CC BY
42
УДК 669.04:539.388
2012 г. С.В. Воробьев1, В.В. Сизое1, В.Е. Громов1, Ю. Ф. Иванов2, С.В. Коновалов1
Сибирский государственный индустриальный университет 2Институт сильноточной электроники СО РАН (г. Томск)
ГРАДИЕНТЫ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ 20Х23Н18 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ
_ ___ _ їк
ОБРАБОТКИ
Долговечность и надежность машин во многом определяются сопротивлением усталости отдельных деталей, так как в подавляющем большинстве случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные нагрузки, а основной вид разрушения - усталостный. Повышение усталостного ресурса нержавеющих сталей связывают с применением концентрированных потоков энергии, модифицирующих поверхность материалов [1]. Одним из перспективных методов, обладающим большими возможностями контроля подводимой энергии и перевода материала в неравновесное состояние, является электроннопучковая обработка [2 - 6], обеспечивающая высокие (до 108 °С/с) скорости нагрева и охлаждения поверхностного слоя и формирование предельных (до 108 °С/м) градиентов температуры. В результате в поверхностном слое создаются условия формирования градиентов структуры и фазового состава.
Целью настоящей работы является сравнительный послойный анализ формирования градиентов структуры, фазового состава и дефектной субструктуры стали аустенитного класса 20Х23Н18 после обработки высокоинтенсивным электронным пучком.
В настоящей работе модификацию поверхностного слоя стали осуществляли высокоинтенсивным электронным пучком субмиллисе-кундной длительности воздействия. Режим электронно-пучковой обработки: энергия электронов 18 кэВ; длительность импульса воздействия пучка электронов т = 50 мкс; количество импульсов воздействия N = 3; частота следования импульсов / = 0,3 с-1; плотность энергии пучка электронов Ец = 20 Дж/см2. Градиенты структурно-фазового состояния стали исследовали методами оптической и просвечиваю-
"Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 гг.» (гос. контракт № 02.740.11.0538).
щей дифракционной (метод тонких фольг) электронной микроскопии на расстояниях 0, 10, 80 и 200 мкм от поверхности обработки. Количественный анализ структуры стали осуществляли методами стереологии [7] и количественной электронной микроскопии [8]. Фазовый анализ стали проводили путем индици-рования микроэлектронограмм с использованием темнопольной методики [8, 9].
При усталостных испытаниях по схеме асимметричного консольного изгиба сталь в исходном состоянии разрушалась после 1,5 105 циклов нагружения, а обработанная сталь -после 3,3105 циклов [10]. В исходном состоянии исследуемая сталь является поликристал-лическим агрегатом. Средний размер зерен составляет 41,4 мкм (размеры реальных зерен изменяются в пределах 11,4 - 88,7 мкм). В объеме зерен выявляются хаотически распределенные дислокации и дислокации, формирующие сетки. Скалярная плотность дислокаций, определенная методом секущих, составляет приблизительно 4-10 см- . Характерным элементом зеренной структуры стали в исходном состоянии являются микродвойники; преимущественно обнаруживаются микродвойники одной системы двойникования, значительно реже - двух.
После электронно-пучковой обработки
средний размер зерен составляет 21,3 мкм. Структура слоя, расположенного на расстоянии приблизительно 10 мкм, во многом близка структуре поверхностного слоя. Выявляется поликристаллическая структура, в объеме зерен которой присутствуют микродвойники в виде тонких пластинок, группирующихся в пачки. Вторым элементом субзеренной структуры наряду с микродвойниками являются дислокации. Эти дислокации формируют преимущественно сетчатую субструктуру или распределены хаотически по объему зерна. Скалярная плотность дислокаций составляет приблизительно 3,8-10 см- .
Слой стали, расположенный на глубине приблизительно 10 мкм, находится в упруго напряженном состоянии. На это указывают изгибные экстинкционные контуры, выявляемые в зернах при анализе структуры материала методом тонких фольг. Местами формирования контуров (концентраторов напряжений) являются границы микродвойников, границы раздела зерен, границы раздела частиц второй фазы и матрицы (рис. 1). Частицы второй фазы имеют глобулярную форму; размеры частиц изменяются в пределах 30 - 60 нм. Частицы, как следует из анализа микроэлектронограмм, являются карбидами типа Ме23С6 состава (Ре,Сг)23С6, что характерно для исследуемой стали.
Структура слоя, расположенного на глубине приблизительно 80 мкм, подобна структуре рассмотренных выше слоев, отличаются лишь количественные показатели. На рис. 2 приведены зависимости, демонстрирующие изменение скалярной плотности дислокаций <р>, относительной объемной доли 5 материала, занятого микродвойниками, и поперечных размеров изгибных экстинкционных контуров к по мере удаления х от поверхности облучения стали электронным пучком. Отчетливо видно,
что электронно-пучковая обработка стали, как и следовало ожидать, сопровождается формированием в материале градиентной структуры, характеризующейся закономерным изменением указанных параметров стали. Выделяется слой, расположенный на глубине приблизительно 80 мкм. Структура этого слоя стали характеризуется относительно высокими значениями скалярной плотности дислокаций и относительно большой долей материала, занятого микродвойниками. С другой стороны, величина поперечных размеров изгибных экстинкционных контуров минимальна в слое, формирующем поверхность облучения, и увеличивается с ростом расстояния от поверхности обработки. Увеличение скалярной плотности дислокаций и доли материала, занятого микродвойниками, способствует увеличению прочностных характеристик материала [10]. Увеличение среднего поперечного размера изгибных экстинкцион-ных контуров соответствует снижению величины внутренних полей напряжений. Следовательно, можно констатировать, что электроннопучковая обработка стали 20Х23Н18 при плотности энергии пучка электронов 20 Дж/см2 приводит к формированию подслоя с повышенными прочностными свойствами.
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали 20Х23Н18 в слое, расположенном на глубине приблизительно 10 мкм, при обработке электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20 Дж/см2 (стрелками
указаны изгибные экстинкционные контуры)
Рис. 2. Зависимости скалярной плотности дислокаций
(----), относительной объемной доли занятого
микродвойниками материала (-) и величины
поперечных размеров изгибных экстинкционных
контуров (----) от расстояния от поверхности
обработки стали электронным пучком
Закономерным образом изменяется по мере удаления от поверхности облучения и тип дислокационной субструктуры стали (рис. 3). Выявлена сетчатая дислокационная субструктура и субструктура дислокационного хаоса. В стали, не обработанной электронным пучком (исходное состояние), оба типа дислокационной субструктуры присутствуют в равной степени. После электронно-пучковой обработки в поверхностном слое сетчатая дислокационная субструктура является единственным типом дислокационной субструктуры. По мере удаления от поверхности облучения количество сетчатой дислокационной субструктуры постепенно уменьшается.
Выводы. Электронно-пучковая обработка стали повышает ее усталостный ресурс в 2,1 раза и способствует формированию градиентов структуры и фазового состава, количественные характеристики которых закономерным образом изменяются по мере удаления от поверхности облучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж. Поута, Г. Фоти и Д. Ждекобсона. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.
2. И в а н о в Ю.Ф., К о в а л ь Н.Н., Г о р -б у н о в С.В. и др. // Изв. вуз. Физика.
2011. № 5. С. 61 - 69.
Рис. 3. Относительное содержание ДУ дислокационных субструктур стали 20Х23Н18, обработанной электронным пучком:
1 - субструктура дислокационного хаоса;
2 - ячеистая дислокационная субструктура
3. И в а н о в Ю.Ф., Го р б у н о в С.В., В о -р о б ь е в С.В. и др. // Физическая мезоме-ханика. 2011. Т. 14. № 1. С. 75 - 82.
4. Г о р б у н о в С.В., В о р о б ь е в С.В., И в а н о в Ю.Ф. и др. // Физика и химия обработки материалов. 2011. № 1. С. 61 -65.
5. Г р о м о в В.Е., Г о р б у н о в С.В., И в а -н о в Ю.Ф. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2011. № 10. С. 62 - 67.
6. Г р о м о в В.Е., И в а н о в Ю.Ф., В о р о -б ь е в С.В. и др. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2011. № 1. С. 57 - 63.
7. Ч е р н я в с к и й К. С. Стереология в металловедении. - М.: Металлургия, 1977. - 208 с.
8. Э н д р ю с К., Д а й с о н Д., К и о у н С. Электронограммы и их интерпретация. -М.: Мир, 1971. - 256 с.
9. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон и др. - М.: Мир, 1968. - 574 с.
10. Усталость сталей, модифицированных вы-
сокоинтенсивными электронными пучками / под ред. В.Е. Громова, Ю.Ф. Иванова. -Новокузнецк: изд-во «Интер Кузбасс»,
2012. - 403 с.
© 2012 г. С.В. Воробьев, В.В. Сизов, В.Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С.В. Коновалов Поступила 6 апреля 2012 г.
