CC BY
66
УДК 669.112.227.1:539.374
МЕХАНИЗМ ПЛАСТИЧНОСТИ И ФАЗОВАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ЛЕГИРОВАННОГО АЗОТОМ АУСТЕНИТА В Сг-Мп-Мо-СТАЛИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© В.В. Березовская, Р.З. Валиев, Ю.А. Соколовская
Ключевые слова: высокоазотистая аустенитная сталь; РКУП; двойникование; наноструктурирование; ТШ1Р-эффект.
Исследована эволюция структуры высокоазотистой (0,8 % N аустенитной стали 06Х18АГ19М2 в процессе комбинированной упрочняющей обработки, включающей горячую деформацию, закалку и РКУП разной степени деформации (е = 2,4; 4,8; 9,6). Установлено, что в результате такой обработки сталь значительно упрочняется (до 55HRC) и сохраняет высокий запас пластичности, а также немагнитность за счет высокой стабильности аустенита. Основной механизм высокой пластичности исследованной стали - двойникование, что можно считать свидетельством выраженного TWIP-эффекта.
Высокоазотистые (> 0,4 мас. % N коррозионностойкие аустенитные стали (ВАС) в настоящее время имеют преимущество перед другими сталями данного класса по прочности и пластичности, а также как перспективные материалы сберегающих технологий. Деформационное упрочнение является одним из наиболее эффективных методов дополнительного повышения их прочности, поскольку увеличение концентрации азота в у-твердом растворе приводит к повышению коэффициента к в уравнении Холла-Петча. Соответствующая степень холодной пластической деформации может обеспечить им прочность до ст0д до 3600 МПа и выше. Одним из путей создания ВАС следующего поколения может быть использование интенсивной пластической деформации с формированием в них наноструктурного состояния.
В работе исследована высокоазотистая (0,8 % N аустенитная сталь 06Х18АГ19М2 на разных этапах комбинированной упрочняющей обработки, включающей горячую деформацию, закалку и интенсивную пластическую деформацию методом РКУ-прессования. Установлено, что в состоянии после горячей деформации прокаткой при температурах 1200-1240 °С (ГД), как и после часового рекристаллизационного отжига при 1150 °С последующей закалкой в воде (ГД + З) сталь имеет высокую прочность и пластичность: а02 = 800 и 610 МПа; аВ = 1080 и 1035 МПа; 55 = 32 и 42 %; у = 54 и 59 %, соответственно. Твердость стали составила при этом 23 и 22 ИКС.
Интенсивная пластическая деформация стали проводилась на оборудовании Института физики перспективных материалов УГАТУ (г. Уфа) методом равноканального углового прессования (РКУП) с углом пересечения каналов 120°. Сталь деформировали при температуре 450 °С по маршруту Вс в несколько проходов, получив три степени деформации е = 2,4; 4,8 и 9,6, в результате чего твердость стали повысилась и составила соответственно 43, 52 и 55 ИКС.
Методом металлографии, рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) исследована структура
стали, формирующаяся в процессе технологических операций ковки, закалки и РКУ-прессования. В структуре стали после ГД выявлен только аустенит с размером зерна около 80 мкм. На поверхности шлифа наблюдался деформационный рельеф (рис. 1а) как результат планарного скольжения дислокаций с образованием полос скольжения (рис. 2а) и плоских скоплений дислокаций у границ зерен. Наблюдались также двойники отжига и матричный контраст, связанный с ближним упорядочением у-твердого раствора по хрому и азоту. Об упорядочении помимо матричного контраста преимущественно в двойниках отжига (рис. 2б) и контурах экстинкции фольги (рис. 2в) свидетельствовали размытые микродифракционные рефлексы нитридной фазы СгЫ (рис. 2г), имеющей упорядоченную ГЦК-структуру и период кристаллической решетки а =
= 0,4149 нм.
Рис. 1. Микроструктура исследованной стали после ГД - (а) и (ГД + З) - (б)
Структура стали 06Х18АГ19М2 после отжига при 1150 °С и закалки (рис. 1б) характеризовалась образованием двойников отжига (рис. 3а, б) все еще достаточно высокой, но неравномерной плотностью дислокаций как в зернах, так и двойниках отжига и сохранением признаков ближнего упорядочения в аустените в виде размытых рефлексов-спутников аустенита (рис. 3в).
Влияние деформации РКУ-прессованием проявилось при металлографическом исследовании стали 06Х18АГ19М2 в уменьшении травимости шлифа с повышением степени деформации. ПЭМ-исследо-ваниями показано, что деформация аустенита при
1961
РКУП протекает путем скольжения и двойникования, при этом каких-либо фазовых превращений в аустени-тене наблюдалось (рис. 4). Количество систем, по которым проходило двойникование, и плотность дислокаций зависели от степени деформации. Наблюдалась фрагментация аустенита дислокациями высокой плотности и двойниками по одной-двум (е = 2,4) и более (е = 4,8 и 9,6) семействам плоскостей, также фрагментированных дислокациями. Фрагменты в двойниках имели в основном вытянутую форму; в среднем разо-риентировка фрагментов составила 5-6°. Отмечались начальные стадии образования текстуры. После РКУП с е = 4,8 наблюдалось развитие процесса. Угол разори-ентировки фрагментов составил 8-10°. Местами наблюдалось сильное искривление пресекающихся двойников; вторичное двойникование с размером двойников 60 нм. Параллельно протекал процесс фрагментации аустенита между двойниками, форма таких фрагментов была более правильной, хотя размер составлял около 400 нм.
ных режимов РКУП сталь 06Х18АГ19М2 сохранила достаточный запас пластичности без признаков мар-тенситного превращения и начала разрушения.
Рис. 2. Тонкая структура стали после ГД: а - двойник отжига и полосы скольжения; б - двойник отжига с матричным контрастом; в, г - матричный контраст в контурах экстинкции и микродифракция этого участка структуры; д - схема индици-ровния
Рис. 3. Тонкая структура стали после (ГД + З): а, б - слияние полос скольжения в двойники отжига; в - микродифракция участка структуры на рис. 3б; в - схема индицирования
Основной особенностью степени деформации е = 9,6 было дальнейшее измельчение фрагментов за счет появления более тонких двойников (40 нм) и дробления дислокационных фрагментов аустенита между двойниками (175 нм). После всех исследован-
Рис. 4. Тонкая структура стали после РКУП разной степени деформации: а -2,4; б - 4,8; в - 9,6
Выводы
1. Показана возможность объемного наноструктурирования высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 путем многоциклового РКУ-прессования, которое приводит к значительному упрочнению стали до 55 HRC при е = 9,6, что более чем вдвое выше по сравнению с закаленным состоянием.
2. Высокая стабильность у-твердого раствора к мартенситным у ^ а и у ^ 8-превращениям в процессе комбинированной упрочняющей обработки, включающей закалку и РКУП при всех исследованных степенях деформации (е = 2,4, 4,8 и 9,6), обеспечивает стали необходимую для данного класса материалов немаг-нитность в широком интервале температур и степеней деформации.
3. Показана эволюция структуры исследованной ВАС в процессегорячей деформации, закалки и РКУ прессования. Установлено, что основной механизм интенсивной пластической деформации стали - двой-никование. Причем, формирование наноструктуры путем двойникования более эффективно, чем путем скольжения дислокаций, что с учетом высокой пластичности и вязкости стали, позволяет отнести ее к сталям с выраженным TWIP-эффектом.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (грант № 11-03-00065-а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Berezovskaya V.V., Valiyev R.Z., Sokolovskaya Y.A. MECHANISMS OF PLASTICITY AND PHASE STABILITY OF NITROGEN-ALLOYED AUSTENITE IN Cr-Mn-Mo-STEELS UNDER SEVERE PLASTIC DEFORMATION
The evolution of the structure of high nitrogen (0,8 % N) aus-tenitic steel 06Kh18AG19M2 during combined hardening treatment including hot deformation, quenching and ECAP varying degrees of deformation (e = 2.4, 4.8, 9.6) is researched. As a result of this treatment the steel was significantly hardened (55 HRC) and saved a high reserve plasticity, as well as non-magnetic due to the high stability of the austenite. The basic mechanism of high ductility is twinning, which can be considered the evidence of pronounced TWIP-effect
Key words: high nitrogen austenitic steel; ECAP; twinning, nanostructuring; TWIP-effect.
1962
