CC BY
105
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 669.15:537.621.4:620.193.4
Канд. физ.-мат. наук Г. В. Снежной1, д-р техн. наук В. Г. Мищенко2,
канд. физ.-мат. наук В. Л. Снежной2
1 Запорожский национальный технический университет, 2 Запорожский национальный университет;
г. Запорожье
ЭВОЛЮЦИЯ МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ АУСТЕНИТА ПРИ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ АУСТЕНИТНЫХ
ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ
Экспериментально установлено, что аустенит исследуемой стали 08Х18Н10, содержащий после стандартной закалки (1050 °С, в воду) незначительное количество 8 - феррита, до одноосного растяжения характеризовался определенным магнитным состоянием, которое описывается удельной магнитной восприимчивостью Х0 = 2,5510-8 м3/кг, а после пластического одноосного растяжения магнитное состояние аустенита изменяется на 26 %(х0 = 3,22 ■Ю-8 м3/кг). Такое отличие магнитных состояний аустенита может влиять на механические и служебные свойств аустенитных хромоникелевых сталей.
Ключевые слова: сталь, деформация, растяжение, аустенит, а' - мартенсит, магнитная восприимчивость.
Введение
Аустенит хромоникелевых сталей аустенитного класса с точки зрения магнитного состояния можно рассматривать как парамагнетик. Парамагнитный эффект возникает в аустените в связи с наличием некомпенсированных орбитальных и спиновых магнитных моментов. При отсутствии внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов располагаются равновероятно по всем направлениям под действием тепловой энергии и поэтому результирующий магнитный момент аустенита равен нулю. При наличии внешнего магнитного поля возникает преимущественное направление магнитных моментов вдоль поля, в результате чего суммарный магнитный момент аустенита не равен нулю.
Для описания магнитного состояния аустенита выбран чувствительный параметр - удельная магнитная
Е Рг
восприимчивость х0 [1]: х0 =~-, где рг - неском-
т ■ Н
пенсированный магнитный момент вещества, т - масса вещества, Н - магнитное поле. Физически это означает, что удельная магнитная восприимчивость представляет физическую величину, численно равную сумме магнитных моментов единицы массы вещества при единичном магнитном поле. Парамагнитная восприимчивость х 0 чувствительна к изменениям механических и служебных свойств аустенита.
Использовать другие методы, например, рентгеновские лучи для изучения магнитного состояния (магнитной атомной структуры) нельзя, так как рентгеновские лучи не имеют магнитных моментов, которые бы могли взаимодействовать с атомными магнитными моментами частиц вещества [2]. Для исследования магнитного атомного состояния можно привлекать нейтроны, которые обладают магнитным моментом и поэтому могут взаимодействовать с магнитными моментами атомов в кристаллах [2]. Однако этот метод является достаточно трудоемким. Следовательно, магнитометрический метод является наиболее простым и удобным [3].
В процессе холодной пластической деформации аустенитных хромоникелевых сталей протекают сложные у —> а' превращения, приводящие к нарушению равномерного распределения легирующих и примесных элементов [4]. Последние процессы приводят к изменению кристаллической и атомно-магнитных состояний аустенита [4]. Эти явления могут определять дальнейшие механические и служебные свойства сталей.
Изучению у —а' (а' - мартенсит деформации) магнитными методами в аустенитных хромоникелевых сталях посвящено много работ [5.. .8]. При этом значительные трудности возникают при исследовании начальной стадии у — а' превращения, когда зарождается
весьма низкое содержание а - фазы (0,000 .0,5 %) и, когда при измерении а - фазы не учитывается намаг-
© Г. В. Снежной, В. Г. Мищенко, В. Л. Снежной, 2014
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2014
9
ниченность аустенита. Последнее приводит к значительным погрешностям до 1000 % [9]. Поэтому к полученным данным нужно относиться осторожно [6].
Сравнительно мало посвящено работ поведению аустенита при холодной пластической деформации до и после возникновения мартенсита деформации [1012]. В настоящей работе исследуется изменение магнитного состояния (параметра х0) аустенита до и после пластической одноосной деформации растяжением стали 08Х18Н10 при комнатной температуре.
Материал и методика эксперимента
Для исследования выбрана аустенитная хромонике-левая сталь 08Х18Н10 в виде проволоки диаметром 4 мм, которая применяется для изготовления сварочных электродов. Химический состав стали (масс. %): С-0,068, Сг-17,90, N1-10,1, Мп-1,56, 81-0,55, №>-0,032, Т1-0,0075, Мо-0,101, Си-0,162, Р-0,030, 8-0,011, N-0,057. С целью получения полностью аустенизированного состояния (100,00 %) стержни из этой проволоки подвергали нагреву до 1373 К, выдерживали 30 мин. и охлаждали в воде. Однако такая закалка не привела к полной аусте-низации, т. к. образцы содержали незначительное количество 5 - феррита. Затем эти стержни подвергали одноосной деформации растяжением на приборе ИР-100 при комнатной температуре. Стержни с исходной длиной 273 мм с кольцевым концентратором посередине шириной 0,5 мм и глубиной 0,25 мм под действием усилия 8.6 кН разрушались при длине 357 мм. Диаметр стержня до разрушения 4 мм, в точке разрыва 2,5 мм. Из этих стержней вырезали образцы холодным механическим способом в виде цилиндрической формы высотой 3 мм. Для снятия поверхностных напряжений образцы шлифовались абразивной бумагой и электро-полировались до зеркального блеска.
Удельную магнитную восприимчивость X, результирующую удельную магнитную восприимчивость Хш=Х0 + Хр (Хо и Xр соответственно удельные магнитные восприимчивости аустенитной и парапроцесс-ной составляющей а - фазы образца) и весьма низкое содержание а - фазы (5 - феррит и а' - мартенсит деформации) определяли по методике, описанной в работах [9, 13, 14].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
В таблицах 1,2 приведены соответственно экспериментальные значения для недеформированных и деформированных образцов результирующие удельные магнитные восприимчивости Хш=Х0 +Хр количество 5 - феррита Р5 и суммарное значение Р5+а 5 - феррита и а' -мартенсита в образцах, деформированных растяжением.
Обращает на себя внимание тот факт, что весьма низкое содержание Р5 5 - феррита в объемных про-
Таблица 1 - Экспериментальные значения i P5 для недеформованых (исходных) образцов
№ недеформированых (исх,) образцов х», ю-8 м3/кг P5 , %
1 2,80 0,0074
2 2,68 0,0035
3 2,67 0,0030
4 2,74 0,0058
5 2,70 0,0048
6 2,82 0,0081
7 2,90 0,0098
8 2,94 0,0113
9 2,85 0,0093
10 2,76 0,0065
P5 =0,0070%
центах порядка тысячных долей процента (см. табл.1)
по сравнению с суммарным содержанием Ps+a
(5 - феррита и а' - мартенсита) (см. табл. 2) примерно в 5 раз меньше. Если принять, что при деформации количество 5 - феррита не изменяется (P5 = const), тогда
среднее значение составляет P5 = 0,0070% 5 - феррита распределенного по длине недеформированного стержня (см. табл.1), то легко подсчитать приближенное количество образовавшегося а' - мартенсита по формуле Ра' = Р5+а' - P5 (см. табл. 2). На рис. 1 представлено графическое распределение количества а' - мартенсита, распределенного по длине стержня после деформации растяжением. Образец 40 соответствует точке разрыва. Как видим, в области разрушения количество возникающего а' - мартенсита в ~100 раз превышает количество локального мартенсита, образовавшего по длине стержня до разрушения.
Рис. 1 . Распределение а' - мартенсита по длине стержня после деформации растяжением стали 08Х18Н10. Цифрами указаны номера вырезанных образцов
© С. В. Гайдук, В. В. Кононов, 2014 10
Таблица 2 - Экспериментальные значения хш , Р5+а и Ра = Р5+а - Р5 для образцов, деформированных одноосным растяжением
№ деформированых образцов Хш, 10-8 м^кг Р5+а' , % Ра'= Р5+а'- Р5 , %
20 3,57 0,0505 0,0435
21 3,55 0,0504 0,0434
22 3,67 0,0491 0,0421
23 3,68 0,0475 0,0405
24 3,69 0,0479 0,0409
25 3,62 0,0486 0,0416
26 3,56 0,0481 0,0411
27 3,59 0,0482 0,0412
28 3,62 0,0501 0,0431
29 3,58 0,0458 0,0388
30 3,58 0,0457 0,0387
31 3,54 0,0451 0,0381
32 3,56 0,0452 0,0382
33 3,57 0,0453 0,0383
34 3,58 0,0454 0,0384
35 3,61 0,0455 0,0385
36 3,63 0,0457 0,0387
37 3,67 0,0458 0,0388
38 4,3 0,1100 0,1030
39 4,9 0,1190 0,1120
40 12,7 0,9330 0,9260
Для нахождения удельных магнитных восприимчи-востей аустенита х0 (недеф.) и Х0(деф.) соответственно недеформированного и деформированного образцов из линейной зависимости Хш от Р5 (рис. 2), хш от Ра' (рис. 3) экстраполированием Р5 ^ 0 и Ра ^ 0 (отсутствует феррофаза, т. е. Х р = 0 и поэтому Хш = Хо +Хр ^ Хо) определяем значение х0(недеф.)
и х0 (деф.) аустенита (соответственно для недеформи-рованных и деформированных образцов). Из рис. 2, 3 следует, что х0 (недеф.) = 2,55-10-8 м3/кг и х0 (деф.)= = 3,22-10-8 м3/кг.
Используя чувствительный магнитометрический метод, ранее установлен эффект роста удельной магнитной восприимчивости х0 аустенита при одноосном сжатии сталей 12Х18Н10Т [11], 10Х18Н9-У [12], 08Х18Н10Т [15] до истинной деформационной точки
е ж. В точке е ж зарождается и с увеличением степени
3.0
£ 2.9 £
во
© 2.8 -в-
£2.7
о £
^ 2.6 2.5
7 8
ь <9
п 'МО
У ' 5
/ ^—X ,(неде Ф0- 1.55-1 л-8 3 0 м 'кг
0 0.004 0.008
РЬ,%
0.012
Рис. 2. Зависимость результирующей удельной магнитной восприимчивости Хш (недеф.) от количества 5 - феррита недеформированных (исходных) образцов, вырезанных вдоль стержня. Цифрами 1...10 указаны номера образцов
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №2, 2014 11
деформации накапливается мартенсит деформации при постоянном значении % max = const (постоянное магнитное состояние). Так, для стали 12Х18Н10Т [11] до деформации сжатием % 0 = 3,32-10-8 м3/кг, а в точке е s удельная магнитная восприимчивость достигает %max = 4,6-10-8 м3/кг; для стали 10Х18Н9-У [12] %0 =
= 2,82-10-8 м3/кг, %max = 3,06-10-8 м3/кг; для стали 08Х18Н10Т [15] %0 = 2,81-10-8 м3/кг, х™31 = 3,23-10-8 м3/кг
14
12
г Ъ
10
~ 8
•е-
£
40
39 > • /
20... У, Ъ> (деф-)-: ;.22 юf м /кг
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Ра',%
Рис. 3. Зависимость результирующей удельной магнитной восприимчивости х» (деф ) от количества Ра< а' - мартенсита деформированных образцов одноосным растяжением.
Цифрами 20...40 указаны номера образцов. Образец 40 соответствует точке разрыва
Таким образом, по аналогии с [10] можно принять, что исследуемая сталь 08Х18Н10 до одноосного растяжения характеризовалась определеным магнитным состоянием аустенита (х0 = 2,55-10-8 м3/кг) и по мере достижения истинной деформационной мартенситной точки е ж магнитное состояние возросло до постоянного максимального значения х^ = 3,22-10-8 м3/кг, при котором начал зарождаться и накапливаться а' - мартенсит деформации, т.е. магнитное состояние х0 изменилось более чем на 26 %. В работах [16, 17] установлено, что механические и служебные свойства коррелируют с удельной магнитной восприимчивостью х0 аустенита стали А1Б1321. Предполагается, что такая корреляционная зависимость может иметь место и для исследуемой стали, деформированной одноосным растяжением.
Выводы
1. Установлено, что сталь 08Х18Н10 в виде стержня после стандартной термообработки (1050 °С 30 мин, охлаждение в воду) полностью не аустенизируется и количество 5 - феррита по длине стержня оказывается
неоднородным и изменяется от 0,0030 до 0,0113 %. Среднее количество 5 - феррита составляет 0,0070 %.
2. После одноосного растяжения исходной стали 08Х18Н10 количество а' - мартенсита в различных участках по длине деформированного стержня до зоны разрушения изменяется от 0,0030 % до 0,0113 %, т. е. значительно больше по сравнению со средним значением 5 - феррита недеформированной стали. Непосредственно в зоне разрушения Ра возросло до 0,926 %.
3. Установлено различные магнитные состояния аустенита стали 08Х18Н10 до одноосного растяжения (х0 = 2,55- 10-8 м3/кг) и после одноосного растяжения (х0 = 3,22- 10-8 м3/кг), что, возможно, может влиять на механические и служебные свойства аустенитных хро-моникелевых сталей.
Список литературы
1. Вонсовский С. В. Магнетизм / С. В. Вонсовский. - М. : Наука, 1971. - 1032 с.
2. Вонсовский С. В. Природа магнетизма / С. В. Вонсовс-кий. - М. : Знание, 1964. - 40 с.
3. Снежной В. Л. Определение низких содержаний альфа-фази в аустенитных хромоникелевых сталях и влияние магнитного поля на у ^ а превращение : дис. ... кандидата физ.-матем. наук: 046 - физика твердого тела / Снежной Валентин Лукьянович / Днепропетровск, 1968. -130 с.
4. Ермаков Б. С. Роль остаточных сварочных деформаций в снижении работоспособности трубопроводов, эксплуатируемых в условиях низких температур / Б. С. Ермаков, С. О. Маликов, Ю. П. Солнцев // Известия СПбГУНиПТ. - 2007. - № 1. - С. 28-33.
5. Ажажа В. М. Применение магнитных методов для исследования эволюции структуры в аустенитных нержавеющих сталях после длительной эксплуатации энергоблоков на АЭС / В. М. Ажажа, В. А. Десненко, Л. С. Ожигов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение» (94). - 2009. - № 4-2. - С. 241-246.
6. Максимкин О. П. Параметры образования мартенситной а' - фазы при деформации нержавеющих сталей, облученных в реакторах АХ ВВРр-К и БН-350 / О. П. Максимкин, Н. Н. Гусев, И. С. Осипов // Вестник НЯЦ РК. -2007. - № 3. - С. 12-17.
7. Максимкин О. П. Обратное мартенситное а ^ у превращение в стали 12Х18Н10Т, облученной до 56 СНА в реакторе БН-350 и деформированной при 293К / О. П. Максимкин, Б. К. Рахашев // Вестник НЯЦ РК. -2009. - № 3. - С. 161-166.
8. Максимкин О. П. Особенности кинетики образования а' - мартенсита при деформации нержавеющий стали 12Х18Н10Т, облученной нейтронами / О. П. Максим-кин, К. В. Цай, Д. Х. Садвакасов // Вестник НЯЦ РК. -2007. - № 1. - С. 4-13.
9. Снежной В .Л. Влияние магнитного момента парамагнитной матрицы на определение низких содержаний а- фазы в аустенитных сталях / В. Л.Снежной, Ф. Д. Мирошниченко, В.Г.Каниболоцкий, ГА.Охромий // ФММ. - 1970. -Т. 30. - № 2. - С. 363-366.
10. Снежной Г. В. Магнитное состояние аустенита вблизи истинной деформационной мартенситной точки хромо-никелевых сталей аустенитного класса / Г. В. Снежной // ФММ. - 2011. - Т. 111. - № 6. - С. 599-604.
11. Сшжной Г. В. Зародження мартенситу деформацй в хромошкелевих сталях аустенгтного класу / Г. В. Сшжной // Фiзико-хiмiчна мехашка матерiалiв. - 2011. - Т. 47. - № 3. -С. 84-89.
12. Сшжной Г. В. Магнетна поведшка аустешту на початку утворення мартенситу деформацй в крищ 10Х18Н9-У / Г. В. Сшжной // Фiзика i хiмiя твердого тша. - 2011. -Т. 12. - № 3. - С. 748-752.
13. Снежной Г. В. Интегральный физический метод идентификации а- фазы в аустенитных хромоникелевых сталях / Г.В. Снежной, В.Г. Мищенко, В.Л. Снежной //Литье и металлургия. - 2009. - №3(52). - С. 241-244.
14. Снежной Г. В. Контроль количества 5 - феррита в сталях типа 18-10 методом определения парапроцессной
магнитной восприимчивости / Г. В.Снежной // Авиационно-космическая техника и технология. - 2011. -№10(87). - С. 22-25.
15. Snizhnoi G.V. Magnetic state of the deformed austenite before and after martensite nucleation in austenitic stainless steels // G.V.Snizhnoi, M.S.Rasshchupkyna / Journal of Iron and Steel Research, International. - 2012. - Vol. 19. -№ 6. - P. 42-46.
16. Snizhnoi G. V. Dependence of the Corrosion Behavior of Austenitic Chromium-Nickel Steels on the Paramagnetic State of Austenite / G.V. Snizhnoi // Materials Science. -2013. -Vol. 49. - №3. - P. 341-346.
17. Сшжной Г. В. Вплив магштного стану аустештно! матриц на мехашчш властивосп стащ AISI321 / Г. В. Сшжной // Авiацiйно-космiчна техшка i технолопя. - 2014. -№ 7(114). -С. 105-109.
Одержано 10.11.2014
Снiжной Г.В., Мщенко В.Г., Сшжной В.Л. Еволющя магштного стану аустешту при холоднш пластичнш деформацй' аустенггних хромошкелевих сталей
Експериментально встановлено, що аустенгт досл1джувано1 стал! 08Х18Н10, який м1стить тсля стандартно'1 закалки (1050 °С, у воду) незначну юльюсть S- ферриту, до одноосьового розтягування описувався
певним магттним станом, який характеризуется питомою магттною сприйнятливгстю х0 = 2,55-10'8м3/кг,
а тсля пластично'1 деформацИ одноосьовим розтягуванням магнгтний стан аустенгту (х0 = 3,22-10'8м3/кг) змгнюеться майже на 26 %. Така вгдмгннгсть магнгтних стангв аустенгту може бути однгею з причин змти механгчних i службових властивостей аустенгтних хромошкелевих сталей.
Ключовi слова: сталь, деформащя, розтягнення, аустетт, а' - мартенсит, магнгтна сприйнятливгсть.
Snezhnoi G., Mishcheno V., Snezhnoi V. The evolution of the magnetic state of austenite during cold plastic deformation of austenitic chromium-nickel steels
Austenite of steel 08X18H10 with insignificant quantity of S-ferrite after standart quenching (1050 °C, water) before uniaxial tension is described by magnetic state which is characterized by specific magnetic susceptibility
X0 = 2,55-10'8 m3/kg has been established experimentally. After uniaxial tension deformation magnetic state of
austenite (x0 = 3,22-10'8 m3/kg) is changed by almost 26 %. This difference of magnetic state of austenite may by one of the reasons of changing mechanical and service properties of austenitic chromium-nickel steels.
Key words: steel, deformation, tensile, austenite, а' - martensite, magnetic susceptibility.
ISSN 1607-6885 Новг матергали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2014 13
