] стали Гадфильда.
С другой стороны, при исследовании дислокационной структуры поликристаллов аустенитных нержавеющих сталей было установлено, что одновременно с плоскими скоплениями дислокаций наблюдаются дефекты упаковки [9]. Была показана роль дефектов упаковки как упрочняющих элементов дислокационной структуры. Поэтому, можно предположить, что при развитии в процессе деформации дислокационной структуры с дефектами упаковки, а также формирование ячеистой субструктуры в аустенитных сталях, следует ожидать увеличение ©. И, наконец, если при развитии дислокационной структуры в ходе деформации образуются микродвойники, плотность которых повышается с увеличением деформации, то они могут приводить к увеличению коэффициента деформационного упрочнения ©.
Как показали проведенные электронно-микроскопические исследования, на начальных степенях деформации (до в = 5 %) субструктура материала представлена хаотически расположенными дислокациями и отдельными механическими микродвойниками. Типичным для деформации в < 5 % является наличие участков, в которых преобладают длинные дислокации, вытянутые вдоль одного или двух направлений <110> (рис. 2, а).
Рис. 2. Дислокационная структура в стали 110Г13 после деформации растяжением (в < 5 %)
Эти дислокации заканчиваются на сплетениях, еще слабо выраженных на начальных степенях пластической деформации. С повышением степени деформации до 5 % в структуре появляются многочисленные петли дислокаций, переплетения вытянутых дислокаций и однослойные дефекты упаковки (рис. 2, б). При такой деформации появляется ячеистая дислокационная субструктура (рис. 2, в), хотя и слабо выраженная, причем стенками ячеек являются упомянутые выше сплетения. Отметим, что дефекты упаковки и ячеистая субструктура присутствуют в разных зернах. При деформации в = 5 % в структуре присутствуют многослойные дефекты упаковки и механические микродвойники.
Анализ этих результатов показывает, что образование микродвойников начинается с зарождения длинных прямолинейных дислокаций с последующим развитием однослойных и затем многослойных дефектов упаковки, перерастающих в двойники (рис. 3).
Рис. 3. Этапы формирования двойников деформации: а) однослойные, б) многослойные дефекты упаковки (незавершенное двойникование) и в) микродвойники (завершенное двойникование): а-в = 5 %; в = 8 %; в = 14 %. Пунктирными линиями отмечен след габитусной плоскости (111)
Об этом свидетельствует также и тот факт, что при в > 5 %, когда начинает интенсивно развиваться микродвойникование, длинные дислокации и дефекты упаковки в материале отсутствуют.
Момент включения в деформацию двойникования (в = 5 %) совпадает с перегибом на кривой течения (рис. 1), приводящим к уменьшению коэффициента деформационного упрочнения от значения © = 3-103 до 2,1-103 МПа. На рис. 4, а, приведены зависимости объемных долей материала, охваченного скольжением и двойникованием.
Рис. 4. Зависимость объемной доли материала, охваченного скольжением, двойникованием (а) и (б) двойникованием по одной (1), двум (2) и трем (3) системам, где • - деформация растяжением; ° - прокат
Видно, что с увеличением степени пластической деформации доля материала, охваченного двойникованием, все более нарастает. Наиболее интенсивно двойникование развивается в интервале степеней деформации 5...20 %. В одном зерне могут присутствовать взаимно пересекающиеся системы микродвойников (рис. 5), причем доля материала охваченного, двумя и даже тремя системами двойников увеличивается со степенью деформации (рис. 4, б).
\110\JI\110\
№)уи[211\в
\зп\и\1з1\.
Рис. 5. Пересекающиеся системы микродвойников в стали 110Г13
При этом двойники образуют пакеты. Среднее число двойников в пакете возрастает от 3-4 при в = 10 % до 6-8 при s > 20 %.
Наблюдается хорошая корреляция между изменениями субструктуры, включением новых механизмов деформации (а именно - двойникования) и стадиями пластического течения. Можно заключить, что эволюция дефектной структуры и рост скалярной плотности дислокаций и плотности двойников формируют деформационное упрочнение стали Гадфильда в полном соответствии с современной теорией дислокаций и двойников.
Таким образом, все типы дефектов (дислокации, двойники, границы дислокационных ячеек, искривление кристаллографических плоскостей) вносят вклад в деформационное упрочнение. Формирование ячеистой дислокационной субструктуры является одним из основных факторов высокого деформационного упрочнения стали Гадфильда. Эта структура, во-первых, стабильна и, во-вторых, в отличие от сетчатой дислокационной субструктуры, включает, наряду с контактным торможением дислокаций, барьерное торможение дислокаций, мощность которого обратно пропорциональна размеру дислокационных ячеек.
Совместное дислокационное скольжение и микродвойникование также значительно повышает упрочняемость стали Гадфильда. Как и стенки ячеек, пакеты двойников являются барьерами дислокационного скольжения. Таким образом, в стали Гадфильда благодаря стенкам ячеек и пакетам двойников реализуется комплексное барьерное упрочнение, обеспечивающее высокую деформационную упрочняемость этой стали.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жилкашинова А.М., Скаков М.К., Козлов Э.В., Попова А.Н. Исследование влияния С и Mn на структурно-фазовое состояние матрицы закаленной стали 110Г13Л // Известия НАН РК. - 2008. - № 2. - С. 13-17.
2. Скаков М.К., Жилкашинова А.М., Козлов Э.В. Карбидообразование в стали Гадфильда // Известия НАН РК. - 2008. - № 2. - С. 8-12.
3. Скаков М.К., Козлов Э.В., Попова Н.А., Жилкашинова А.М. Структурно-фазовое состояние стали 110Г13Л: роль легирующих примесей // Вестник ВКГТУ им. Д. Серикбаева. Сер. Физическая. - 2009. - № 2 (44). - С. 57-63.
4. Алешина Е.А., Сизова О.В., Колубаев Е.А. и др. Формирование структурно-фазовых состояний поверхности стали Гадфильда // Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. -№ 12.- С. 31-32.
5. Георгиева И.Я., Гуляев А.А., Кондратьева Е.Ю. Деформационное двойникование и механические свойства аустенитных марганцевых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1976. - № 8. - С. 56-58.
6. Чумляков Ю.И., Шехитоглу Х., Киреева И.В. и др. Пластическая деформация монокристаллов стали Гадфильда // Доклады РАН. - 1998. - Т. 361. - № 2. - С. 185-188.
7. Karaman I., Sehitoglu H., Gall K., Chymlyakov Yu.I. On the deformation mechanisms in single crystal Hadfield manganese steels // Scripta Material. - 1998. - V. 38. - № 6. - P. 1009-1015.
8. Литвинова Е.И., Киреева И.В., Захарова Е.Г. и др. Двойникование в монокристаллах стали Гадфильда // Физическая мезомеханика. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 115-121.
9. Karaman I.K., Sehitoglu H., Chumlyakov Yu.I. et al. Extrinsic stacking fault and twinning in Hadfield manganese steel single crystals // Scripta Material. - 2001. - V. 39. - P. 337-343.
Поступила 14.11.2011 г.
