Разные типы изгиба зерен и их влияние на распределение плотности запасенной энергии в деформированной аустенитной стали Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3:001.8

РАЗНЫЕ ТИПЫ ИЗГИБА ЗЕРЕН И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЗАПАСЕННОЙ ЭНЕРГИИ В ДЕФОРМИРОВАННОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ

© С.Ф. Киселева, Н.А. Попова, Н.А. Конева, Э.В. Козлов

Ключевые слова: аустенитная сталь; пластическая деформация; упруго-пластическая деформация; изгибные экстинкционные контуры; деформационные микродвойники; внутренние напряжения; плотность запасенной энергии.

Исследовано влияние разного типа изгибов зерен на величину и распределение плотности запасенной энергии в деформированном материале. Полученные результаты распределения плотности запасенной энергии для отдельных зерен обсуждены на примере деформированной растяжением (е = 14 % и е = 25 %) аустенитной стали 110Г13.

Локальные внутренние напряжения, возникающие в деформированном материале, определялись по параметрам изгибных экстинкционных контуров, наблюдаемых на электронно-микроскопических изображениях фольги. Использована предложенная авторами методика [1]. На примере деформированной аустенитной стали 110Г13 проанализировано распределение плотности запасенной энергии внутри отдельных зерен. В локальных участках фольги деформация может быть как пластической, так и упруго-пластической [2, 3]. В каждом случае учтены либо составляющие упругой и пластической деформаций, либо только пластической деформации. Вычисленные компоненты тензора внутренних напряжений изгиба стп и кручения ст12 кристаллической решетки использованы для определения плотности запасенной энергии деформированного изотропного тела (для плоской задачи теории упругости) по формуле [4]:

1

Аи = -^[(1 -V) • (оп)2 + 2(012)2 4 ^

где ц - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; ст11 - напряжение изгиба; ст12 - напряжение кручения кристаллической решетки.

Результаты исследований. На электронно-микроскопических изображениях (рис. 1-4) структуры деформированной аустенитной стали 110Г13 присутствуют дислокации, одиночные деформационные микродвойники, пакеты микродвойников. Также на микрофотографиях видны изгибные экстинкционные контуры, а это свидетельствует о наличии в зерне локальных внутренних напряжений. При контролируемом угле наклона фольги в колонне микроскопа с помощью гониометра были проведены электронно-микроскопические съемки отдельного зерна поликристалла при разных углах наклона. Эти электронно-микроскопические изображения приведены на рис. 1а-1б, 2а-2в, 3а-3б, 4а-4б.

У

Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения деформированной растяжением (е = 14 %) стали с разными углами наклона оси гониометра: а - 1°, б - 3°. Отмечены изгибные экстинкционные контуры К11, К12, К21, К22. Показано направление дифракционного вектора ^

V к

0,5 мки

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения деформированной растяжением (е = 14 %) стали с разными углами наклона оси гониометра: а - 0°, б - 9°, в - 10,5°. Отмечены изгибные экстинкционные контуры К11, К12, К13, К2Ь К22, К23. Показано направление дифракционного вектора §

Вектор действующего отражения § в данном случае на снимках был перпендикулярен оси гониометра. Выбранный участок фольги, на котором проводились

б

2

1671

исследования, не содержал на пути перемещения контура границ раздела или разориентировки. На рис. 1 а-1 б и 3а-3б при наклоне гониометра наблюдается параллельное перемещение изгибных экстинкционных контуров в одном направлении, что свидетельствует о простом изгибе исследуемого участка фольги. В случаях же, представленных на рис. 2а-2в и 4а-4б, изгибные экстинкционные контуры перемещаются непараллельно самим себе, в результате чего они сближаются либо удаляются друг от друга. Это означает, что изгиб исследуемого участка фольги сложный. Анализ полученных результатов показал, что и при простом, и при сложном изгибах зерна деформация по зерну поликристалла является неоднородной. Одновременно внутри отдельного зерна присутствуют и пластическая, и упруго-пластическая деформации. Значения плотности запасенной энергии по зерну распределяются также неравномерно. Ниже в табл. 1 приведены средние плотности запасенной энергии в отдельных зернах и по всему образцу для двух степеней деформации: е = 14 % и е = 25 %. Из табл. 1 видно, что в аустенитной стали 110Г13 при е = 14 % значения средней плотности запасенной энергии <Аи> в зернах с разными типами изгиба заметно отличаются друг от друга. Более напряженным является отдельное зерно со сложным изгибом (рис. 2). В этом случае <Аи> = 21 Дж/см3. Среднее значение плотности запасенной энергии в зерне с простым изгибом (рис. 1) меньше по величине, чем <АЦ> в зерне со сложным изгибом и равно 15 Дж/см3. Плотность запасенной энергии в среднем по всему образцу составила 19 Дж/см3. Проведено сопоставление результатов, полученных в аустенитной стали 110Г13 при степенях деформации е = 14 % (рис. 1 и 2) и е = 25 % (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения деформированной растяжением (е = 25 %) стали 110Г13 с разными углами наклона оси гониометра: а - 4,3°, б - 6,1°. На микрофотографиях отмечены выделенные участки наблюдаемых на них изгибных экстинкционных контуров К11, К112, К21, К22. Показаны направления дифракционного вектора ^

Таблица 1

Средние плотности запасенной энергии, Дж/см3

Степень деформации, % Весь образец Отдельное зерно с простым изгибом Отдельное зерно со сложным изгибом

14 19 15 21

25 21 17 23

Рис. 4. Электронно-микроскопические изображения деформированной растяжением (є = 25 %) стали 110Г13 с разными углами наклона оси гониометра: а - 0°, б - 2°. На микрофотографиях отмечены выделенные участки наблюдаемых на них изгибных экстинкционных контуров К1і, К12, К2і, К22. Показаны направления дифракционного вектора g

Из табл. 1 видно, что при степени деформации є = 25 % наблюдаются такие же закономерности распределения плотности запасенной энергии, как при є = 14 %. При степени деформации є = 25 % в зерне со сложным изгибом среднее значение плотности запасенной энергии больше по величине, чем <AU> в зерне с простым изгибом. В среднем по всему образцу плотность запасенной энергии меньше, чем <AU> в зерне со сложным изгибом, но больше её значения на участке фольги, имеющем простой изгиб. Как и в случае є = 14 %, при степени деформации є = 25 % зерно со сложным изгибом является наиболее напряженным участком фольги.

Выводы. В аустенитной стали 110Г13 при степенях деформации є = 14 % и є = 25 % деформация внутри отдельных зерен и по всему образцу неоднородна, и значения плотностей запасенной энергии также неодинаковы.

Средняя плотность запасенной энергии для зерен со сложным и простым изгибами, а также в среднем по образцу в аустенитной стали при є = 14 % и є = 25 % отличаются по величине друг от друга. Для степени деформации є = 25 % значения <AU> выше, чем при є = 14 % во всех рассмотренных случаях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киселева С.Ф., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Определение внутренних напряжений и плотности энергии, запасенной при упруго-пластической деформации изотропного тела, по кривизне-кручению кристаллической решетки // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 1. С. 7-14.

2. Киселева С.Ф., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Распределение внутренних напряжений и плотности запасенной энергии внутри отдельного зерна деформированного поликристалла // Письма о материалах. 2012. Т. 2. С. 84-89.

1672

3. Киселева С.Ф., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Влияние микродвойников превращения на избыточную плотность дислокаций и внутренние напряжения деформированного ГЦК-материала // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 13. С. 70-74.

4. Смирнов А.А. Молекулярно-кинетическая теория металлов. М.: Наука, 1966. 488 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kiseleva S.F., Popova N.A., Koneva N.A., Kozlov E.V. DIFFERENT TYPES OF GRAIN BENDING AND THEIR INFLU-

ENCE ON DISTRIBUTION OF STORED ENERGY DENSITY OF DEFORMED AUSTENITIC STEEL

Effect of different type of grain bending on a value and a distribution of stored energy density in deformed material are studied. The received results about the distribution of stored energy density for individual grains are discussed on the example of deformed (tension, e = 14 % and e = 25 %) austenitic steel.

Key words: austenitic steel; plastic deformation; elastic-plastic deformation; bending extinction contours; deformation microtwins; internal stresses; stored energy density.

УДК 539.3

СТРУКТУРА И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ИЗГИБЕ МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ ТИТАНА С АЛЮМИНИЕМ

© В.П. Коржов, М.И. Карпов

Ключевые слова: жаропрочность; многослойный композит; интерметаллическое соединение; слоистая структура. Исследована микроструктура плоских многослойных композитов из жаропрочных интерметаллических соединений титана с алюминием. Композиты с размерами 30x50x2-3 мм получались методом диффузионной сварки под давлением пакетов, собранных из чередующихся тонких фольг титана и алюминия. Представлены результаты изгибных испытаний на кратковременную прочность в температурном интервале 550-850 °С.

Титановые сплавы характеризуются достаточной удельной прочностью, хорошими антикоррозионными свойствами и значительной жаропрочностью. Недостатком самого титана считается низкий модуль упругости, т. е. непригодность его для жестких конструкций. К жаропрочным сплавам на основе Т относятся сплавы систем ТьА1-Сг, ТьА1-Мп, ТьА1-Мо, ТьА1-У и некоторые другие [1-3]. Преимущество жаропрочных Ть сплавов - незначительный удельный вес и небольшие удельные напряжения при работе деталей в центробежных условиях. Это - диски, лопатки и другие детали газовых турбин.

Объективно сложилось так, что базовой системой жаропрочных титановых сплавов является система Ть А1. Преимущество алюминия перед остальными компонентами обусловлено его распространением в природе и доступностью, меньшей, чем у титана, плотностью. Введение алюминия повышает удельную прочность сплавов. С увеличением содержания А1 в Ть сплавах повышаются их жаропрочность и сопротивление ползучести, модуль упругости и склонность к водородной хрупкости. Жаропрочность литых сплавов достигается за счет интерметаллических выделений Т1зА1.

В данной работе предлагается жаропрочный материал с многослойной структурой, состоящей из слоев интерметаллических соединений титана с алюминием и твердого раствора алюминия в титане. Завершенной структурой должна считаться структура из слоев ин-терметаллида Т13А1 и твердого раствора А1 в Т1. Первые слои должны придавать материалу прочность при повышенных температурах, а слои относительно пластичного твердого раствора - трещиностойкость в нормальный условиях. Материал в виде массивных пластин получался диффузионной сваркой (ДС) много -

слойных пакетов под давлением, собранных из чередующихся тонких Ті- и А1-фольг.

Титан с алюминием образует пять химических соединений. Наиболее богатое алюминием соединение ТіА13 образовывалось уже при 600 °С на границе ТІ-А1 в виде диффузионного слоя толщиной ~2 мкм (рис. 1). По данным рентгеноспектрального анализа в титане содержалось 0,6-0,8 ат. % А1, а в А1 —0,25 ат. % Ті.

Рис. 1. Фрагмент микроструктуры поперечного сечения композита 12ПА113.1 из 40 Н- и 39 А1-фольг толщиной 50 и 30 мкм, соответственно, после ДС при 600 °С в течение 5 ч под давлением р = 28,5 МПа (отношение Н:А1 = 1,67)

Рис. 2. Микроструктура композита 12НА19 (44 Н- и 43 А1-фольг, отношение ТгА1 = 1,67) после ДС по режиму: 610 °С/5 ч (р = 26,7 МПа) + 950 °С/30 мин. (р = 13,3 МПа)

1673