Введение к работе
Актуальность работы. Актуальным направлением физики конденсированных сред является разработка научных основ качественного улучшения свойств металлов и сплавов путем измельчения элементов их структуры до ультрамелкозернистого состояния методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
Высокомарганцевые аустенитные стали, склонные к развитию механического двойникования в широком интервале температур, являются перспективными объектами для создания на их основе методами ИПД высокопрочных наноструктур-ных материалов с высокой плотностью низкоэнергетических границ специального типа 23п В данных сталях двойники деформации вызывают измельчение структуры, разбивая зерно на более мелкие субзерна, при этом двойниковые границы служат препятствием для движения дислокаций и способствуют высокому деформационному упрочнению.
Исследование монокристаллических материалов в качестве модельных объектов позволяет максимально исключить вклад в упрочнение от исходных границ зерен и изучить эволюцию структуры в пределах одного зерна, а также в чистом виде рассмотреть возможность перехода от монокристаллического к наноструктурному состоянию при ИПД. Изучение деформационного поведения сплавов с разной энергией дефекта упаковки и, следовательно, с различной склонностью к двойни-кованию позволяет проследить процессы формирования разной доли границ общего и специального типов и исследовать их влияние на стабильность структуры и механических свойств при отжигах.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных по исследованию влияния ИПД на структуру и свойства различных металлов и сплавов. Однако работ по изучению закономерностей измельчения структуры аустенитных сталей, склонных к деформации двойникованием, единицы (например, работы [1, 2]), но они показывают хорошую перспективу использования этого класса материалов для создания высокопрочных наноструктурных состояний методами ИПД.
Цель данной работы - установление закономерностей эволюции структуры и фазового состава монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с разной энергией дефекта упаковки при кручении под квазигидростатическим давлением при разных температурах и последующих отжигах.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
-
Установить закономерности и механизмы измельчения структуры и изменения микротвердости монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей Fe-13Mn-l,3C, Fe-13Mn-2,7Al-l,3C, Fe-28Mn-2,7Al-l,3C (мас. %) с разной энергией дефекта упаковки в условиях холодного и теплого кручения под квазигидростатическим давлением.
-
Выявить влияние энергии дефекта упаковки, степени деформации и температуры кручения на закономерности развития механического двойникования, локализации пластического течения и фазовых переходов при кручении под давлением монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей.
-
Изучить эволюцию микроструктуры, фазового состава и микротвердости исследуемых сталей, подвергнутых кручению под давлением, во время последующих отжигов и установить структурные факторы, определяющие термическую стабильность ультрамелкозернистой структуры и высокие значения микротвердости.
4 Научная новизна.
-
Впервые проведено комплексное исследование механизмов деформации и фазового состава монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей Fe-13Mn-l,3C, Fe-13Mn-2,7Al-l,3C, Fe-28Mn-2,7Al-l,3C с разной энергией дефекта упаковки (ЭДУ) в условиях холодного и теплого кручения под квазигидростатическим давлением. Установлено, что независимо от ЭДУ и температуры деформации механическое двойнико-вание отвечает за формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с высокой плотностью границ специального типа и приводит к увеличению микротвердости сталей. С увеличением ЭДУ и температуры деформации увеличивается толщина двойников и расстояние между ними, возрастает склонность к локализации пластического течения. Увеличение плотности дислокаций в стали Fe-13Mn-l,3C по сравнению со сталями Fe-13Mn-2,7Al-l,3C, Fe-28Mn-2,7Al-l,3C при кручении в условиях комнатной температуры обусловлено деформацией в области температур развития динамического деформационного старения.
-
Выявлены особенности развития высокотемпературного двойникования при кручении монокристаллов высокомарганцевых аустенитных с разной ЭДУ при температурах 23 и 400С. Показано, что однородность структуры и распределения микротвердости по диаметру образцов в сталях Fe-Mn-(A1)-C при кручении под давлением возрастает с ростом плотности двойниковых границ.
-
Экспериментально установлено влияние состава стали, температуры кручения и степени деформации на закономерности изменения значений микротвердости, структуры и фазового состава при отжигах монокристаллов сталей Fe-Mn-(А1)-С, подвергнутых кручению. Впервые выявлены структурные факторы, отвечающие за термическую стабильность микротвердости и УМЗ-характера структуры высокомарганцевых сталей, подвергнутых деформации кручением, которые определяются склонностью этих сталей к развитию механического двойникования и фазовыми переходами, происходящими при нагреве.
Теоретическая и практическая значимость работы. С использованием монокристаллов аустенитных сталей Fe-13Mn-l,3C, Fe-13Mn-2,7Al-l,3C, Fe-28Mn-2,7А1-1,ЗС с разной энергией дефекта упаковки установлены и описаны особенности формирования ультрамелкозернистых структурных состояний, включающих высокую плотность границ специального типа (двойниковых). Выявленные закономерности измельчения структуры в процессе ИПД монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей, связь микроструктуры с изменением микротвердости, данные по термической стабильности полученных структур позволяют разработать рекомендации по усовершенствованию технологии наноструктурирования металлических материалов.
Методология и методы исследования.
Для деформирования металлических образцов применяли метод ИПД - кручение под квазигидростатическим давлением (КГД). Для исследования структуры полученных образцов использовали методы оптической металлографии, просвечивающей и растровой (EBSD-анализ) электронной микроскопии, рентгеноструктур-ного анализа. Микротвердость образцов измеряли методом микроиндентирования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Механизмы измельчения структуры монокристаллов высокомарганцевого ау-стенита с высокой концентрацией атомов углерода (1,3мас.%) при кручении под квазигидростатическим давлением и их зависимость от энергии дефекта упаковки
и температуры деформации, обусловливающие повышение микротвердости; они включают формирование высокой плотности двойниковых границ, дислокаций скольжения, полос локализованной деформации, эффект динамического деформационного старения, фазовый у-а'-переход и дисперсионное твердение.
-
Экспериментальные доказательства развития механического двойникования как высокотемпературного механизма деформации монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей Fe-13Mn-l,3C, Fe-13Mn-2,7Al-l,3C, Fe-28Mn-2,7Al-1,ЗС при кручении под давлением при комнатной температуре и 400С и особенности его развития, заключающиеся в уменьшении плотности двойниковых границ при увеличении энергии дефекта упаковки и температуры деформации.
-
Структурные факторы и фазовые переходы, определяющие термическую стабильность высокопрочного состояния, сформированного при кручении под давлением в высокомарганцевых аустенитных сталях с разной энергией дефекта упаковки, включающие формирование стабильной двойниковой сетки в аустените и образование ультрамелкозернистой ферритной фазы при отжигах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждены на следующих мероприятиях: Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа, 2010 г.); 51-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Харьков, Украина, 2011г.); Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011 г.); Третьем Международном симпозиуме «BULK NANOSTRUCTURED MATERIALS» (Уфа, 2011 г.); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2011 г.); V Международной школе по физическому материаловедению (г. Тольятти, 2011 г.); Вторых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященных 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна (г. Черноголовка, 2011 г.); XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Магнитогорск, 2012 г.); XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В.А. Лихачева (Санкт-Петербург, 2012 г.); 52-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2012 г.); Международной конференции «Junior Euromat» (г. Лозанна, Швейцария, 2012 г.); V-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2012 г.); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (г. Томск, 2013 г.); V Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2013» (г. Звенигород, 2013 г.).
Достоверность полученных в работе результатов и обоснованность выносимых на защиту положений и выводов, сформулированных в работе, обеспечены использованием современных методов исследования, статистической обработкой экспериментальных данных и их согласием с теоретическими моделями и экспериментальными результатами других авторов.
Личный вклад соискателя заключается в получении и анализе результатов представляемой к защите работы, в совместной с научным руководителем постановке цели и задач исследования, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации. Монокристаллы аустенитных сталей были любезно предоставлены профессором Ю.И. Чумляковым.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ: из них 4 статьи в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 1 статья в зарубежном журнале, 13 публикаций в сборниках российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы из 213 наименований, всего 208 страниц текста, включая 81 рисунок и 13 таблиц.
