CC BY
165
УДК 691.714:539.3:544.015.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1156-1159
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ 08Х18Н9Т И 01Х17Н13М3 ПОСЛЕ ПРОКАТКИ
© Е.В. Мельников, Е.Г. Астафурова, Г.Г. Майер
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, e-mail: melnickow-jenya@yandex.ru
Исследовали влияние холодной прокатки на фазовый состав, механизмы деформации и механические свойства метастабильной (08Х18Н9Т) и стабильной (01Х17Н13М3) аустенитных сталей. Измельчение структуры, фазовые превращения, накопление дефектов кристаллического строения при прокатке приводят к упрочнению сталей. Основным механизмом деформационного упрочнения стали 08Х18Н9Т является фазовое у ^ а' превращение, которое способствует формированию высокопрочного ультрамелкозернистого состояния. Понижение температуры прокатки способствует активации у ^ а' фазового превращения в стабильной стали 01Х17Н13М3, но основным механизмом деформации, определяющим ее высокие прочностные свойства, выступает механическое двойникование.
Ключевые слова: аустенитная сталь; прокатка; фазовые превращения; двойникование; механические свойства.
Важным и широко используемым классом конструкционных материалов являются аустенитные хромо-никелевые стали. Они используются в пищевой, химической, текстильной, фармацевтической, бумажной, нефтяной промышленности и др. Фазовые превращения и двойникование являются эффективными механизмами повышения прочностных свойств аустенит-ных сталей. Эти механизмы зависят от термодинамической стабильности аустенита (химического состава) и условий деформации (величины, температуры) [1-2]. В метастабильных аустенитных сталях содержание а'-мартенсита после деформации может достигать 100 % [3]. Между тем в стабильной стали 17Сг-14№-2Мо содержание а'-фазы при степени деформации прокаткой 8 = 99 % не превышает 0,5 % [4], и ее упрочнение определяется скольжением, двойникованием и образованием полос сдвига. Понижение температуры прокатки может способствовать уменьшению энергии дефекта упаковки и, тем самым, активировать фазовые превращения в стабильных сталях, усилить склонность к двойникованию и повысить их механические свойства.
В работе исследовали структуру, фазовый состав, механизмы деформации и механические свойства ме-тастабильной 08Х18Н9Т и стабильной 01Х17Н13М3 аустенитных сталей после холодной прокатки.
Для исследований были выбраны промышленно используемые аустенитные стали Fe-18Cr-9Ni-1Mn-0,5Ть0,4Бь0,06С-0,03Р (08Х18Н9Т) и Fe-17Cr-13Ni-3Мо-2Мп-0,6Бь0,01 С-0,01Р (01Х17Н13М3). Для получения аустенитной структуры проводили термическую обработку заготовок при температуре 1100 °С (1 ч) с последующей закалкой в воду. Образцы для испытаний вырезали на электроискровом станке в форме прямоугольных пластин. После механической шлифовки и электролитической полировки (25 г СгОэ + 210 мл Н3Р04) пластины имели размеры 10x15x1 мм3.
Многоходовую прокатку до степеней обжатия (s) 25-75 % проводили на вальцах настольных электромеханических В-51. Степень обжатия (деформации) рассчитывали как 8 = ((h1 - h0)/h0)-100 %, где h0 и h1 - толщина пластины до и после прокатки. Деформация при одном проходе образцов через валки прокатного стана составляла 3-4 %. Сталь 08Х18Н9Т прокатывали при комнатной температуре (300 К). Сталь 01Х17Н13М3 деформировали при температуре кипения жидкого азота (охлаждение до температуры 77 К перед каждым циклом прокатки) с целью активации деформационных y^s^a' мартенситных превращений.
Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометрах Shimadzu XRD-6000 и Rigaku Ultima IV с использованием СиК"а-излучения. Количество образовавшегося при прокатке стали а'-мар-тенсита также определяли методом изменения удельной намагниченности в зависимости от напряжения магнитного поля на установке «Магнитометр Н-04» [5]. Поскольку из возможных фаз (у, s, а') ферромагнетизмом обладает только а'-фаза, полученные кривые зависимости удельной намагниченности от напряжения магнитного поля пересчитывали на объемное содержание а'-мартенсита, при этом в качестве удельной намагниченности мартенсита использовали значение аа = 154 Гс-см3/г [6].
Исследование структуры проводили с помощью электронного просвечивающего микроскопа JEM-2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Фольги готовили из сечений, параллельных плоскости прокатки.
Микротвердость образцов до и после прокатки измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3 с механической нагрузкой Р = 200 г. Одноосное статистическое растяжение проводили на испытательной машине Instron 3369 при комнатной температуре со скоростью 4,2-10-4 с-1. Образцы для растяжения вырезали из прокатанных заготовок в форме двойных лопаток.
Прокатка метастабильной стали 08Х18Н9Т способствует измельчению аустенита и формированию двухфазной (у и а') разориентированной зеренно-субзерен-ной структуры со средним размером элементов 150 нм (рис. 1а, 8 = 50 %). В структуре наблюдали высокую плотность дислокаций р =1,3-10-15 м-2, деформационные двойники в аустените толщиной Г = 15^25 нм и с расстоянием между ними е = 25^50 нм, а также полосы локализованной деформации.
Анализ рентгенограмм показал, что пластическая деформация метастабильной стали 08Х18Н9Т сопровождается фазовым превращением с образованием в структуре а'-мартенсита деформации, объемная доля которого достигает =62 % при 8 = 75 %. Кривые удельной намагниченности имеют вид, характерный для ферромагнетиков (рис. 2а), что свидетельствует о наличии большой доли магнитной фазы. Ее содержание возрастает со степенью деформации и составляет 66 % при 8 = 75 % (рис. 2в).
С ростом степени деформации наблюдается уменьшение размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) до 20 нм (>200 нм в исходном состоянии) и увеличение микродеформации кристаллической решетки (АЛ/Л) с 1,2-10-4 до 1,7-10-3 для у-фазы. Для а'-фазы эти параметры слабо зависят от степени деформации: ОКР - 16-20 нм; АЛ/Л - (0,8-1,3)-10-3. Все это свидетельствует о фрагментации структуры и росте внутренних напряжений. Параметры решетки для у- и а'-фаз при деформации изменяются незначительно.
Структура стабильной стали 01Х17Н13М3 после прокатки имеет более однородный характер по сравнению со структурой стали 08Х18Н9Т. Деформация реализуется механическим двойникованием, дислокационным скольжением (р = 1-10-15 м-2) и формированием полос локализованного сдвига (рис. 1б). Вклад механического двойникования существенен, его наблюдали во всех зернах (Г = 22^30 нм, е = 38^65 нм). Электронно-микроскопически наряду с двойниками деформации наблюдали образование 8-мартенсита.
Несмотря на понижение температуры прокатки на рентгенограммах, соответствующих деформированным состояниям стали 01Х17Н13М3, наблюдали рефлексы только от у-фазы. Магнитофазовый анализ свидетельствует о наличии а'-фазы в структуре стали 01Х17Н13М3 (рис. 2б), ее содержание возрастает с увеличением степени деформации и при 8 = 75 % составляет ~6 % (рис. 2в). То есть понижение температуры
Рис. 1. ПЭМ-изображения структуры стали 08Х18Н9Т (а) и стали 01Х17Н13М3 (б) после прокатки (8 = 50 %)
20 30 40 50 Деформация прока!кии с, %
В)
Рис. 2. Зависимость удельной намагниченности (а) от напряженности магнитного поля (Н) (а, б) и зависимость содержания магнитной а'-фазы от степени деформации (в). (а) - сталь 08Х18Н9Т, (б) - сталь 01Х17Н13М3
а)
б)
Рис. 3. Зависимость микротвердости от деформации (а) и кривые течения (б) для сталей 08Х18Н9Т и 01Х17Н13М3
прокатки способствует образованию деформационного а'-мартенсита в стабильной стали 01Х17Н13М3, но его объемная доля существенно ниже, чем в стали 08Х18Н9Т, прокатанной при комнатной температуре.
В исходном состоянии исследуемые стали характеризуются низкими значениями микротвердости (рис. 3а), предела текучести и предела прочности и большой пластичностью (рис. 3б). Прокатка приводит к упрочнению стали - росту микротвердости, повышению пределов текучести и прочности, снижению пластичности (рис. 3). При этом, несмотря на различные механизмы деформации, прочностные характеристики сталей за-
метно различаются лишь при при 8 = 25 %. При степенях осадки 50 и 75 % значения микротвердости и пределов текучести и прочности сталей имеют близкие значения.
Таким образом, структурно-фазовые превращения при прокатке исследуемых сталей различны. В мета-стабильной стали 08Х18Н9Т измельчение структуры реализуется преимущественно за счет образования высокой доли а'-мартенсита. Понижение температуры прокатки способствует развитию у^а'-фазового перехода в стали 01Х17Н13М3, но измельчение происходит преимущественно за счет развития механического двойникования. Несмотря на различия в механизмах измельчения структуры, прокатка вызывает близкие эффекты упрочнения в исследуемых сталях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ШтремельМ.А. Прочность сплавов. М.: МИСиС, 1997. 527 с.
2. Лободюк В.А., Эстрин Э.И. Мартенситные превращения. М.: Физ-матлит, 2009. 352 с.
3. Мельников Е.В., Кретов Ю.Л., Тукеева М.С., Майер Г.Г., Кошов-кин В.С., Астафурова Е.Г. Влияние легирования водородом на особенности фазовых превращений при прокатке метастабильной аустенитной стали Х18Н10Т // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1613-1614.
4. Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Шевченко Н.В., Корзников А.В. Эволюция структурно-фазовых состояний при больших пластических деформациях аустенитной стали 17Cr-14Ni-2Mo // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 112. № 4. С. 436-448.
5. Креслин В.Ю., Найден Е.П. Автоматизированный комплекс для исследования характеристик магнитожестких материалов // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 1. С. 83-66.
6. Mumtaz K., Takahahi S., Echigoya J., Kamada Y., Zhang L.E., Kikuchi H., Ara K., Sata M. Magnetic measurements of martensitic transformation in austenitic stainlltss stel after room temperaturerolling // Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 85-97.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента (СП-419.2015.1).
2. Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН, Томского материа-ловедческого ЦКП.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 691.714:539.3:544.G15.4
DOI: 1G.2G31G/181G-G198-2G16-21-3-1156-1159
PHASE COMPOSITION, STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF AUSTENITIC STEELS 08X18H9T AND 01X17H13M3 AFTER ROLLING
© E.V. Melnikov, E.G. Astafurova, G.G. Maier
Science Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation,
e-mail: melnickow-jenya@yandex.ru
The effect of a cold rolling on structure, phase composition, deformation mechanisms and mechanical properties of metastable (08X18H9T) and stable (01X17H13M3) austenitic steels was investigated. The refinement of a structure, phase transformations, the accumulation of the defects of a crystalline structure during rolling
lead to the hardening of steels are considered. The main deformation mechanism of steel 08X18H9T is y^a' phase transformation that promotes the formation of high-strength ultrafine-grained structure. The decrease in rolling temperature facilitates y^a' martensitic transformation in steel 01X17H13M3, but the main hardening mechanism is mechanical twinning.
Key words: austenitic steel; rolling; phase transformations; twinning; mechanical properties.
REFERENCES
1. Shtremel' M.A. Prochnost' splavov. Moscow, Publishing House of National University of Science and Technology "MISiS", 1997. 527 p.
2. Lobodyuk V.A., Estrin E.I. Martensitnye prevrashcheniya. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 352 p.
3. Mel'nikov E.V., Kretov Yu.L., Tukeeva M.S., Mayer G.G., Koshovkin V.S., Astafurova E.G. Vliyanie legirovaniya vodorodom na osobennosti fazovykh prevrashcheniy pri prokatke metastabil'noy austenitnoy stali Kh18N10T. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 1613-1614.
4. Yu I., Litovchenko, Tyumentsev A.N., Shevchenko N.V., Korznikov A.V. Evolyutsiya strukturno-fazovykh sostoyaniy pri bol'shikh plasticheskikh deformatsiyakh austenitnoy stali 17Cr-14Ni-2Mo. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 112, no. 4, pp. 436-448.
5. Kreslin V.Yu., Nayden E.P. Avtomatizirovannyy kompleks dlya issledovaniya kharakteristik magnitozhestkikh materialov. Pribory i tekhnika eksperimenta — Instruments and Experimental Techniques, 2002, no. 1, pp. 83-66.
6. Mumtaz K., Takahahi S., Echigoya J., Kamada Y., Zhang L.E., Kikuchi H., Ara K., Sata M. Magnetic measurements of martensitic transformation in austenitic stainlltss stel after room temperaturerolling. Mater. Sci., 2004, vol. 39, pp. 85-97.
GRATITUDE:
1. The work is fulfilled under financial support of Presidents' grant (Cn-419.2015.1).
2. Researches are made with the use of equipment of Centre of Collective Use by scientific equipment of Belgorod State University "Structure Diagnosis and Nanomaterials Features", Center of Collective Use "Nanotech" Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences of Tomsk Materials Centre of Collective Use.
Received 10 April 2016
Мельников Евгений Васильевич, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, аспирант, e-mail: melnickow-jenya@yandex.ru
Melnikov Evgeniy Vasilevich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Post-graduate Student, e-mail: melnickow-jenya@yandex.ru
Астафурова Елена Геннадьевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, e-mail: elena.g.astafuro-va@gmail.com
Astafurova Elena Gennadevna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Leading Research Worker, e-mail: elena.g.astafuro-va@gmail.com
Майер Галина Геннадьевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, e-mail: galinazg@yandex.ru
Mayer Galina Gennadevna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Junior Research Worker, e-mail: galinazg@yandex.ru
