Введение к работе
Актуальность работы. Аустеннтные нержавеющие стали, упрочненные атомами внедрения и дисперсными частицами карбидов и нитридов л сталь Гадфильда представляют важный класс конструкционных материалов. Отличительными характеристиками этих материалов являются высокая прочность и пластичность, износостойкость, склонность быстрому упрочнению при деформации, линейный характер кривых течения а(є) Управление прочностными и пластическими свойствами этих сталей невозможно без выяснения механизмов формирования высокой прочности при твердорастворном упрочнении и пластической деформации Причину уникального поведения стали Гадфильда связывают с деформацией скольжением в условиях высокой концентрации атомов внедрения и с механическим двоп-никованием. Решение вопроса о соотношении вклада скольжения и двойникования в стали I 'адфнльда и аустеннтных нержавеющих сталях, упрочненных атомами внедрения, имеет большое научное и практическое значение, которое может быть выяснено с использованием монокристаллов данных сплавов. Впервые высокая эффективность использования монокристаллов стали Гадфильда для выяснения природы деформационного упрочнения была показана Штремелем М А, и Коваленко И. А [1]. Использование монокристаллов аустеннтных сталей, упрочненных атомами внедрения и дисперсными частицами, позволяет получить целый ряд новых особенностей деформации, связанных с воздействием поля внешних напряжений на величину расщепления полных дислокаций а/2<110> на частичные дислокации Шоклн а/6<211>: сильную ориенташонную зависимость критических напряжений сдвига т«р, и, как предельный случай расщепления дислокаций а/2<1 Ю> на частичные дислокации Шокли, смену механизма деформации от скольжения к двойникованию. К настоящему времени эти вопросы в литературе разработаны слабо. В теоретических и экспериментальных работах предполагается, что с увеличением концентрации атомов внедрения, размера и объемной доли дисперсных частиц следует ожидать только возрастания т«р при сохранении скольжения единственным механизмом деформации и не рассматривается возможность формоизменения от скольжения к двойникованию. В отличие от общепринятых представлений о механизме деформации ГЦК кристаллов, в работе обнаружено, что при высоких концентрациях атомов внедрения С?0 7-4 ат.%, либо при дополнительном упрочнении дисперсными частицами пластическая деформация в аустеннтных нержавеющих сталях и стали Гадфильда при определенных ориентациях реализуется механическим двойникованием с самого начала пластического течения. Установлено, что достижение высокого уровня деформирующих напряжении в монокристаллах стали Гадфильда приводігг к деформации
4 двойникованием при сжатии в [ 111] ориентации и при растяжении в [001], в которых ранее в ГЦК низкопрочных сплавах замещения двойникование не наблюдалось. Выяснены физические причины, приводящие к двойникованию.
Цель работы. На монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей и стали Гад-фильда исследовать закономерности твердорастворного упрочнения атомами внедрения и дисперсионного твердения в зависимости от концентрации атомов азота и углерода Cc.n=0.4-1.3 вес. %, размеров дисперсных частиц карбидов и нитридов, величины энергии дефекта упаковки y„v=0 02-0 08 Дж/м", ориентации кристаллов и температуры испытания. С использованием высокопрочных монокрнстаїлов стали Гадфильда с высокой концентрацией атомов внедрения CY=0 9-1.3 вес. % и низкой у.,»=0 023 Дж/м" выяснить возможность смены механизма деформации от скольжения к двойникованию в зависимости от ориентации оси растяжения кристаллов и знака прилагаемой нагрузки (растяжение/сжатие), исследовать закономерности развития деформации двойникованием и деформационного упрочнения при деформации двойникованием и скольжением.
Научная новизна. 1 Впервые в монокристаллах стали Гадфильда при <111>, <144>, <011>, <123>, <012> ориентации обнаружено интенсивное двойникование. Найдена ориен-тационная зависимость развития деформации двойникованием. 2. Впервые обнаружены ориентации <Ш>, <144>, <011>, в которых деформация двойникованием развивается с самого начала пластического течения и является основным механизмом формоизменения кристаллов. Найдена связь коэффициента деформационного упрочнения 0, линейной зависимости кривых течения а(е) с взаимодействием систем двойникования друг с другом. Предложена модель зарождения и распространения двойникования в ГЦК монокристаллах с высокой концентрацией атомов внедрения без учета предшествующего макроскопического скольжения. 3. Б аустенитных нержавеющих сталях с высоким содержанием атомов внедрения 00 4 вес. %, упрочненных дисперсными частицами карбидов и нитридов и в стали Гадфильда обнаружена ориентационная зависимость т«р. Показано, что отклонение от закона Боасса-Шмвда возрастает с увеличением концентрации атомов внедрения, размера и объемной доли частиц. Ориет-ационная зависимость х^ не зависит от типа атомов внедрения (азот, углерод), типа частиц вторичных фаз (карбиды, нитриды) и в сталях с высокой У„у=0.08 Дж/м2 реализуется при концентрации атомов внедрения С>0.5-0.7 вес. %. 4. Впервые в ГЦК монокристатлах стали Гадфильда при Т=300 К обнаружено развитие механического двойникования при сжатии в [ 1 Л] и при растяжении в [001] орнентациях, где системы двойникования за счет движения дефектов упаковки вычитания являются геометрически
разупрочненными по сравнению с системами скольжения. Двойникованне, как и скольжение в монокристаллах стали Гадфильда становится полярным механизмом. При растяжении в < 111 > кристаллах двойникованне реализуется за счет образования дефектов упаковки (ДУ) вычитания, при сжатии - ДУ внедрения.
Научно-практическая ценность работы заключается в экспериментальном доказательстве влияния концентрации атомов внедрения, ориентации кристаллов и температуры испытаний на смену механизма деформации от скольжения к двойникованию Экспериментально обнаруженное интенсивное деформационное упрочнение при двойниковании в монокристаллах стали Гадфильда с высоким содержанием атомов внедрения CV=0 93-1.3 вес. % может быть нспольмвано для разработки новых методов упрочнения путем совмещения твер-дорастворного упрочнения атомами внедрения и субструктурного упрочнения двойниковыми границами. Полученные на монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей, упрочненных атомами внедрения и дисперсными частицами, закономерности ориентащюнноГі зависимости механизма деформации могут быть применены для анализа деформационного упрочнения текстурированных поликристаллов аусгенитных нержавеющих сталей.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментально найденные закономерности ориентационной зависимости (отклонение от закона Боасса-Шмида) критических скалывающих напряжений в монокристаллах стали Гадфильда и аустенитных нержавеюших сталей в зависимости от концентрации атомов азота и углерода Сс.м>0 4 вес. %, размера дисперсных частиц нитридов и карбидов, ориентации кристаллов, величины энергии дефекта упаковки, температуры испытания. Дислокационная модель твердорастворного упрочнения и дисперсионного твердения, объясняющая орнентационнум зависимость критических скалывающих напряжений, основанная на учете изменения расщепления дислокаций а/2<110> в поле внешних напряжений на частичные дислокации Шокли а/6<211>.
-
Экспериментальное доказательство развития механического двойникования без предшествующего скольжения в монокристаллах стали Гадфильда. Дислокационная модель зарождения двойников по механизму "скользящего источника".
-
Экспериментально установленная для монокристаллов стали Гадфильда зависимость механизма деформации (скольжения и двойникования) от ориентации оси растяжения кристаллов. При растяжении в [ 111], [011], [ 377], [ 144] ориентациях деформация с самого начала пластического течения развивается двойникованием и является основным механизмом формоизменения кристаллов. При растяжении в [ 123], [012]. [ 113] ориентациях
о двойникованию предшествует скольжение. Стадийность ст(є) кривых определяется последовательным включением в деформацию скольжения, двойникования в одной системе и множественного двойникования.
4. Экспериментально установленная полярность деформации двойникованием в кристаллах стали Гадфильда. Развитие двойникования за счет образования дефектов упаковки вычитания при растяжении в [ 111] и при сжатии в [001] ориентациях и дефектов упаковки внедрения при сжатии в [ 111] и при растяжении в [001]
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях
-
V Российская научная студенческая конференция - Томск - 14-16 мая. 1996
-
1 Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" - Новгород. -15-18 октября, 1997.
-
IV Международная школа-семинар "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах".- Барнаул. - 2-7 сентября, 1998
4 Конференция молодых ученых. Физическая мезомеханика материалов. - г. Томск - 1-3, декабря, 1998.
-
XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов". - Ижевск-Екатеринбург. - 23-27 февраля, 1998.
-
V Российско-китайский симпозиум "Advanced materials and Processes". - Baikalsk, Russia. -27 июля-1 августа, 1999.
-
Бернштейновские чтения по термомеханической обработке. - Москва, МИСиС. - 27-28 октября, 1999,
-
XV Уральская школа металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов". -Екатеринбург. - Н-18 февраля 2000.
-
Школа-семинар молодых ученых '"Современные проблемы физики и технологии". -Томск.- 1-3 февраля 2000 г.
Публикации' По теме диссертации опубликовано 5 статей, 17 тезисов конференций Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 171 страницу машинописного текста, 87 рисунков, 21 таблицу. Список цитируемой литературы включает 128 наименований.
