Введение к работе
Актуальность. Фазовые и структурные превращения, происходящие при термической обработке сталей, осуществляются различными механизмами. В ходе превращений может изменяться кристаллографическая структура, фазовый состав, морфология и распределение структурных составляющих, размер зерна и другие параметры, что влияет на физико-механические свойства. Получить необходимые заданные свойства сталей и сплавов можно несколькими способами: созданием новых сплавов или изменением системы легирования имеющихся составов, путем совершенствования режимов термообработки, а также применением методов внешнего воздействия. Разного рода внешние воздействия - давление, сдвиговые напряжения в твердых телах, магнитные поля, облучение оказывают влияние на фазовые переходы. Их влияние сводится как к изменению температуры превращения, теплоты перехода и других характеристик, определяющихся чисто термодинамическими факторами, так и к изменению скорости превращения. Внешние воздействия представляют интерес не только как средства, с помощью которых можно целенаправленно регулировать конечную структуру и свойства сталей, но и как метод исследования фазовых превращений для выяснения их физической сущности и основных закономерностей. В связи с этим проведение исследований по изучению влияния различных внешних воздействий на структурные и фазовые превращения в легированных сталях и сплавах является актуальной задачей.
В настоящей работе большое внимание уделено воздействию магнитных полей разной напряженности на фазовые и структурные превращения. Поведение конструкционных материалов в сильных магнитных полях в широком температурном интервале от сверхвысоких до очень низких представляет практический интерес. Сильное магнитное поле способно вызывать развитие мартенситного превращения в сталях и сплавах, в которых при обычном охлаждении превращение не происходит даже при низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это обстоятельство имеет существенное значение для проектирования и эксплуатации устройств термоядерной энергетики, изготовленных из немагнитных сталей, работающих при криогенных температурах и испытывающих воздействия сильных
постоянных или импульсных магнитных полей. При этом необходимо учитывать инициирующее действие магнитного поля на мартенситное превращение, приводящее к появлению ферромагнитной фазы. Этот факт важен при выборе и аттестации немагнитных материалов, стабильных при глубоком охлаждении в отсутствии магнитного поля, поскольку изменение фазового состава или количественного соотношения структурных составляющих при воздействии магнитного поля неизбежно отразится на физико-механических свойствах материала.
Магнитное поле, влияя на прямое и обратное мартенситное превращение, открывает новые возможности для управления формой и размерами ферромагнетиков с памятью формы, которые применяются для изготовления термочувствительных силовых элементов, в качестве различного рода фиксаторов в медицине, в радиотехнических, акустических устройствах, а также магнитомеханических реле. Магнитным полем можно смещать температуры структурных фазовых переходов и влиять на морфологию мартенситной фазы. Параметры магнитной подсистемы ферромагнетика играют при этом решающую роль.
Успехи в изучении влияния магнитного поля на фазовые превращения в сталях по праву связаны с именем академика В.Д. Садовского. Новый этап в изучении и объяснении эффекта влияния магнитного поля на фазовые превращения в сталях начался более 40 лет назад, когда под его руководством были проведены целенаправленные эксперименты в сильных импульсных магнитных полях, которые по существу явились открытием в области исследований мартенситных превращений в магнитном поле. Перспективу более разностороннего использования этого способа воздействия на фазовые превращения при термообработке сталей открыло развитие техники получения постоянных магнитных полей высокой напряженности. Использование сильных постоянных магнитных полей представляет большие возможности в постановке и проведении экспериментов в широком диапазоне температур - до и после точек фазового перехода - особенно в сильно легированных сталях.
Кроме воздействия магнитного поля на фазовые превращения в диссертации рассмотрено влияние термической обработки на фазовые превращения и свойства мартенситностареющих сталей на основе
системы Fe-Ni, которые представляют как научный, так и практический интерес. Эти стали обладают сочетанием высокой удельной прочности и пластичности, а также рядом ценных технологических свойств, и являются конструкционным материалом, который широко используется для высокопрочных деталей ответственного назначения в авиационной, ракетной технике и атомной энергетике. Однако при термообработке таких сталей возникали проблемы, которые требовали проведения дополнительных исследований. Так, например, перекристаллизация сталей может осложняться проявлением структурной наследственности, при этом стандартная термообработка не достигает нужной цели - измельчение исходного аустенитного зерна отсутствует. Это отрицательно сказывается на механических свойствах сталей и вызвано рядом причин. Одна из них связана с химическим составом системы Fe-Ni, легированной углеродом, кобальтом, титаном, молибденом. Для решения проблемы исправления крупнозернистой структуры при термообработке и объяснения механизма проявления структурной наследственности необходимо было изучить начальные стадии образования аустенита в этих сталях, выявить закономерности их поведения при нагреве и охлаждении на разных этапах термической обработки. В диссертации рассмотрен ряд актуальных проблем, касающихся закалки сталей из межкритического интервала температур, условий образования ревертированного аустенита и его стабильности по отношению к разным видам воздействий.
Цель работы заключалась в установлении закономерностей и особенностей влияния сильных постоянных и импульсных магнитных полей на фазовые и структурные превращения в легированных сталях и сплавах, а также в выявлении механизмов образования аустенита в высоколегированных сталях при нагреве и внешних воздействиях для совершенствования и оптимизации режимов термообработки, обеспечивающих получение требуемого уровня свойств.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
- Проведено систематическое исследование действия импульсного магнитного поля на морфологию мартенсита в сплавах с атермической кинетикой, в которых мартенситные точки располагались в широком диапазоне температур от комнатной до температуры жидкого азота.
Изучено влияние различной морфологии мартенсита, полученной в сплаве неизменного химического состава под действием магнитного поля и при охлаждении, на особенности мартенситного и обратного а—>у превращения при нагреве, влияние типа мартенсита на механические свойства сплава.
Обобщены полученные экспериментальные результаты и проведен сравнительный анализ воздействия импульсного и постоянного магнитных полей на различные фазовые превращения - мартенситное, диффузионные (перлитное и бейнитное) и на остаточный аустенит в закаленных сталях.
Изучено влияние магнитного поля на дестабилизацию аустенита, стабилизированного различными обработками.
Исследованы особенности механизма образования аустенита и характер перекристаллизации высоколегированных мартенситностареющих сталей в зависимости от степени их легирования.
Исследованы условия образования аустенита в межкритическом интервале температур. Изучено влияние стабильности ревертированного аустенита к внешним воздействиям (температуре, длительному отпуску, пластической деформации) и видам нагружения (динамическим, статическим, циклическим) на комплекс механических свойств промышленных мартенситностареющих сталей.
Для решения поставленных задач были использованы сплавы в основном на основе системы Fe-Ni разной степени легирования, отличающиеся положением мартенситных точек, промышленные конструкционные стали, а также ряд модельных и промышленных высоколегированных мартенситностареющих сталей и сплавов.
Основные новые научные результаты и положения.
1. Установлено влияние магнитного поля на морфологию мартенсита в сплавах с мартенситными точками, расположенными ниже комнатной температуры. Обработка в магнитном поле, по сравнению с охлаждением, позволяет получать на одном сплаве без изменения химического состава твердого раствора несколько морфологических форм мартенсита. В сплавах с низкими мартенситными точками, в которых при обычном охлаждении возникает линзовидный мартенсит, под влиянием магнитного поля образуются кристаллы тонкопластинчатого мартенсита, которые при последующем охлаждении могут служить мидрибом кристаллов и обрастать дислокационной мантией. В сплавах, в которых при
обычном охлаждении образуется тонкопластинчатый мартенсит, с повышением напряженности магнитного поля происходит не только увеличение количества кристаллов, но и значительное увеличение толщины пластин мартенсита за счет их бокового роста.
Экспериментально обнаружено, что под действием магнитного поля может происходить изменение морфологического типа кристаллов мартенсита, кинетики превращения и увеличение его степени. Это позволило определить механические свойства мартенсита разной морфологии и изучить особенности обратного а—>у превращения при нагреве линзовидного и тонкопластинчатого мартенсита.
-
Установлены особенности влияния постоянного магнитного поля на изотермическое мартенситное превращение. Впервые построена С-образная кинетическая диаграмма превращения в магнитном поле в сплаве Н24Г4. По результатам анализа действия постоянного магнитного поля на сплавы с изотермической кинетикой мартенситного превращения построены трехмерные (объемные) кинетические диаграммы, на которых одновременно отражено влияние на мартенситное превращение напряженности магнитного поля, температуры воздействия и продолжительности изотермической выдержки при соответствующих температурах.
-
Выявлено инициирующее действие постоянного магнитного поля на распад переохлажденного аустенита в перлитной и бейнитной областях превращений, происходящих с изменением намагниченности фаз. Построена изотермическая диаграмма распада аустенита под действием магнитного поля в стали 110Г4 в перлитной области. Отмечено существенное влияние постоянного магнитного поля на процессы распада остаточного аустенита при отпуске закаленной стали.
4. Установлены особенности инициирующего влияния
магнитного поля на дестабилизацию аустенита, стабилизированного
различными способами (изменением размера зерна, пластической
деформацией, тепловой стабилизацией). Универсальность действия
магнитного поля относительно стабилизированного аустенита
(несмотря на различные причины стабилизирующих обработок)
является подтверждением термодинамических причин его влияния на
мартенситное превращение.
5. Обнаружены особенности перекристаллизации и различия
механизмов образования аустенита в мартенситностареющих сталях
различного состава. Установлено, что образование аустенита при
нагреве в зависимости от легирования осуществляется различными
механизмами: либо возникновением пластинчатых зародышей
аустенита одной ориентации, либо путем размножения ориентировок
у-фазы с последующим образованием аустенита единой ориентации,
совпадающей с первоначальной, либо наряду с пластинчатыми
зародышами образованием глобулярного аустенита. Детализирована
двухстадииная схема перекристаллизации мартенситностреющих
сталей разной степени легирования. Показано, что в зависимости от
легирования структурная память в исследованных
мартенситностареющих сталях может проявляться не в
восстановлении зерна, а сопровождаться образованием зародышей
аустенита нескольких ориентации в пределах одной мартенситной
пластины, связанных с исходной структурой ориентационными
соотношениями.
6. Выявлена зависимость стабильности ревертированного
аустенита от температуры и времени выдержки в межкритическом
интервале температур, длительного отпуска, термоциклической
обработки и пластической деформации. Экспериментально показано
положительное влияние ревертированного аустенита на механические
свойства нержавеющих мартенситностареющих сталей (ударную
вязкость, трещиностойкость).
Научная и практическая значимость работы.
Установленные в работе закономерности углубляют и расширяют существующие представления о влиянии магнитных полей на фазовые превращения. Уникальность воздействия магнитного поля заключается в том, что только с использованием этого метода можно было рассмотреть целый ряд вопросов, которые явились новой ступенью в развитии наших представлений о природе мартенситных и других фазовых превращений, происходящих при термической обработке сталей. Варьируя напряженность поля и температуру его наложения, можно получать различные структурные и морфологические формы мартенсита на одном сплаве без изменения химического состава твердого раствора, сравнить механические характеристики мартенсита разных морфологических форм, а также при соответствующих условиях в одном и том же сплаве наблюдать
развитие изотермического и атермического мартенситных превращений.
Научные результаты, полученные в работе, относятся к области фундаментальных исследований. Ценность проведенных исследований заключается в том, что в физическом металловедении появился новый раздел, в котором магнитное поле рассматривается в качестве фактора внешнего воздействия на фазовые превращения, и прежде всего мартенситное, которое лежит в основе закалки сталей. Этот раздел включен в курс лекций при подготовке студентов и аспирантов металлургических факультетов в ВУЗах (см. приложение 1 в диссертации).
С практической точки зрения, возможности метода магнитной обработки в отдельности и в сочетании с другими способами воздействия на структуру и свойства сталей находятся в прямой зависимости от техники создания сверхсильных импульсных и постоянных магнитных полей в достаточно больших объемах. В отдельных случаях технически доступные импульсные магнитные поля могут являться способом локального упрочнения, существенно уменьшающим количество остаточного аустенита, и использованы в направлении улучшения механических свойств сплавов и сталей.
Установленные в работе закономерности влияния легирования на перекристаллизацию высоколегированных сталей использованы при разработке оптимальных составов сталей и специальных режимов термической обработки деталей ответственного назначения, применяемых в авиационной, ракетной промышленности и в судостроении (см. приложения 2, 3 в диссертации).
На основании исследований и анализа структурных превращений в межкритическом интервале температур разработаны и рекомендованы для промышленного внедрения режимы закалки промышленных марте нс итностареющих сталей 03Х11Н8М2Ф, 03Х11Н10М2Т, 03Х10Н8К10М5Т, с целью получения достаточного количества ревертированного аустенита требуемой стабильности. Это позволило существенно повысить механические свойства (особенно ударную вязкость при отрицательных температурах), сократить количество брака и улучшить качество сварных конструкций из этих сталей (см. приложение 3).
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, многократно докладывались на всероссийских и международных
конференциях: Уральской школе металловедов-термистов (1983, 1985, 1987,1989,1998,1999,2000,2002,2004,2006,2008 гг.), ХШ Всесоюзной конференции «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (г. Каунас, 1989 г.), ІУ Международной Молодежной школе, Болгария (г. Варна, 1990 г.), XIY Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (г. Суздаль, 1990 г.), IV Симпозиуме "Стали и сплавы криогенной техники" (г. Батуми, 1990 г.), Международной конференции «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (г. Самара, 1992, 1995, 2009 гг.), IV Европейском Симпозиуме "ESOMAT-97", (Нидерланды, 1997 г.), Всероссийской конференции "Прочность и разрушение материалов и конструкций" (г. Орск, 1998 г.), 4-ом собрании металловедов России (г. Пенза, 1998 г.), Международных семинарах "Дислокационные структуры и механические свойства металлов и сплавов" (г. Екатеринбург, 1999, 2001, 2008 гг.), "Kurdyumov memorial international conference on martensite - KUVQCOM-99" (г. Москва, 1999 г.), Международных семинарах «Современные проблемы прочности» (г. Старая Русса, 2001, 2003 гг.), Международной конференции по мартенситным превращениям ICOMAT-02, Финляндия (г. Хельсинки, 2002 г.), Бфнппейновских чтениях (г. Москва, 1996,1999,2001,2006 гг.), Петербургских чтениях по проблемам прочности (г. С.-Петербург, 2003,2007,2008 гг.), XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Калуга, 2004 г.), Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 1999, 2002, 2004, 2006 гг.), 5-ой школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (г. Магнитогорск, 2006 г.), III Российской конференции «Разрушение, контроль, диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.), Ш Международной школе-конференции «Физическое материаловедение и наноматериалы технического назначения» (г. Тольятти, 2007 г.), III Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2009», (г. Екатеринбург, 2009г.), а также на научных сессиях ИФМ УрО РАН (г. Екатеринбург, 2005, 2008 гг.).
Личный вклад соискателя состоит в постановке задач исследований, инициативе их проведения, обработке и трактовке экспериментальных результатов, которые получены лично соискателем или при его активном участии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ (в том числе одна монография и 26 статей в рецензируемых научных журналах, определенных Перечнем ВАК). Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 319 страницах, включая 116 рисунков, 18 таблиц. Список цитированной литературы содержит 295 наименований.
