Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурные уровни пластической деформации металлов и сплавов 12
1.1. Описание пластической деформации с позиций физической мезомеханики 12
1.1.1. Синергетическая природа пластического течения нагруженных твердых тел 13
1.1.2. Структурные уровни деформации. Эволюция дислокационных субструктур в процессах пластического течения 18
1.1.3. Связь масштабных уровней деформации со стадиями кривой "напряжение - деформация" 31
1.2. Особенности формирования субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала 38
1.2.1. Модификация поверхности за счет ультразвуковой обработки 3 8
1.2.2. Эволюция дислокационной структуры при равноканальном угловом прессовании 41
1.3. Постановка задачи 43
Глава 2. Материалы и методика исследований 45
2.1. Материалы исследований 45
2.2. Методы исследований 48
Глава 3. Армко - железо 51
3.1. Характер пластической деформации и разрушения субмикро кристаллических образцов 51
3.1.1. Результаты микро структурных исследований 51
3.1.2. Механизм распространения мезо- и макрополос локализованной деформации 60
3.1.3, Исследование механических характеристик 67
3.2. Влияние термического отжига на макролокализацию пластической деформации нагруженных образцов 68
3.2.1. Результаты микроструктурных исследований 68
3.2.2. Характер макролокализации деформации 75
3.2.3. Исследование механических характеристик 80
3.3. Механическое поведение образцов армко - железа, подвергнутых ультразвуковой обработке 83
3.2.1. Результаты микроструктурных исследований 83
3.2.2. Особенности локализации пластического течения поверхностных слоев 84
3.2.3. Исследование механических характеристик 85
3.4. Обсуждение экспериментальных данных 86
3.5. Выводы 93
Глава 4. Малоуглеродистая сталь Ст.З 96
4.1. Результаты микроструктурных исследований 96
4.2. Особенности локализации пластического течения субмикрокристаллических поверхностных слоев 104
4.3. Исследование механических характеристик 112
4.4. Обсуждение 113
4.5. Выводы 120
Глава 5. Ферритпо-мартенситная сталь 16Х12В2ФТаР 122
5.1. Результаты микроструктурных исследований 122
5.2. Дюрометрические испытания 125
5.3. Испытания на трехточечный изгиб 127
5.3.1. Исследование пластической деформации на боковой поверхности нагруженных образцов 127
5.3.2. Исследование механических характеристик 129
5.4. Испытания на одноосное статическое растяжение 130
5.4.1. Исследование плоской поверхности нагруженного образца 130
5.4.2. Исследование механических характеристик 137
5.5. Обсуждение результатов 13 9
5.6. Выводы 141
Заключение 143
Список литературы 145
- Особенности формирования субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала
- Эволюция дислокационной структуры при равноканальном угловом прессовании
- Влияние термического отжига на макролокализацию пластической деформации нагруженных образцов
- Особенности локализации пластического течения субмикрокристаллических поверхностных слоев
Введение к работе
Актуальность темы
Одним из стратегических направлений разработки высокопрочных материалов нового поколения является их наноструктурирование. В последнее десятилетие значительный вклад в развитие представлений о нано- и субмикрокристаллических материалах внесли Г. Глейтер, М. Зехетбауэр, Р.З. Валиев, И.В. Александров, Р.К. Исламгалиев, Р.А. Андриевский, Н.И. Носкова, М.М. Мышляев, Г.А. Салищев, Ю.Р. Колобов, Е.Ф. Дударев, А.Н. Тюменцев и др. В работах [1-6] было показано, что комбинация малого размера зерен и большой доли дефектной фазы границ зерен, которая связана с высокими упругими напряжениями, повышенной плотностью зернограничных дислокаций и значительными искажениями кристаллической решетки в приграничных областях, обусловливает существенный рост прочностных характеристик. В то же время, независимо от способа получения субмикрокристаллической структуры увеличение прочности сопровождается значительным снижением величины относительного удлинения, причем равномерное удлинение практически отсутствует [7-11]. Это связано с тем, что создание неравновесной высокодефектной субструктуры и высокий уровень деформирующих напряжений обусловливают вовлечение в пластическую деформацию таких материалов механизмов высокого масштабного уровня. Локализация пластического течения на мезо- и макромасштабном уровнях происходит в виде распространения мезо- и макрополос локализованной деформации. Однако в литературе отсутствуют данные о систематических исследованиях масштабных уровней локализации пластического течения, структуры мезо- и макрополос деформации, а также их влияния на механические свойства нагруженных материалов.
Согласно принципам физической мезомеханики [12-16], поверхностные слои в нагруженном твердом теле являются важным мезоскопическим
6структурным уровнем деформации, который оказывает существенное влияние на характер пластического течения образца в целом. В связи с этим, одним из способов получения высоких значений прочности материала при сохранении его высокой пластичности может быть создание субмикрокристаллической структуры только в его поверхностном слое. В тоже время, несовместность деформации субмикрокристаллического поверхностного слоя и основного кристалла обусловливает сложнодеформированное состояние на их границе раздела и, как следствие, изменяет масштаб локализации деформации. Сопоставление деформационного поведения образцов, имеющих субмикрокристаллические поверхностные слои, и объемных субмикрокристаллических материалов позволит выявить роль границы раздела "поверхностный слой — основной объем материала", вскрыть закономерности развития масштабных уровней локализации деформации и предложить новые способы упрочнения материалов. На момент постановки задачи исследования в этом направлении отсутствовали.
Цель работы
Изучить закономерности развития пластической деформации на различных масштабных уровнях при нагружении образцов армко - железа и сплавов на основе железа, имеющих субмикрокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
Исследовать роль полосовой фрагментированной структуры в процессах пластического течения армко - железа, полученного при различных режимах равноканального углового прессования;
Изучить основные закономерности распространения полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в образцах, подвергнутых предварительным равноканальному угловому прессованию или ультразвуковой обработке поверхностного слоя;
Установить взаимосвязь локализации деформации на различных масштабных уровнях со стадийностью кривых "напряжение — деформация";
Выявить влияние исходного структурного состояния материала на эффект повышения механических свойств при нано структурировании его поверхностных слоев;
Разработать рекомендации по формированию субмикрокристаллических поверхностных слоев в перспективных конструкционных материалах для ядерной энергетики с целью одновременного повышения их прочности и пластичности.
Положения, выносимые на защиту:
Полосовая фрагментированная структура, сформированная в армко - железе в процессе равноканального углового прессования, является эффективным барьером для развития сдвиговой деформации на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях;
В субмикрокристаллических поверхностных слоях малоуглеродистой стали Ст.З и ферритно-мартен ситной стали 16Х12В2ФТаР распространение мезополос экструдированного материала происходит в виде двойных спиралей. Это связывается с "шахматным" распределением напряженно -деформированного состояния на границе раздела "поверхностный слой -основной объем образца";
Механизм формирования "шейки" и разрушение субмикрокристаллического армко - железа связан с самосогласованным развитием двух макрополос локализованной деформации, ориентированных вдоль направлений максимальных касательных напряжений по схеме диполя или креста;
Создание субмикрокристаллического поверхностного слоя в образцах из малоуглеродистой стали Ст.З и ферритно-мартенситной стали 16Х12В2ФТаР позволяет получить одновременное увеличение как прочности, так и пластичности материала.
8 Научная новизна. В работе впервые:
Изучены особенности локализации пластической деформации на различных масштабных уровнях в образцах армко - железа, малоуглеродистой и сложнолегированной сталей, имеющих субмикрокристаллическуго структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала;
Показано, что в развитие в субмикрокристаллических поверхностных слоях мезополос экструдированного материала происходит смещением отдельных ламелей друг относительно друга вовне образца. Это задерживает развитие макролокализации деформации и приводит к увеличению прочностных характеристик субмикрокристаллических образцов с одновременным увеличением их пластичности;
Проведены исследования влияния ультразвуковой обработки на характер пластического течения и механические свойства стали 16Х12В2ФТаР, находящейся в различных структурных состояниях. Определены режимы обработок, позволяющие получить одновременное увеличение как прочности, так и пластичности материала.
Практическая ценность работы
1. Выявлены влияние мезо- и макрополос локализованной пластической деформации на вид кривых "напряжение -деформация" и механические свойства субмикрокристаллических материалов;
2. Разработан принципиально новый метод упрочнения исследованных сталей путем создания в них субмикрокристаллических поверхностных слоев с барьерным подслоем. Он обеспечивает повышение прочности материала с одновременным увеличением его пластичности.
Апробация работы
Основные результаты работы отражены в 34 публикациях, в том числе в 8 статьях в реферируемых журналах. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях: "Korea-Russia International Symposium on Science and Technology (Ulsan, RepabLic of Korea, 2003; Томск, 2001, 2004); International Workshop "Mesomachanics: Foundations and Applications" (Томск, 2001, 2003), 4th International Conference on New Challenges in Mesomechanics "MESOMECHANICS 2002" (Aalborg, Denmark), Международная конференция "Современные проблемы физики и высокие технологии " (Томск, 2003), "Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов" (Томск, 2004), 1 Ith International conference on fracture (Turin, Italy, 2005), Международная конференция "Современные проблемы в машиностроении" (Томск, 2003, 2004), VI Всероссийская (международная) конференция "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем" (Томск 2003), Международная научно-практическая конференция "Современные техника и технологии" (Томск, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005), Всероссийская конференция молодых ученых "Физическая мезомеханика материалов" (Томск, 2000, 2001, 2002, 2003), Всероссийская конференция молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии" (Томск, 2003), Всероссийский научный семинар им. С.Д. Волкова "Механика микронеоднородных материалов и разрушение" (Екатеринбург, 2004), Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Техника. Инновации" (Новосибирск, 2001), Региональная школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы физики и технологии" (Томск, 2001, 2002, 2003, 2004), Всероссийская школа-семинар "Новые материалы. Создание, структура, свойства" (Томск, 2003, 2004).
10 Структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 166 страницах, включая 85 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 182 наименования.
Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи работы, представлены научная новизна результатов и их практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен анализ литературных данных, посвященных исследованию структурных уровней пластической деформации металлов и сплавов. Особое внимание уделено изучению различных типов дислокационных субструктур и их эволюции при активном нагружении, а также при интенсивной пластической деформации путем ультразвуковой обработки и равноканального углового прессования. Обсуждено влияние масштабных уровней пластического течения на стадийность кривых "напряжение - деформация". На основе анализа литературных данных сформулирована постановка задачи и обоснован выбор материалов для исследования.
Во второй главе содержится краткое описание методов создания субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала, а также экспериментальных методик изучения механизмов деформации на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях.
В третьей главе на примере субмикрокристаллического армко - железа, полученного при различных режимах равноканального углового прессования, выявлены механизм распространения мезо- и макрополос локализованной деформации, их тонкая структура, а также их влияние на механические свойства нагруженных образцов. Показано, что полосовая фрагментированная структура, сформированная в материале в результате предварительного равноканального углового прессования, является эффективным барьером для распространения деформации вдоль рабочей части нагруженного образца. С другой стороны, полосовая структура обусловливает быструю макролокализацию деформации и низкую пластичность субмикрокристаллических материалов. В связи с этим, было предложено создавать полосовую фрагментированную структуру только в тонком подповерхностном слое материала.
В четвертой главе показано, что несовместность деформаций высокодефектного неравновесного поверхностного слоя малоуглеродистой стали Ст.З, сформированного в результате ультразвуковой обработки, и основного объема материала обусловливают "шахматную" структуру напряжений на их границе раздела и распространение переплетающихся мезополос локализованной деформации, ориентированных по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. В процессе движения мезополоса испытывает смещение отдельных ламелей друг относительно друга вовне образца, задерживая развитие макролокализации деформации. В результате увеличивается прочность и пластичность нагруженных образцов.
В пятой главе исследованы процессы пластической деформации и механические свойства мало активируемой стали 16Х12В2ФТаР, подвергнутой ультразвуковой обработке, при трехточечном изгибе и одноосном статическом растяжении. Показано, что результат ультразвукового воздействия может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от исходного структурного состояния материала. Максимальное увеличение прочностных характеристик проявляется в закаленных и отпущенных образцах, имеющих мартенситную структуру. Напротив, ультразвуковая обработка прокатанных образцов, а также образцов, подвергнутых ионному азотированию, обусловливает понижение механических характеристик.
В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.
В диссертации принята двойная нумерация формул, рисунков и таблиц. Первая цифра указывает номер главы, а вторая — порядковый номер рисунка, таблицы или формулы внутри данной главы.
Особенности формирования субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала
Многократное пластическое деформирование ультразвуковым инструментом приводит к изменению геометрии поверхности, физического состояния поверхностного слоя и его структуры [57-62]. В результате воздействия относительно высоких напряжений и многократной нагрузки на поверхности изделия формируется слой с градиентной структурой, обусловленный изменением по глубине физико-механических свойств (микротвердости), характеристик субструктуры (скалярной плотности дислокаций), размера структурных элементов (размера зерен, дислокационной субструктуры, частиц вторых фаз) [63-68]. Изменение структуры поверхностного слоя выражается в виде линий скольжения, распространяющихся на значительную глубину. После ультразвуковой ударной обработки обнаружены разориентация субзерен и разрушение субграниц [69]. Кроме того, происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. Зерна металла смещаются друг относительно друга, сплющиваются, вытягиваясь в направлении деформирования, и частично дробятся [60]. Все выше сказанное позволяет говорить о существенной модификации структуры поверхностных слоев материала под действием ультразвуковой обработки.
Одним из существенных факторов, влияющих на эффект ультразвуковой обработки, является сила прижима ударного инструмента к образцу. Однако в работе [63] показано, что при увеличении силы прижима величина и глубина залегания остаточных напряжений не изменяется, что объясняется наличием у каждого материала так называемого порога упрочнения.
Увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний приводит к снижению неоднородности деформации, вызывает генерацию большого числа новых дислокаций. Ультразвуковая обработка с интенсивностью, характерной для каждого материала (не превышающей порогового значения), вызывает развитие множественного скольжения. При этом перемещение дислокаций происходит по многим направлениям и плоскостям, не участвующим в пластической деформации при статических нагрузках. На поверхности деталей, подвергнутых ультразвуковой обработке с интенсивностью выше пороговой, наблюдаются следы пластической деформации, полосы скольжения с высокой плотностью дефектов кристаллического строения. Их количество возрастает с увеличением амплитуды и продолжительности ультразвуковой обработки. При дальнейшем увеличении амплитуды ультразвуковой обработки плотность дислокаций не увеличивается, но нарушается ячеистая структура, и на месте ячеек появляются области со статически равномерным распределением дислокаций [63].
После ультразвуковой обработки существующие дислокации образуют сплетения различной формы, формируя в материале сложные текстуры.
Пластическое деформирование осуществляется множественным скольжением, которое происходит даже в тех плоскостях, которые энергетически для этого не пригодны [70]. Это может быть связано с наличием в металлах повышенной концентрации вакансий, которые взаимодействуют с дислокациями и способствуют их неконсервативному движению. Образование вакансий возможно в результате многократного взаимодействия дислокаций при ультразвуковом воздействии по различным механизмам.
В отличие от вышеизложенных исследований, в работе [71] убедительно показано, что пластическое деформирование в процессе ультразвуковой обработки осуществляется скольжением в основном по параллельным плоскостям, о чем свидетельствует направленность дислокационных скоплений внутри областей высокой плотности дислокаций. Сильно развитое поперечное скольжение и высокая подвижность дислокаций приводят к образованию специфической дислокационной структуры и создают впечатление множественного скольжения.
При исследовании дислокационной структуры образцов Fe, подвергнутых ультразвуковой обработке, также было обнаружено, что распределение дислокаций крайне неравномерно, и их скопление происходит преимущественно по границам. Дислокации, как правило, сосредоточены в вытянутых клубковых образованьях или сплетениях, они извилисты и несут на себе большую плотность ступенек, образуя области высокой и низкой плотности дислокаций [69, 72]. С увеличением времени обработки материала подобные области высокой и низкой плотности дислокаций все более четко оформляются. Сгустки дислокаций группируются и образуют очень четкие равноосные области высокой плотности дислокаций, разделенные областями с низкой плотностью дислокаций [72]. Скопления дислокаций у границ зерен, трещин и других дефектов структуры наблюдалось также и в других работах [71-74]. Можно полагать, что границы зерен являются преимущественными источниками зарождения новых дислокаций под действием знакопеременных напряжений посредствам работы источника Франка-Рида [75, 76].
Можно отметить, что для достижения той же степени-упрочнения, что и при ультразвуковой обработке, при растяжении требуется гораздо большее повышение плотности дислокаций. Это связано с тем, что при ультразвуковой обработке дислокационные элементы более мелкие, и они сравнительно равномерно заполняют объем скоплений. Еще одной причиной более высокой степени упрочнения по сравнению с деформацией растяжением при той же плотности дислокаций является взаимодействие точечных дефектов, генерируемых при ультразвуковой деформации, с имеющимися дислокациями. Проведенные в работе [72] исследования показали, что значительные изменения дислокационной структуры наблюдаются и при низких температурах (77 К), когда диффузионные процессы затруднены. Это дает основание считать, что ультразвуковое упрочнение в основном имеет дислокационную природу.
Вышеописанные изменения дислокационной структуры под действием ультразвуковой обработки приводят к существенному изменению многих механических свойств металла: увеличивается твердость, усталостная прочность, пределы текучести и прочности, сопротивляемость износу, уменьшаются относительные удлинение и сужение, изменяется коррозионная стойкость [60, 61, 77, 78].
Эволюция дислокационной структуры при равноканальном угловом прессовании
Для создания в объеме материала различных дислокационных субструктур (от хаотического распределения дислокаций до субструктуры с непрерывными и дискретными разориентировками) наиболее эффективным способом является равноканальное угловое прессование [1, 79-90]. Хорошо известно, что холодная прокатка или вытяжка также позволяют существенно изменить тип дислокационной субструктуры внутри материала, однако полученные структуры являются обычно ячеистыми или субструктурами, имеющими границы с малоугловыми разориентировками, причем последнее вызывает резкое снижение пластичности [91].
Размер зерен и характер формирующейся в результате равноканального углового прессования структуры зависят от режимов обработки [92-107]. В работе [107] подробно рассмотрено влияние числа проходов на структуру и механические свойства инварного сплава Fe-36%Ni, подвергнутого равно канальному угловому прессованию по режиму, при котором заготовка после каждого прохода поворачивается вокруг своей оси на 180. Показано, что после первого прохода зерна приобретают вид сплющенных эллипсов. Субструктура деформированных зерен включает по крайней мере 3 разновидности: ячеистую дислокационную и полосовую субструктуры. Полученная структура обусловливает высокий уровень твердости, прочности и внутренних напряжений. После деформации в два прохода практически восстанавливается полиэдрическая форма зерен, однако их границы становятся изогнутыми с резкими локальными изгибами и ступеньками. Следует отметить, что возврат к исходной форме зерен не сопровождается возвратом их субструктуры. Как и после первого прохода основной объем занимает полосовая структура, однако внутри полос появляются попереченые субграницы, разбивающие полосы на фрагменты. Субструктура начинает трансформироваться в удлиненно-фрагментированную, в результате упрочнение сплава нарастает. Рост прочностных свойств продолжается по мере дробления удлиненных фрагментов при увеличении количества проходов. Внутренние напряжения при этом мало изменяются, поскольку наклеп сводится к изменению формы фрагментов и увеличению разориентации между ними. Увеличение количества проходов сопровождается разрушением границ зерен, при этом субструктура становится однородной фрагментированной.
Необходимо отметить, что независимо от режима равноканального углового прессования увеличение прочности сопровождается значительным снижением величины относительного удлинения, причем равномерное удлинение практически отсутствует. Подобные результаты наблюдали для Fe, Си, Ті и других материалов [4-11, 108-123]. Известно [124], что равномерность деформации определяется деформационным упрочнением, которое, в свою очередь, обусловлено плотностью и характером распределения дислокаций, а, следовательно, и размером субзерен [125, 126]. Таким образом, средняя величина субзерен влияет на равномерность деформации через изменение характеристик дислокационной структуры. Как показано в [33] хорошо сформировавшейся фрагментированной субструктуре присуще свойство механической нестабильности: пластическая деформация, начавшись в некотором объеме, продолжается здесь до полного разрушения, не вызывая упрочнения. Это и объясняет отсутствие равномерной деформации при растяжении образцов, прошедших интенсивное пластическое деформирование: вся деформация сосредоточена в области шейки.
Проведенный анализ литературных данных показал, что в настоящее время подробно изучены различные -типы дислокационных субструктур, их эволюция в процессе нагружения и влияние на стадийность кривых "напряжение - деформация". Создание неравновесной высокодефектной субструктуры в нано- и субмикрокристаллических материалах блокирует в них дислокационную деформацию и приводит к локализации пластического течения на более высоких масштабных уровнях, обусловливая снижение их пластичности. Однако закономерности развития пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях до сих пор являются слабоизученными.
С целью выявления механизмов развития пластического течения на различных (микро-, мезо- и макро-) масштабных уровнях и их влияния на механические свойства нагруженных материалов представляет интерес исследовать и сравнить деформационное поведение образцов, имеющих субмикрокристаллическую структуру во всем объеме материала или только в его тонком поверхностном слое. Эффективным способом создания в материале различных дислокационных субструктур является равно канальное угловое прессование и ультразвуковая обработка.
Влияние термического отжига на макролокализацию пластической деформации нагруженных образцов
Микроструктурные исследования субмикрокристаллического армко -железа в плоскости ПП показали, что последующий низкотемпературный отжиг (при температурах (0,2...0,4)7 ) позволяет в широких пределах изменять внутреннюю структуру исследуемых образцов. Термообработка при 250 С не оказывает существенного влияния на морфологию дефектной субструктуры материала независимо от режима предварительного равноканального углового прессования. Как и в исходном субмикрокристаллическом состоянии, преобладающим типом субструктуры являются деформационные полосы, разделенные поперечными субграницами на фрагменты (рис. 3.17). В отдельных случаях наблюдаются области квазиравноосных субзерен, имеющих высокоугловые раз ориентировки, однако объемная доля таких областей мала (до 6%).
Влияние отжига при более высоких температурах оказывается различным в зависимости от количества проходов при равноканальном угловом прессовании. В случае 4 проходов по маршруту А увеличение температуры отжига до 350 С обусловливает полное разрушение микрополос деформации с одновременным образованием зеренноЙ структуры (рис. 3.18. а). Зерна имеют анизотропную форму, при этом коэффициент анизотропии достигает 1,5. Размер зерна варьируется в интервале 2...6 мкм. Скалярная плотность дислокаций уменьшается до 2х 10у см . В то же время в образцах субмикрокристаллического армко - железа, полученного при 12 проходах по маршруту А, структура деформационных микрополос, разделенных поперечными субграницами на фрагменты, сохраняется. Однако происходит коалесценция соседних фрагментов, вследствие чего продольные и поперечные размеры фрагментов увеличиваются в -2 раза (рис. 3.18. б). Кроме того, в материале также наблюдаются области с квазиравноосными субзернами.
В случае 4 проходов равноканального углового прессования по маршруту В термическое воздействие при 350 С вызывает повсеместное образование равноосных субзерен. Однако их размер оказывается существенно меньше и составляет 410 нм (рис. 3.18. в). При этом микрополосы деформации уже практически не выявляются.
Как видно из рис. 3.19. а и в, отжиг при температуре 450 С субмикрокристаллических образцов, полученных при 4 проходах (как по маршруту А, так и по маршруту В) вызывает повсеместное образование полиэдрических зерен со средним размером -10 мкм (маршрут А) и 3...5 мкм (маршрут В). В случае равноканального углового прессования при 12 проходах по маршруту А увеличение температуры отжига до 450 С также приводит к рекристаллизации сформированной структуры (рис. 3.19. б). Тем не менее, в большинстве случаев зерна анизотропны, коэффициент анизотропии составляет -1,8. Размер зерен изменяется в интервале 3...8 мкм. Внутри зерен наблюдается дислокационная субструктура в виде хаоса. Скалярная плотность дислокаций составляет 7х 109 см"2.
Следует отметить, что независимо от режима равноканального углового прессования термическое воздействие сопровождается не только процессами рекристаллизации, но и выделением наноразмерных частиц второй фазы по границам зерен. Данные частицы являются карбидом железа (цементита), расположенным в виде прослоек. Их объемная доля мала (доли процента). При этом относительное содержание карбидной фазы в данном материале существенно ниже, чем в исходных образцах армко - железа, и выше, чем после равноканального углового прессования.
Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что в результате низкотемпературного отжига при 250 и 350 С значительных изменений в структуре субмикрокристаллического армко - железа не происходит (рис. 3.20).
Лишь на больших углах отражения после отжига при 350 С происходит некоторое увеличение относительной интенсивности и начинает появляться дублет. В то же время наблюдается некоторое снижение внутренних напряжений П-го рода (таблица 3.1). При дальнейшем увеличении температуры отжига до 450 С интенсивность пиков (110) и (220) резко уменьшается, а интенсивность пиков (200) и (211) увеличивается. Дублет на пике (220) становится четко выраженным. Наряду с изменением относительной интенсивности уменьшается и ширина пиков. В результате, рентгенограмма образцов субмикрокристаллического армко - железа, отожженных при 450 С, становится близкой к исходным образцам армко - железа. Кроме того, как видно из таблицы 3.1, характер внутренних напряжений также изменяется: из сжимающих они становятся растягивающими.
Особенности локализации пластического течения субмикрокристаллических поверхностных слоев
На рис. 4.16 приведены СТМ - изображения поверхности нагруженных образцов малоуглеродистой стали, находящейся в состоянии прокатки. Как видно из рис. 4.16, несовместность деформации поверхностного слоя и объема материала обусловливает возникновение продольной складчатости уже при = 0,5%. С увеличением степени деформации период гофра (расстояние между соседними выступами) уменьшается. Однако при больших степенях деформации (е 10%) продольное гофрирование резко ослабляется (рис. 4.16. ж, з).
Детальные исследования поверхностного гофра показали, что при степени деформации є= 1% период гофра составляет d = 0,7 мкм (рис. 4.17. б) и уменьшается до d 0,2 мкм при є — 6% (рис. 4.17. г). Высота продольных складок не зависит от степени деформации и варьируется в пределах 20...50 нм.
При растяжении образцов из Ст.З, подвергнутых предварительной ультразвуковой обработке и имеющих в поверхностном слое полосовую фрагментированную структуру, масштаб поверхностной складчатости увеличивается (рис. 4.18). Причем, СТМ - исследования обнаруживают складчатые структуры, направленные как параллельно, так и перпендикулярно оси нагружения. Как следует из рис. 4.18. б и в, продольный и поперечный гофры состоят из более мелких складок и имеют террасную структуру.
Детальные исследования поверхности нагруженных образцов обнаруживают на вершинах складок ямки, по-видимому, дислокационной природы (рис. 4.19). С увеличением степени деформации количество дислокационных ямок увеличивается. При е-10% наблюдается выстраивание
Исследования ямок при различных увеличениях показали, что каждая ямка состоит из большого числа более мелких. На рис. 4.20 приведены СТМ -изображения ямок при увеличениях х 131000, х262000 и х524000, соответственно. Размер минимальных, первичных ямок составляет 5 нм по ширине и 16 нм по глубине.
Наконец, оптическая микроскопия показала, что как и в случае рекристаллизованного армко - железа, при растяжении образцов из холоднокатаной малоуглеродистой стали Ст.З, подвергнутой ультразвуковой обработке, на их поверхности наблюдаются макрополосы локализованной пластической деформации (рис. 4.21). Они появляются при -=20% и направлены под углом 45 к оси нагружения. Ширина макрополос составляет 200...300 мкм. Скорость их распространения оценить не представляется возможным, поскольку макрополосы появляются одновременно на всей поверхности образца и с увеличением степени деформации становятся более ярко выраженными.
В результате последующего отжига в интервале температур 750...900 С картина появления и развития деформационного рельефа на поверхности Ст.З, подвергнутой ультразвуковой обработке, резко меняется. Как видно из рис. 4.22, после подобной обработки поверхности нагружение до степеней деформации 10 % не приводит к каким-либо существенным изменениям рельефа образцов из Ст.З. Максимальный перепад высот на СТМ -изображениях, не превышает 0,5 мкм. Однако при дальнейшем нагружении на всей поверхности деформируемого образца начинает появляться выраженный рельеф, обусловленный сильной экструзией материала. Максимальный перепад высот составляет 3 мкм (рис. 4.22. з).
Подобная экструзия проявляется в распространении по поверхности образца взаимопереплетающихся мезополос локализованной пластической деформации, ориентированных под углом 45 к оси нагружения (рис. 4.55. а, б). Мезополосы удается обнаружить лишь при построении монтажей из большого количества СТМ-изображений. Ширина мезополос составляет 30...40 мкм, а высота постепенно увеличивается с ростом деформации и при -=30% достигает 5...6 мкм. Исследования, проведенные с помощью растрового электронного микроскопа показали, что мезополосы состоят из отдельных ламелей, испытывающих сдвиг как целое относительно друг друга (рис. 4.23. в). Отметим, что аналогичная ламельная структура мезополос наблюдалась при растяжении образцов ВТ1-0, подвергнутых ультразвуковой обработке [150].
