Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Широкое техническое использование больших пластических деформаций в технологических процессах прокатки, волочения, создания субмикро- и нанокристаллических материалов определяют необходимость выяснения закономерностей и механизмов пластической деформации при высоких степенях деформации. В таких условиях могут развиваться различного типа неустойчивости пластического течения с активизацией ротационных мод деформации и формированием полос локализации деформации (ПЛД), в том числе, с переориентацией кристаллической решетки.
Явление локализации деформации играет важную роль в процессах пластической деформации металлических материалов, часто определяет технологические режимы их обработки и контролирует процессы разрушения. К настоящему времени предложен ряд физических и структурных механизмов локализации деформации. Однако до сих пор во многих случаях эти механизмы не способны удовлетворительно описать физические закономерности этого явления или выявить его физическую природу.
Таким образом, не только с точки зрения развития физических основ технологии глубокой деформации, но и физики пластичности металлов и сплавов, решение проблем физической природы и механизмов формирования ПЛД различного типа является весьма актуальным. В последние годы эта актуальность возрастает в связи с интенсивным развитием новых технологий получения субмикро- и нанокристаллических структурных состояний многочисленными методами интенсивной пластической деформации (ИПД) и необходимостью выяснения основных закономерностей и механизмов переориентации кристаллической решетки при формировании этих состояний.
Тема диссертационной работы лежит в рамках этих проблем применительно к вопросам локализации деформации и формирования наноструктурных состояний при больших (интенсивных) пластических деформациях аустенитных сталей. В работе [1] для объяснения закономерностей переориентации кристаллической решетки в ПЛД указанных материалов предложен новый механизм деформации - механизм локальных обратимых (у-ж->у) структурных превращений мартенситного типа с осуществлением обратных превращений по альтернативным системам. Высказано предположение о важной роли указанных выше превращений при формировании наноструктурных состояний. Настоящая диссертационная работа является логическим продолжением и развитием этих работ и посвящена:
более строгому экспериментальному обоснованию указанного выше механизма деформации;
теоретическому анализу связанных с этим механизмом новых носителей деформации;
дальнейшему развитию представлений о (у-»а-»у) превращениях как механизмах образования в ГЦК кристаллах частичных и полных дислокаций и двойников деформации;
исследованию закономерностей формирования наноструктурных состояний в условиях реализации этих механизмов деформации.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является исследование закономерностей и выявление механизмов деформации и переориентации
кристаллической решетки в явлениях локализации деформации, механического двойникования, формирования при больших пластических деформациях аустенит-ной стали субмикро- (СМК) и нанокристаллических (НК) структурных состояний в условиях ее фазовой нестабильности в полях напряжений.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
Электронномикроскопическое исследование закономерностей переориентации кристаллической решетки, дефектной субструктуры, локальных внутренних напряжений и особенностей деформационных фазовых (мартенситных) превращений в полосах локализации деформации аустенитных сталей в процессе их прокатки при комнатной температуре. Анализ механизмов пластической деформации и роли локальных обратимых (у->а->у) структурных превращений мартенситного типа при формировании этих полос.
Теоретический анализ дисторсий кристаллической решетки в зонах (у-»а->у) превращения, приводящего к формированию полос локализации деформации с 60<110> переориентацией кристаллической решетки. Выяснение относительного вклада различных мод деформации и переориентации кристалла в общую дистор-сию этого превращения.
Исследование эволюции дефектной субструктуры и деформационных фазовых превращений в аустенитной стали при больших (интенсивных) пластических деформациях прокаткой и кручением в наковальнях Бриджмена. Выявление основных закономерностей и механизмов формирования в этих условиях СМК и НК структурных состояний.
Разработка (с использованием различных вариантов у->а—»у превращения) новых (не полюсных) моделей механического двойникования и зарождения частичных дислокаций как носителей двойниковой моды деформации. Физическое обоснование активизации явления механического двойникования на заключительных этапах формирования наноструктурных состояний при интенсивной пластической деформации аустенитной стали.
Научная новизна.
В полях высоких локальных остаточных напряжений, формирующихся при больших пластических деформациях аустенитной стали 02Х17Н14М2, обнаружена а-фаза прямого плюс обратного (у—>ос-»у) превращения, являющаяся структурным доказательством указанного превращения как одного из механизмов пластической деформации и переориентации кристалла.
Предложена атомная модель (у-»сс->у) превращения мартенситного типа как механизма образования в ГЦК кристаллах частичных и полных дислокаций и двойников деформации. На ее основе дано физическое обоснование активизации частичных дислокаций и механического двойникования при пластической деформации ЩК материалов в субмикро- и нанокристаллических структурных состояниях и новые механизмы двойникования, обнаруживаемые в этих состояниях.
Проведен теоретический анализ дисторсий кристаллической решетки при образовании фрагментов 60<110> переориентации механизмом прямого плюс обратного (у-»а—уу) мартенситного превращения. Показано, что важную роль в реализации этого механизма играют однородная деформация превращения и связанные с ней диагональные компоненты тензора локальных напряжений.
Получены экспериментальные свидетельства важной роли локальных обратимых превращений мартенситного типа и механического двойникования при формировании наноструктурных состояний в процессе больших пластических деформациях аустенитной стали 02Х17Н14М2.
При величинах пластической деформации е>0,7 в стали 02Х17Н14М2 обнаружены наноразмерные частицы суперпарамагнитной а-фазы, образование которой может быть связано с формированием локальных неоднородностей состава, инициируемых интенсивными потоками деформационных точечных дефектов и высокими локальными напряжениями как важными термодинамическими и кинетическими факторами фазовых превращений.
Научная и практическая значимость.
Результаты экспериментального обоснования и теоретического исследования локальных обратимых (у-»а—>у) превращений мартенситного типа как механизмов пластической деформации с переориентацией кристаллической решетки имеют важное значение при решении таких фундаментальных проблем физики прочности и пластичности, как физическая природа неустойчивости пластического течения, механизмы локализации деформации, переориентации кристаллической решетки (в том числе, при формировании наноструктурных состояний) и деформационных фазовых (мартенситных) превращений в аустенитных сталях в условиях интенсивных внешних воздействий.
Разработанные в диссертации новые модели образования дислокаций и двойников деформации, помимо самостоятельной научной значимости, представляют интерес для анализа особенностей (механизмов) пластической деформации в высокопрочных субмикро- и нанокристаллических структурных состояниях.
Выявленные в работе закономерности эволюции микроструктуры и механизмы пластической деформации и переориентации кристаллической решетки в процессе больших пластических деформаций аустенитной стали прокаткой и кручением в наковальнях Бриджмена представляют существенный интерес при разработке новых технологических методов механической обработки, включая методы получения объемных СМК и НК металлических материалов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физической корректностью постановки и решения задач диссертации, использованием современных экспериментальных методов исследования и теоретических представлений физики твердого тела, соответствием экспериментальных результатов с данными других авторов.
Вклад автора состоит в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Образование при больших пластических деформациях аустенитной стали 02Х17Н14М2 деформационного а-мартенсита, являющегося промежуточной фазой локального обратимого (у-ж-»у) превращения мартенситного типа и экспериментальным свидетельством этого превращения как одного из механизмов пластической деформации и переориентации кристаллической решетки.
Тензор дисторсии при образовании фрагментов 60<110> переориентации кристаллической решетки механизмом прямого плюс обратного (у-их--»у) превращения мартенситного типа. Важная роль в реализации этого механизма однородной деформации превращения Бейновского типа. ..-,,. ;
Атомные модели образования частичных и полных дислокаций и двойников деформации в ГЦК кристаллах путем локальных обратимых (у-»а-»у) структурных превращений мартенситного типа, локализованных в двух или нескольких плоскостях скольжения. Обоснование с использованием этих моделей новых (не полюсных) механизмов двойникования и активизации в субмикро- и нанокристаллах частичных дислокаций и двойников деформации как следствия фазовой нестабильности аустенита в полях высоких локальных напряжений.
Локальные обратимые (у->а-»у) структурные превращения мартенситного типа и механическое двойникование (в том числе, механизмом у-»сс—»у превращения) как важные механизмы пластической деформации и переориентации кристаллической решетки в полосах локализации деформации аустенитных сталей и при формировании в этих материалах субмикро- и нанокристаллических структурных состояний.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции по физической мезомеханике (г. Томск, 2006), XVI Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Самара, 2006), Российской школе-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (г. Белгород, 2006), Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2005, 2006, 2007, 2008), Международной школе-конференции молодых ученых "Физика и химия наноматериалов" (г. Томск, 2005), Российской школе-семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (г. Томск, 2005, 2006),IV Международном семинаре "Наноструктурные материалы - 2007 Беларусь - Россия" (г. Новосибирск, 2007), International Symposium Bulk Nanostructured Materials: from fundamental to innovations (Ufa, 2007), III Международной школе "Физическое материаловедение" наноматериалы технического и медицинского назначения (гг. Самара, Тольятти, Ульяновск, Казань, 2007).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах. Перечень важнейших из них приведен в конце автореферата.
