CC BY
63
УДК 621.74
Канд. физ.-мат. наук Г. В. Снежной
Запорожский национальный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОЙ МАРТЕНСИТНОЙ ТОЧКИ ^ В ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЯХ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА
Для нестабильных аустенитных хромоникелевых сталей вводится понятие истинной деформационной мартенситной точки , ниже которой существует однофазное состояние (аустенит), выше — двухфазное (аустенит и мартенсит деформации). Предлагается методика определения в хромоникелевых аустенитных сталях при пластической одноосной деформации сжатия. Установлено изменение магнитного состояния парамагнитного аустенита вблизи деформационной мартенситной точки .
Ключевые слова: аустенитная хромоникелевая сталь, магнитная восприимчивость, деформационная мартенситная точка, пластическая деформация.
Введение
Протекающие при пластической деформации мартенсигаые превращения метастабильных сталей играют большую роль в формировании физико-механических свойств промышленных нержавеющих сталей, которые широко используются в авиастроении. В этой связи изучение закономерностей у ® а' (а' — мартенсит деформации) превращения имеет практическую ценность. К настоящему времени наиболее изучены закономерности у ® а' превращений при сравнительно больших пластических деформациях [1— 6], а при малых — значительно меньше [7—9].
Обычно за начало у ®а' превращения принимают критическую область деформации (критическое напряжение), которая зависит от чувствительности и точности применяемого метода. Ее неоднозначность («плавание») наблюдается даже для одной марки стали, имеющей одинаковое исходное состояние. Исходя из этого, цель настоящей работы заключается в попытке экспериментально найти однозначную истинную деформационную мартенситную точку, при которой зарождается мартенсит деформации в общем случае, когда в исходном состоянии стали может присутствовать сравнительно низкое количество 8 -феррита. Для исследования начальной стадии зарождения мартенсита деформации использовался чувствительный интегральный физический метод идентификации а -фазы [10—12], учитывающий намагниченность парамагнитной аусте-нитной матрицы.
1 Экспериментальная часть
Исследовалась промышленная нержавеющая сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т следую-
щего химического состава (вес. %): 0,12% С, 1,316% Мп, 0,25% 81, 17,854% Сг, 9,42% N1, 0,121% Мо, 0,252% Т1, которую нагревали до 1183К, выдерживали 1, 5 часа и закаливали в воду. Для снятия поверхностных деформаций образцы (~ 3 х 3 х 1 мм3) полировались электрохимическим способом. При этом стремились достичь максимальной параллельности больших граней прямоугольного образца. При комнатной температуре осуществляли одноосную пластическую деформацию на сжатие, и степень такой деформации е рассчитывалась по отношению толщин до и после деформации (е = (- d) / ). При подготовке и испытании образцов тщательно следили за тем, чтобы поверхность их не загрязнялась какими-либо ферромагнитными примесями.
Удельную магнитную восприимчивость X образца находили по формуле [10, 11]:
Х Хэ
.1 • тэ I
(1)
где хэт — удельная магнитная восприимчивость эталонного вещества (например, соль Мора) с известной магнитной восприимчивостью, I и 1эт — соответственно, компенсационные токи в соленоиде для образца и эталона, т и тэт — соответственно, масса образца и эталона.
Для определения малых количеств ферромагнитной фазы (а -фазы) использовали выражение [10, 11]:
р = ^>т-.100% = [х Х1Х)].Н • 100% =
= [х- (Хо + X р )]• Н
•100%,
(2)
©Г. В. Снежной, 2011
ст
ст
а
а
а
а
где sm — ферромагнитная составляющая удельной намагниченности насыщения образца; s a -удельная намагниченность насыщения a - фазы; С — общая удельная магнитная восприимчивость образца; c¥ результирующая удельная магнитная восприимчивость Со парамагнитного аусте-нита образца и парапроцесса Сp a -фазы образца: = С0 + Ср ; H — напряженность магнитного поля.
Из экспериментальных зависимостей С = f (V H ) находили значения c¥ методом экстраполяции [10, 11] и по формуле (2) определяли количество ферромагнитной фазы в объемных процентах.
2 Анализ полученных результатов
С целью определения c¥ и Pa после каждого акта сжатия образца строились графики зависимости удельной магнитной восприимчивости С от обратной величины магнитного поля 1/ H при различных степенях относительной деформации e на сжатие (рис. 1). Экстраполируя прямые на ось ординат С при H ® ¥ находим значения . Затем по формуле (2) вычисляем результирующее количество ферромагнитной фазы Pa ( Pa = Ps + Pa', где Ps и Pa' — соответственно, количество феррита и мартенсита деформации) после каждого акта деформации образца (табл. 1).
Для нахождения удельной магнитной восприимчивости с0 парамагнитного аустенита был
построен график зависимости c¥ от Pa (рис. 2). Экстраполируя прямую на ось ординат c¥ для случая Pa ® 0 (отсутствует феррофаза), получим значение удельной магнитной восприимчивости
_О 3 /
парамагнитного аустенита c о = 4,8 • 10 м ¡кг.
Таблица 1 — Значения магнитных восприим-чивостей и количества феррофазы в зависимости от степени деформации сжатия образца стали 12Х18Н10Т
e, С , 10_8 м3/кг С¥ 5 Pa= , = Ps+ Pa'' Pa"
% ( H = 3,42 -105 Ам ) 1 л_8 3 / 10 м ¡кг % %
0,0 10,85 6,66 0,123 0,00
1,27 11,83 6,88 0,130 0,00
1,69 12,18 6,97 0,152 0,00
1,86 12,59 7,19 0,157 0,00
2,50 14,41 7,57 0,198 0,041
2,88 18,24 8,82 0,278 0,121
3,22 26,32 12,4 0,405 0,248
3,81 43,85 17,1 0,776 0,619
4,15 48,38 18,0 0,891 0,734
17
15 -
13
41
4 УдЗ
// 2
2 3 1/Н, 10"6(А/м)" а
Рис. 1. Зависимость х(1/H ) при различных значениях деформации e для стали 12Х18Н10Т:
a - 1 - 0 %, 2 - 1,3 %; 3 - 1,7 %, 4 - 1,9 %; б - 5-2,5 %, 6 - 2,9 %, 7 - 3,2 %, 8 - 3,8 %, 9 - 4,2 %
19-
16-
13-
«10--
7-
/
%<Г 4 —i—i—i— .8-10 "8м —i—i—i— 3/кг —i—i—i— —i—i—i— —i—i—i—
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис. 2. Зависимость результирующей удельной магнитной восприимчивости (аустенита и парапроцесса) стали 12Х18Н10Т от суммарного количества феррофазы Ра, возникающей при малых деформация
Исследуя начальную стадию у ® а' превращения, естественно, возникает вопрос, в какой же критической точке е начинает зарождаться мартенсит деформации. Для ответа на этот вопрос построим график зависимости относительной деформации е от удельной магнитной восприимчивости с исследуемого образца стали 12Х18Н10Т (рис. 3), используя данные из таблицы. Как видим, наклоны прямых 1 и 2 (рис. 3) резко отличаются. Естественно, можно предположить, что прямая 1 при деформациях сжатия в интервале е = 0...1,86 % соответствует росту 5 -феррита от 0,123 до 0,157 %, а прямая 2 в интервале е=2,5...4,15 % соответствует возникновению и дальнейшему накоплению мартенсита деформации в присутствии 5 -феррита.
50
40
Л 30
20
10 -
^=13-1 п-8 3 0 м/кг
0,2
0,4
0,6
0,8
4-
1-
...
2/ /О
ss=2 1% ^413-10 м3/кг
"i
i :
10 20
30 40 10' м/кг
50 60 70
Рис. 3. Зависимость относительной деформации сжатия е от удельной магнитной восприимчивости с (Н = 3,42-105 А/м ) стали 12Х18Н10Т при весьма низких содержаниях мартенсита деформации
Если вычесть численные значения Д из Ра , то получим количество мартенсита деформации Ра в объемных процентах (см. табл. 1). Общая точка пересечения прямых 1 и 2 (см. рис. 3) дает значение: х5 = 13-10"8м3/кг и е5 = 2,4 %. Для раскрытия физического смысла точки с 5 и е 5 построим график зависимости удельной магнитной восприимчивости с (например, для Н = 3,42 • 105 АМ) от возникающего весьма низкого количества мартенсита деформации Ра' по данным таблицы (рис. 4). Если продолжить прямую зависимости с(Ра) для случая Ра ® 0 (отсутствует мартенсит деформации) на ось ординат с , получим значение с5 = 13•Ю-8м3/кг , которое совпадает со значением с 5, найденным из
Рис. 4. Зависимость удельной магнитной восприимчивости X (Н = 3,42 -105 А/М ) от возникающего весьма низкого количества мартенсита деформации Ра'
графика рис. 3. Как видим, с5 и е5 характеризуют границу между однофазным (аустенит) и двухфазным состоянием (аустенит и мартенсит).
В литературных источниках часто используют зависимости накапливающей феррофазы от относительной деформации, из которой приближенно определяют критическую область деформации и считают ее началом возникновения мартенсита деформации. В нашем случае подобная графическая зависимость возникающей ферромагнитной фазы Ра от относительной степени
1,0
0,6-
0,4-
0,2-
-
-
■
_ 1 ¿ 12
ó-- 1И—г—т—т—1 • l 1 1 1 lili lili
е, %
Рис. 5. Зависимость возникающей ферромагнитной фазы Ра от относительной степени сжатия е для стали 12Х18Н10Т: 1 - Ра = Р5 + Ра ; 2 - Ра = Ра
сжатия е представлена на рис. 5 для случаев когда Ра = Р5 + Ра. (кривая 1) и Ра = Ра. (кривая 2). По этим кривым практически можно только приближенно определить ранее найденную граничную точку е д. Поэтому лучшее ее находить, как было показано, из графика рис. 3.
Таким образом, экспериментально удалось определить стартовые точки и ед для нестабильной стали 12Х18Н10Т. Предлагается однозначную точку е д называть истинной деформационной мартенситной точкой по аналогии с известной истинной температурной мартенситной
точкой Т [13,14]. Ее физический смысл: ниже
точки е д существует однофазное состояние (аус-тенит), выше — двухфазное (аустенит и мартенсит деформации). При этом, эта точка е д является однозначной точкой для стали с данным химическим составом и данным исходным состоянием, а не «плавающей» областью критической деформации (или критического напряжения).
Заключснис
Проведенные исследования показали, что используя чувствительный магнитометрический метод определения весьма низких содержаний мартенсита в объемных процентах, удалось найти однозначную граничную точку относительного сжатия е д, которую предлагается назвать деформационной мартенситной точкой. Ниже точки е д существует однофазное состояние (аустенит) , выше — двухфазное (аустенит и мартенсит деформации). Для исследуемой стали 12Х18Н10Т (с данным химическим составом и предварительной закалкой в воду после выдержки 1,5 часа при температуре 1183 К) в процессе
одноосного сжатия найдено значение е д = 2,4%. При этом удалось выполнить эту задачу в присутствии незначительного содержания 8 -феррита в исходном состоянии до деформации.
Перечень ссылок
1. Банных О. А. Развитие исследований нержавеющих сталей / О. А. Банных // МИТОМ — 1977. - № 10. - 41 с.
2. Толмасов В. А. Изменение фазового свойства нержавеющей стали 1Х18Н9Т под влиянием пластической деформации / В. А. Тол-масов // ФММ. -1958. - Т.У1. - № 5. -С. 838-842.
3. Кайбышев О. А. Пластичность и сверхпластичность металлов / О. А. Кайбышев. - М. : Металлургия,1975. - 279 с.
4. Ибрагимов Ш. Ш. Мартенситное превращение и механические свойства нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облученной нейтронами / Ш. Ш. Ибрагимов, О. П. Максимкин, Д. Х .Садвакасов // ФММ. - 1990. - № 7. -С. 3-5.
5. Малинов Л. С. Развитие мартенситных превращений при деформации в Бе-М -сталях различного состава / Л. С. Малинов, Е. Я. Харла-нова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1988. - № 1. - С. 11-14.
6. Влияние микролегирования на мартенситное превращение и свойства реакторных сталей / [В. М. Нетесов, П. А. Березняк, Л. С. Ожигов, В. В. Хондак] // Вопросы атомной науки и техники. Серия : Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - № 6 (84), - С. 24-27.
7. Максимкин О. П. Особенности кинетики образования а' -мартенсита при деформации нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облученной нейтронами / О. П. Максимкин, К. В. Цай, Д. Х. Садвакасов // Вестник НЯЦ РК. -2007. - Вып. 1. - С. 4-13.
8. 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. - Вып. 3. - С. 12-17.
9. Применение магнитных методов для исследования эволюции структуры в аустенит-ных 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. -2009. - № 4. - 2.(94). - С. 241 - 246.
10. Влияние магнитного момента парамагнитной матрицы на определение низких содержаний а -фазы в аустенитных сталях / [В. Л.Снежной, Ф. Д. Мирошниченко, В. Г. Канибо-лоцкий, Г. А .Охромий] // ФММ. - 1970. -Т.3 0. - Вып. 2. - С. 363-366.
11. Снежной Г. В. Интегральный физический метод идентификации а -фазы в аустенит-ных хромоникелевых сталях/ Г. В. Снежной, В. Г. Мищенко, В. Л. Снежной // Литье и металлургия. - 2009. - № 3 (52). -С. 241-244.
12. Мирошниченко Ф. Д. Магнитометрические весы с униполярной астатической системой и механико-магнитным зацеплением призмы / Ф. Д. Мирошниченко, В. Л. Снежной // Приборостроение. - К. : Изд-во «Техника», 1966. - № 2.
13. Сшжной Г. В. Змша мехашзму стартово! 14. Ольшанецкий В. Е. О физической трактовке
мжрокшетики мартенситного перетворення в мартенситной точки / В. Е. Ольшанецкий,
зал1зонжелевих стопах / Г. В. Стжной, В. Л. Снежной // ФММ. — 1973. — Т. 36. —
В. Л. Сн1жной // Металлофизика и новей- № 4. — С. 894—896.
шие технологи. — 2009. — Т. 31. — № 4. — С. 565-576.
Поступила в редакцию 06.09.2010
Снежной Г.В. Визначення деформацйно! мартенситно! точки e д в хромоткелевих сталях аустен1тного класу
Для нестабльних аустентних хромоткелевих сталей вводиться поняття дшсно1 де-формацшног мартенситног точки eд, нижче за яку iснуе однофазний стан (аустент), вище — двофазний (аустент i мартенсит деформацИ). Пропонуеться методика визначення eд в хромоткелевих аустентних сталях при пластичнш одноосьовш деформацИ стис-нення. Встановлено змту магнтного стану парамагнтного аустенту поблизу деформа-цшног мартенситног точки eд.
Ключов1 слова: аустентна хромошкелева сталь, магнтна сприйнятливсть, деформа-цшна мартенситна точка, пластична деформацш.
Snezhnoy G. Determination of deformation martensite point e x in chromiumnickel austenitic steels
For the unstable austenitic chromium-nickel steels notion of true strain martensite point e д is introduced, below which there is a single-phase state (austenite) above — a two-phase (austenite and martensite deformation). Method of determining e д in the chromium-nickel austenitic steels during plastic uniaxial compression is proposed. Changes in the magnetic state of the paramagnetic austenite near the deformation martensite point eд set.
Key words: austenitic chromiumnickel steel, magnetic susceptibility, deformation martensite point, plastic deformation.
