Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода Астафурова, Елена Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность работы. Актуальной задачей физического материаловедения является создание новых или модификация структуры известных материалов с целью оптимизации их свойств к определенным условиям эксплуатации. Нано- структурирование методами интенсивной пластической деформации (ИПД) открывает перспективы улучшения исходных физико-механических свойств материалов. Прогресс в этой области науки связан не только с созданием новых методов деформирования, но и с оптимизацией состава и структуры сплавов до ИПД и «зернограничным дизайном». В этой связи, на первый план выходят фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования, связанные с изучением модельных металлических материалов и направленные на генерацию знаний о механизмах и закономерностях фрагментации структуры металлов при деформации. Механическое двойникование может способствовать быстрому формированию при ИПД ультрамелкозернистой структуры с высокоугловыми низкоэнергетическими специальными границами ^3ⁿ, но для ГЦК материалов двойникование является низкотемпературным механизмом деформации и наблюдается достаточно редко. Поэтому поиск сплавов, склонных к высокотемпературному двойникованию, и всесторонняя аттестация особенностей проявления этого механизма открывает перспективу создания высокопрочных наноструктурных материалов с низкоэнергетическими высокоугловыми разориентировками между элементами структуры.

В качестве перспективных материалов для этих целей могут быть использованы высокомарганцевые аустенитные стали и сталь Гадфильда, склонные к двойникованию в широком интервале температур. К настоящему времени известен ряд работ (Штремель М.А., Чумляков Ю.И., Сехитоглу Х., Караман И. и др.), в которых проведено исследование механизмов деформации монокристаллов аустенитных сталей с азотом и углеродом и показана возможность развития механического двойникования в этом классе материалов с ранних степеней деформации при комнатной температуре. Однако остались не до конца изученными вопросы влияния энергии дефекта упаковки на эффекты двойникования и динамического деформационного старения в высокоуглеродистом аустените, отсутствуют систематические исследования температурного интервала развития двойникования в высокоуглеродистых сталях c разной энергией дефекта упаковки, не изучено влияние морфологии двойникования на стадийность деформационного упрочнения и разрушение. Сведения о влиянии энергии дефекта упаковки, ориентации кристалла и температуры деформации на упрочнение монокристаллов аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода в условиях простых схем деформирования (при растяжении и сжатии) позволит, в перспективе, создавать текстурированные материалы с набором заданных свойств и конструировать материалы «по типу стали Гадфильда», в том числе и методами ИПД. Подобные исследования также актуальны в связи с широким спектром применения аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов внедрения, в частности, стали Гадфильда, благодаря их высокой износостойкости и склонности к аномально высокому упрочнению при деформации.

Цель диссертационной работы - выявление закономерностей и механизмов деформации (скольжения, двойникования), деформационного упрочнения и разрушения монокристаллов аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода и анализ процессов формирования наноструктурных состояний при интенсивной пластической деформации высокомарганцевого аустенита.

В диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить закономерности пластического течения и механизмы деформации монокристаллов аустенитных сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C (мас.%) при растяжении в зависимости от величины энергии дефекта упаковки, ориентации монокристаллов и температуры деформации.

2. Исследовать влияние кристаллографической ориентации, скорости деформирования и типа дислокационной структуры на закономерности локализации пластической деформации при сжатии монокристаллов сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C.

3. Изучить особенности перехода «хрупкость-вязкость» и его взаимосвязь с развитием двойникования в монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C с разной энергией дефекта упаковки.

4. Исследовать влияние старения на закономерности пластического течения, особенности развития скольжения и механического двойникования в монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,0C, Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C.

5. Обобщить экспериментально установленные, с использованием различных ориентаций монокристаллов, закономерности пластического течения ау- стенитных сталей с высокой концентрацией атомов углерода при различных условиях деформации и выяснить механизмы влияния углерода и величины энергии дефекта упаковки на прочностные свойства и механизмы фрагментации сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C в условиях кручения под квазигидростатическим давлением.

Научная новизна:

1. Для монокристаллов сталей Fe-13Mn-1,3C (I), Fe-13Mn-2,7Al-1,3C (II) и Fe-28Mn-2,7Al-1,3C (III) с близкой концентрацией атомов углерода установлены различия в уровне критических скалывающих напряжений при Т>-50С ("V > т_кр^п > т_кр^ш, Дт<80МПа), обусловленные (1) изменением доли дислокаций с краевой компонентой вследствие увеличения энергии дефекта упаковки и (2) снижением диффузионной подвижности углерода при легировании алюминием и марганцем. С использованием прямых экспериментальных методов показано, что монокристаллы аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов внедрения и низкой энергией дефекта упаковки (Fe-13Mn-1,0C, Fe-13Mn-1,3C, в том числе дополнительно легированных водородом) являются нешмидовскими, так как в них наблюдается ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений, типа дислокационной структуры и механизма деформации на начальной стадии пластического течения. Нешмидовские эффекты ори- ентационной зависимости снижаются при повышении энергии дефекта упаковки стали (при легировании и повышении температуры) и при старении (выделении частиц цементитного типа).

5. 1. Экспериментально установлен температурный интервал развития двой- никования при растяжении монокристаллов высокомарганцевых аустенит- ных сталей с высокой концентрацией атомов углерода (Т=(-196)^400С для стали Fe-13Mn-1,3C, Т=(-196)-23С для сталей Fe-13Mn-2,7Al-1,3C и Fe-28Mn-2,7Al-1,3C), свидетельствующий о развитии механического двойнико- вания как высокотемпературного механизма деформации сталей с ГЦК решеткой. Для сталей Fe-13Mn-1,0C, Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C и Fe-28Mn-2,7Al-1,3C определены напряжения двойникования т_да в зависимости от ориентации монокристалла и температуры деформации, а также выявлены особенности развития двойников деформации, заключающиеся в уменьшении толщины двойниковых ламелей при понижении температуры испытания и старении, в отклонении габитусных плоскостей двойников от плоскостей типа {111} при увеличении степени деформации скольжением, предшествующей двойникованию, и усилении планарности дислокационной структуры.

   2. Показано, что деформационное упрочнение при множественном сдвиге, наблюдаемое в монокристаллах с высокосимметричными ориентировками оси растяжения [ 111] и [001] 0=doIds=GI20^GI40, и при преобладании сдвига в одной системе 0=GI5O^GI8O определяется величиной свободного пробега дислокаций между дефектами кристаллического строения и не зависит от их типа, а именно, развитие мультипольных конфигураций в нескольких системах (муль- типолей и дислокационных листов) в сталях Fe-13Mn-2,7Al-1,3C и Fe-28Mn-2,7Al-1,3C вызывает сильное упрочнение по аналогии с множественным двойникованием в стали Fe-13Mn-1,3C.

   3. Изучены закономерности формирования макроскопических полос локализованной деформации, экспериментально наблюдаемых при сжатии [ 111]- монокристаллов сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, которые свидетельствуют о подавлении локализации деформации при развитии механического двойникования (при увеличении скорости деформации, отклонении оси кристалла от точной ориентации [111]) и изменении морфологии скольжения (при переходе от однородной к планарной дислокационной структуре).

   4. Установлено несовпадение температур перехода «хрупкость-вязкость» по фрактографическому и деформационному критериям в монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, которое определяется зависимостью температурного интервала развития двойникования от энергии дефекта упаковки стали, а также увеличением ширины двойниковых ламелей и уменьшением напряжений пластического течения при увеличении температуры деформирования.

   5. Показано, что при кручении под квазигидростатическим давлением монокристаллов аустенитных сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C и Fe-28Mn-2,7Al-1,3C, независимо от энергии дефекта упаковки стали и температуры деформации Т<400С, механическое двойникование определяет формирование наноструктурных состояний с границами специального типа (двойниковыми), устойчивых к нагреву до температуры 500С. Установлены последовательности структурно-фазовых превращений при кручении под квазигидростатическим давлением и особенности микроструктуры этих сталей после деформации, заключающиеся в:

   увеличении среднего расстояния между двойниковыми границами, уменьшении плотности двойников, искривлении их габитусных плоскостей вследствие увеличения энергии дефекта упаковки и температуры деформации;

   дополнительном увеличении плотности дислокаций и упрочнения в стали Fe-13Mn-1,3С по сравнению со сталями Fe-13Mn-2,7Al-1,3С и Fe-28Mn-2,7Al-1,3С при кручении в области температур развития динамического деформационного старения;

   активации эффектов дисперсионного твердения и фазовых у-а превращений во время кручения стали Fe-13Mn-1,3C при 7=400С, не испытывающей структурно-фазовых превращений при аналогичном отжиге без нагрузки.

   Научно-практическая ценность работы. Практическая значимость экспериментальных результатов, полученных на монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C (мас.%) при растяжении и сжатии, заключается в возможности их использования при выборе типа текстуры для разработки поликристаллических материалов с заданными характеристиками или для анализа деформационного упрочнения текстурированных поликристаллов аустенитных сталей данного класса.

   Предложенные в работе научные подходы, заключающиеся в проведении физического моделирования процессов пластического течения и измельчения структуры сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C при кручении под квазигидростатическим давлением, открывают перспективу разработки нового класса высокопрочных металлических материалов на основе модифицирования промышленных углеродистых сталей методами ИПД. Результаты исследований также позволят усовершенствовать существующие подходы к наноструктурированию металлических материалов и развивать новые направления исследований в науке и технике.

   Положения, выносимые на защиту:

   3. 1. Закономерности температурной и ориентационной зависимости критических скалывающих напряжений в аустенитных сталях Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C, которые определяются диффузионной подвижностью углерода в аустените и зависимостью доли дислокаций с краевой компонентой и величины расщепления полных дислокаций a/2<110> от энергии дефекта упаковки стали.

      2. Экспериментально установленный интервал развития двойникования как высокотемпературного механизма деформации в аустенитных сталях Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C и закономерности изменения морфологии двойников деформации, которые заключаются в отклонении двойниковых границ от плоскостей {111} скольжения и двойникования в ГЦК решетке, изменении толщины двойников и их плотности при изменении температуры деформирования, типа дислокационной структуры при скольжении и при старении.

      3. Механизмы, определяющие подавление макроскопической локализации деформации при увеличении скорости деформации, отклонении оси кристалла от точной ориентации [ 111] и переходе от однородной к планарной дислокационной структуре при легировании алюминием в [ 111]-монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C при сжатии.

      4. Экспериментально установленные закономерности перехода «хрупкость- вязкость» и несовпадение температур перехода по фрактографическому и деформационному критериям в монокристаллах сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C, обусловленное зависимостью ширины двойниковых ламелей и напряжений пластического течения от температуры и энергии дефекта упаковки стали.

      5. Закономерности развития высокотемпературного двойникования при кручении под квазигидростатическим давлением монокристаллов сталей Fe-13Mn-1,3C, Fe-13Mn-2,7Al-1,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,3C с разной энергией дефекта упаковки, которые определяют формирование ультрамелкозернистой структуры с границами специального типа (двойниковыми) и ее стабильность к нагреву.

      Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами государственных научных программ и грантов: проекта РФФИ №07-08-00064-а (2007-2009 гг.); гранта CRDF-BRHE (проект BF6M16) (2007-2009 гг.); гранта Президента РФ МК-1436.2008.8 (20082009 гг.); проекта 3.6.2.2 Программы фундаментальных исследований СО РАН № 3.6.2 (2007-2009 гг.); проекта РФФИ №09-08-99062-р_офи (2009-2010 гг.); проекта ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России», г/к №П2366 от 18.11.2009 (2009-2011 гг.); проекта III.20.2.2. Программы фундаментальных исследований СО РАН III.20.2. (2010-2012 гг.); проекта РФФИ №11 -08-98019-р_сибирь_а (2011-2012 гг.); гранта Президента РФ МК-43.2011.8 (2011-2012 гг.).

      Апробация работы. Основные результаты были обсуждены на следующих всероссийских и международных мероприятиях: I Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" имени В. А. Лихачева и XXXIII семинаре "Актуальные проблемы прочности", Новгород, 1997; Международной школе- семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 1998; XV Уральской школе металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", Екатеринбург, 2000; VI Всероссийской конференции "Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов", Екатеринбург, 2001; International Workshop "Mesomechanics: foundation and application", Томск, 2001; LX Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности", Великий Новгород, 2002; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Тольятти, 2003; XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006; Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов», Томск, 2006; Второй Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2007; III Международной школе «Физическое материаловедение. Наноматериалы технического и медицинского назначения», Самара, Тольятти, Ульяновск, Казань, 2007; XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Екатеринбург, 2008; XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Нижний Новгород, 2008; Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», Томск, 2008; Третьей Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериа- лов», Москва, 2009; 15^th International Conference on the Strength of Materials, Дрезден, Германия, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2009; Первых московских чтениях по проблемам прочности материалов, Москва, 2009; XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Пермь, 2010; Открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и нанострук- турные материалы - 2010", Уфа, 2010; Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии», Санкт- Петербург, 2011; 3^nd International Symposium on Bulk Nanostructured Materials: from fundamentals to innovations, Уфа, 2011; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2011; XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012.

      Достоверность полученных в работе результатов и обоснованность выносимых на защиту положений и выводов, сформулированных в работе, обеспечены использованием современных методов исследования структуры и физико- механических свойств материалов, статистической обработкой экспериментальных данных и их сопоставлением с теоретическими моделями и экспериментальными результатами других авторов.

      Личный вклад автора в работу. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи при определении цели, анализе и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов.

      Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 15 публикаций в российских изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук, 9 статей в ведущих зарубежных изданиях и 2 раздела в коллективных монографиях.

      Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов и списка литературы из 212 наименований. Работа содержит 310 страниц текста, включая 108 рисунков и 16 таблиц.
      

      Похожие диссертации на Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода

      Механизмы деформации и разрушения монокристаллов высокоазотистых аустенитных нержавеющих сталейКиреева, Ирина Васильевна

      

      Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе поликристаллического алюминия Ангелова Галина Владимировна

      Механизмы деформации и разрушения монокристаллов никелида титанаСурикова, Наталья Сергеевна

      

      Влияние алюминия на механизмы деформации, деформационное упрочнение и разрушение высокопрочных монокристаллов стали ГадфильдаЗахарова Елена Геннадьевна

      

      Закономерности и механизмы деформации и переориентации кристалла при больших пластических деформациях аустенитной сталиШевченко Наталья Валерьевна

      

      Закономерности и механизмы локализации деформации с переориентацией кристаллической решётки в металлических сплавах Литовченко Игорь Юрьевич

      Закономерности и механизмы пластической деформации и структурно-фазовых превращений в монокристаллах сплавов TiNi(Fe, Mo) и TiNi(Fe)Сурикова, Наталья Сергеевна

      

      Механизмы деформации и разрушения аморфных и нанокристаллических сплавов, закаленных из жидкого состояния Поздняков Валентин Александрович

      

      Механизмы деформации и разрушения ферритно-мартенситной стали ЭК-181 : влияние нано(субмикро-)структурного поверхностного слояСинякова, Елена Александровна

      Закономерности распределения Р, Т-параметров в реакционной смеси металл-углерод при плоском ударно-волновом нагруженииНеверов, Сергей Леонидович