CC BY
38
УДК 669.112.227:539.4.015
12 3 3 3 3
Ю.Ф. Иванов ' , К.В. Аксенова , Е.Н. Никитина , В.Е. Громов , Е.В. Корнет
Научно-исследовательский Томский политехнический университет 2Институт сильноточной электроники СО РАН 3Сибирский государственный индустриальный университет
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРНЫХ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СТАЛИ С БЕЙНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ*
Стали с бейнитной структурой в настоящее время нашли широкое применение в автомобилестроении, в энергетической отрасли, в производстве рельсов, высокопрочных труб для нефтегазовой промышленности и многих других отраслях промышленности [1 - 3]. Бей-нит является, пожалуй, наиболее сложной структурой, формирующейся в углеродистой стали при термической обработке. Это обусловлено протеканием процесса бейнитного превращения в области температур, где отсутствует диффузия атомов железа и легирующих элементов, но происходит интенсивное перераспределение атомов углерода [4, 5]. Эти процессы приводят к формированию фаз, существенно отличающихся содержанием углерода: а-фазы (твердый раствор на основе ОЦК кристаллической решетки железа); у-фазы (твердый раствор на основе ГЦК кристаллической решетки железа); карбидной фазы (цементит). Эксплуатация изделий из стали с бей-нитной структурой (особенно в экстремальных условиях) часто приводит к пластическому формоизменению материала, сопровождающемуся преобразованием его фазового состава и дефектной субструктуры.
Целью настоящей работы являлось обнаружение закономерностей эволюции фазового состава и дефектной субструктуры стали с бейнитной структурой в условиях пластической деформации до разрушения.
В качестве материала исследования использовали конструкционную сталь 30Х2Н2МФА [6]. Аустенитизацию стали проводили при температуре 960 °С в течение 1,5 ч; охлаждение осуществляли на воздухе. Деформацию стали проводили одноосным сжатием (со скоростью примерно 7-10-3 с-1) столбиков размерами 4^4x6 мм на испытательной машине типа «Инстрон». Исследования эволюции дефектной субструктуры и фазового состава стали
*
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект № 15-32-51228).
осуществляли методами электронной дифракционной микроскопии тонких фольг (прибор ЭМ-125). В качестве параметров, характеризующих деформационное поведение выделений, использовали средние размеры, плотность и объемную долю частиц карбидной фазы.
Характерный вид кривой деформационного упрочнения стали приведен на рисунке. Математическая обработка кривой деформационного упрочнения показывает, что зависимость с - в имеет параболический вид и описывается полиномом четвертой степени. Дифференцирование зависимости с - в, позволяющее определить коэффициент деформационного упрочнения стали 0, позволило выделить две стадии деформационного упрочнения: стадию с параболической зависимостью с - в (или убывающим коэффициентом упрочнения) и стадию со слабо изменяющимся отрицательным значением коэффициента упрочнения. Переход от первой стадии ко второй наступает в интервале степени деформации 19 - 25 %. Разрушение испытываемых образцов стали происходило при в ~ 0,43 путем хрупкого скола с образованием нескольких крупных осколков. Очевидно, что деформационное поведение образцов обусловлено изменением фазового состава и дефектной субструктуры материала. Характерные изображения структуры стали, формирующейся на различных этапах деформации, выявленные при исследовании материала методами электронной дифракционной микроскопии тонких фольг, представлены на рисунке.
Выполненный качественный и количественный анализ параметров структуры деформированной стали позволил выявить следующие закономерности в изменении фазового состава и дефектной субструктуры материала.
Во-первых, пластическая деформация одноосным сжатием стали 30Х2Н2МФА с бей-нитной структурой сопровождается многоплановым изменением состояния дефектной суб-
Кривая деформационного упрочнения стали с бейнитной структурой и характерные электронно-микроскопические изображения структуры, формирующейся при указанных стрелками степенях деформации: а, в, г, е - изображения в светлом поле, б, д - изображения в темном поле, полученные в рефлексе [031]Ее3С
(на поз. д стрелками указаны частицы цементита)
структуры стали, а именно, увеличением скалярной плотности дислокаций и объема материала, содержащего деформационные микродвойники; уменьшением средних продольных размеров фрагментов и увеличением степени их разориентации; увеличением количества концентраторов напряжений и амплитуды изгиба-кручения кристаллической решетки материала. Выполненные исследования позволили высказать предположение о смене механизма деформирования стали: на первой стадии нагружения (в <18 %) деформирование осуществляется преимущественно движением дислокаций; на второй стадии (18 % < в < 43 %) -движением дислокаций и двойникованием.
Во-вторых, пластическая деформация одноосным сжатием стали 30Х2Н2МФА с бейнитной структурой сопровождается эволюцией карбидной фазы материала. Выполненные исследования показывают, что карбидные превращения в бейнитной структуре протекают в рамках двух конкурирующих процессов, а именно, наблюдается растворение частиц цементита, образовавшихся в процессе бейнит-ного превращения в объеме пластин феррита, и выделение в процессе «деформационного старения» частиц цементита на элементах дислокационной субструктуры. Одновременно с трансформированием карбидной фазы наблю-
дается допревращение остаточного аустенита, инициированное деформированием стали и приводящее к увеличению объемной доли частиц цементита, расположенных вдоль границ раздела пластин феррита.
Выполненный количественный анализ параметров структуры стали позволяет проследить за перераспределением атомов углерода в структуре стали при пластической деформации. При использовании методических разработок, подробно изложенных в работах [7 -11], установлено, что с ростом степени деформации количество атомов углерода, располо-жгнных в твердом растворе на основе а-железа и формирующих частицы цементита, расположенные на внутрифазных границах (границах зерен, субзерен, пластин феррита), и количество атомов углерода, расположенных на дислокациях, увеличиваются; количество атомов углерода, формирующих частицы цементита, лежащие в объеме пластин бейнита, и расположенных в твердом растворе на основе у-железа, снижается [12, 13].
Выводы. Пластическая деформация одноосным сжатием стали 30Х2Н2МФА с бейнит-ной структурой сопровождается преобразованием материала на нескольких структурных уровнях: на уровне дефектной подсистемы (формирование микродвойников, эволюция
дислокационной субструктуры); на уровне карбидной подсистемы (растворение исходных и выделение новых частиц цементита); на атомном уровне (перераспределение атомов углерода между частицами карбидной фазы, кристаллической решеткой а-фазы и дефектной подсистемой). В совокупности указанные процессы определяют поведение стали при пластической деформации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. П и к е р и н г Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей / Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1982. - 184 с.
2. М а т р о с о в Ю.И., Л и т в и н е н к о Д.А., Г о л о в а н е н к о С.А. Сталь для магистральных газопроводов. - М.: Металлургия, 1989. - 288 с.
3. П а в л о в ВВ., Г о д и к Л.А., К о р -н е в а Л.В., К о з ы р е в Н.А., К у з н е -ц о в Е.П. Железнодорожные рельсы из бейнитной стали // Металлург. 2007. № 4. С. 51 - 53.
4. У те в с ки й Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 584 с.
5. К у р д ю м о в В.Г., У т е в с к и й Л.М., Э н т и н Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.
6. П р и д а н ц е в М.В., Д а в ы д о в а Л.Н., Т а м а р и н а А.М. Конструкционные стали: Справочник. - М.: Металлургия, 1980. - 288 с.
7. И в а н о в Ю.Ф., П о п о в а Н А., Г л ад ы ш е в С.А., К о з л о в Э.В. Взаимодействие углерода с дефектами и процессы карбидообразования в конструкционных сталях. - В кн.: Сб. трудов «Взаимодействие дефектов кристаллической ре-
шетки и свойства». - Тула: изд. Тульского политехн. ун-та, 1986. С. 100 - 105.
8. И в а н о в Ю.Ф., К о з л о в Э.В. Морфология цементита в мартенситной фазе стали 38ХН3МФА // ФММ. 1991. № 10. С. 203, 204.
9. И в а н о в Ю.Ф., К о з л о в Э.В. Анализ кинетики карбидообразования при самоотпуске и низкотемпературном отпуске конструкционной стали. - В кн.: Сб. трудов «Дефекты кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов». - Тула: изд. Тульского политехн. ун-та, 1992. С. 90 - 94.
10. И в а н о в Ю.Ф., К о з л о в Э.В. Многоступенчатая схема мартенситного превращения низко- и среднеуглеродистых малолегированных сталей // Материаловедение. 2000. № 11. С. 33 - 37.
11. И в а н о в Ю.Ф., К о р н е т Е.В., К о з -л о в Э.В., Г р о м о в В.Е. Закаленная конструкционная сталь: структура и механизмы упрочнения. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2010. - 174 с.
12. Г р о м о в В.Е., Н и к и т и н а Е.Н., И в а н о в Ю.Ф. Эволюция карбидной и дефектной подсистем стали с бейнитной структурой при деформации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 3. С. 49 - 56.
13. И в а н о в Ю.Ф., Г р о м о в В.Е., Н и -к и т и н а Е.Н. Эволюция карбидной подсистемы конструкционной стали с бейнитной структурой при деформации одноосным сжатием // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2015. Т. 12. № 2. С. 227 - 230.
© 2015 г. Ю.Ф. Иванов, К.В. Аксенова, Е.Н. Никитина, В.Е. Громов, Е.В. Корнет Поступила 05 октября 2015 г.
