ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
1 СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, ПРОЦЕССЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ..................................... 18
1.1 Полиморфизм железа, кристаллическая структура фаз железа и
стали..................................................... 18
1.2 Кристаллогеометрия мартенсита, формирующегося в стали 27
1.2.1 Кристаллическая решетка а-мартенсита................ 28
1.2.2 Ориентационные соотношения между
кристаллическими решетками мартенсита и аустенита.. 29
1.2.3 Габитусная плоскость кристаллов мартенсита.......... 31
1.3 Морфология мартенсита, формирующегося в стали............ 32
1.3.1 Морфология пакета мартенсита........................ 35
1.3.2 Морфология пластинчатого двойникового мартенсита.. 41
1.3.3 Пластинчатый высокотемпературный (дислокационный) мартенсит................................................ 44
1.3.4 Проблема поверхностного мартенсита.................. 48
1.4 Цель работы и основные задачи исследования............... 52
2 МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
2.1 Материал исследования.................................... 53
2.2 Методы исследования структуры и фазового состава стали... 53
2.3 Методики количественного анализа структуры стали......... 55
2.3.1 Определение средних размеров зерен.................. 55
2.3.2 Определение объемной доли дислокационной субструктуры (Ру)........................................ 56
2.3.3 Определение скалярной плотности дислокаций.......... 56
2.3.4 Определение избыточной- плотности дислокаций и амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки.................................................. 58
2.3.5 Определение параметров ДСС..................... 59
2.3.6 Определение средних размеров структурных составляющих стали и частиц карбидных фаз, расстояний между ними и их объемной доли............. 59
2.4 Методика рентгенографических исследований............ 61
КРИВЫЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ,
СТАДИЙНОСТЬ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ...................... 63
Введение............................................. 63
3.1 Кривые деформационного упрочнения закаленной конструкционной стали................................ 63
3.2 Стадии пластической деформации закаленной конструкционной стали................................ 65
ЭВОЛЮЦИЯ ДЕФЕКТНОЙ СУБСТРУКТУРЫ И ДАЛЬНОДЕЙСТВУЮЩИХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ 67 Введение................................................. 67
4.1 Структурно-фазовое состояние закаленной стали перед деформацией.......................................... 68
4.1.1 Структура а-фазы............................... 68
4.1.2 Остаточный аустенит (у-фаза)................... 74
4.1.3 Карбидная фаза (цементит «самоотпуска»)........ 75
4.2 Эволюция дефектной субструктуры кристаллов мартенсита закаленной конструкционной стали в процессе деформации... 77
4.3 Корреляции и закономерности эволюции структуры стали при деформации........................................... 81
4.4 Каналы деформации закаленной конструкционной стали 87
Заключение............................................... 90
ЭВОЛЮЦИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ
В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМАЦИИ.................................... 92
3
5.1 Фазовый состав закаленной стали перед деформацией 92
5.1.1 а-фаза................................................. 92
5.1.2 Остаточный аустенит (у-фаза).................... 93
5.1.3- Карбидная фаза (цементит «самоотпуска»)........ 93
5.2 Эволюция фазового состава закаленной стали в процессе деформации.................................................:. 94
5.2.1 Эволюция состояния остаточного аустенита. ...... 94
5.2.2 Эволюция состояния цементит «самоотпуска»....... 95
5.3 Перераспределение углерода при деформации стали...... 97
Заключение................................................. 101
6 ПРИРОДА ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ............................ 103
6.1 Деформационное упрочнение закаленной конструкционной стали внутрифазными границами.............................. 105;
6.2 Дислокационное упрочнение закаленной конструкционной стали...................................................... 109-
6.3 Упрочнение закаленной конструкционной стали полями внутренних напряжений ;.............................. 112.
6.4 Упрочнение закаленной конструкционной стали частицами второй фазы................................................. 115
6.5 Упрочнение закаленной конструкционной стали в. результате формирования твердых растворов........................ 122
6.6 Суперпозиция механизмов упрочнение закаленной конструкционной стали....................................... 129
Заключение................................................. 131
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................... 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................. 135
ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................... 155
4
ВВЕДЕНИЕ
Одним из способов существенной экономии металла является применение высокопрочных конструкционных сталей. Проблема достижения высокопрочного состояния, как показывают многочисленные исследования последних десятилетий, не может быть решена с помощью одних лишь традиционных способов воздействия на структуру и свойства металла (легирования, термической обработкой). Перспективным методом,
базирующимся на реализации потенциальных возможностей стали, является термомеханическая обработка. Комбинирование в различной последовательности пластической деформации с закалкой позволяет повышать прочностные характеристики стали при сохранении ее пластичности и вязкости. Особенно целесообразно использовать деформацию для упрочнения металлических материалов в том случае, когда она одновременно является формообразующей операцией. За последние годы« представления о природе упрочнения- сталей при термической- и
термомеханической обработке существенно углубились. Всестороннее' рассмотрение свойств, характеризующих сопротивление хрупкому
разрушению; показало принципиальную возможность эффективного деформационного упрочнения1 сталей различных классов при условии его рационального применения. Для выявления перспективных областей применения технологии, основанной на пластической деформации после закалки, выбора для каждой конкретной стали наиболее целесообразной технологической схемы деформационной обработки изучают зависимость эффекта упрочнения от структурного состояния материала перед деформацией и параметров режима этой обработки, устанавливают причинно-следственные связи между явлениями, определяющими комплексное улучшение свойств. В свою очередь, знание закономерностей формирования структуры и свойств стали при пластической деформации в закаленном состоянии необходимо для управления процессом деформационного упрочнения.
5
Актуальность. Высокий уровень физико-механических свойств конструкционных сталей, широко применяемых в промышленности, обусловлен формирующейся в них мартенситной структурой. Материаловедение стали интенсивно начало развиваться в XIX веке. Усилиями школ академика Г.В. Курдюмова и академика В.Д. Садовского в первой половине XX века было положено начало развитию физического материаловедения стали. Большую роль в этом сыграло широкое применение стремительно развивающихся методов рентгеноструктурного анализа и методов сканирующей и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии. В работах целого ряда исследователей и руководимых ими коллективов: российских - В.Г. Курдюмова, В.Д. Садовского, Л.М. Утевского, В.М. Счастливцева, М.Е. Блантера; М.А. Штремеля, В.В. Рыбина, В.И. Изотова, Л.И.Тушинского, М.Н. Спасского, A.A. Батаева и др.; ученых ближнего зарубежья - В.Н. Гриднева, М.В. Белоуса, Ю.Я. Мешкова; В:Г Гаврилюка; ученых дальнего зарубежья' — G. Thomas, G. Krauss,
A.R. Marder, S.A. Apple, K. Wakasa, G.M. Way man и др. проведено детальное изучение кристаллогеометрии, морфологии и дефектности структуры пакетного мартенсита и пластинчатого низкотемпературного мартенсита в закаленном и отпущенном состояниях. Выявлены факторы, приводящие к образованию в стали того или иного типа мартенсита, рассмотрены вопросы о влиянии термической- обработки на параметры структуры мартенситной фазы.
Одним из наиболее эффективных направлений улучшения служебных характеристик конструкционных сталей является разработка оптимальных режимов термической обработки. Это дает возможность получать изделия с определенными заданными характеристиками, отвечающими эксплуатационным требованиям, а с другой стороны, прогнозировать изменение свойств деталей и конструкций при изготовлении и эксплуатации. Известно, что механические свойства стали определяются состоянием ее структуры. Общепризнанно, что основными факторами, определяющими
6
механические свойства материала, являются структура твердого раствора, наноразмерные частицы вторых фаз (карбиды, нитриды, карбонитриды и т.д.), дислокационная структура, типы и расположение различного рода границ, внутренние поля напряжений. Необходимость тщательного и всестороннего анализа структурно-фазовых состояний, формирующихся при закалке стали, и их эволюции, при последующем деформационном упрочнении обусловлена научным и прикладным характером решаемых задач. Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию деформационного упрочнения стали, к моменту постановки настоящих исследований основной объем исследований был выполнен на сталях, находящихся в отпущенном состоянии. Закономерности и механизмы изменения5 фазового состава и состояния дефектной субструктуры закаленной стали анализировались, в основном, на качественном уровне. В связи с этим актуальным является выявление, количественных : закономерностей эволюции фазового состава и структуры, выявление механизмов деформационного упрочнения закаленной стали.
Целью работы, являлось установление закономерностей эволюции фазового состава- и дефектной субструктуры, выявление механизмов & деформационного упрочнения закаленной стали; 38ХНЗМФА, деформированной одноосным сжатием при комнатной температуре..
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:. \ • •
1) Аттестация структуры и фазового состава стали 38ХНЗМФА, закаленной от температуры аустенизации 950 °С (состояние стали перед деформацией);
2) Исследование эволюции структуры и фазового состава закаленной стали в процессе деформирования одноосным сжатием;
3) Выявление количественных закономерностей, характеризующих структуру и фазовый состав закаленной стали на различных этапах ее. деформирования;
7
4) Выявление и анализ механизмов деформационного упрочнения закаленной стали, реализующихся в условиях одноосного сжатия.
Научная, новизна. Впервые методами электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа экспериментально исследованы на количественном уровне дислокационная субструктура и фазовый состав закаленной конструкционной стали 38ХНЗМФА, подвергнутой пластической деформации вплоть до разрушения. Определены качественные и количественные параметры структуры, среди которых основное внимание уделено скалярной плотности дислокаций, внутренним полям напряжений, их источникам, кривизне-кручению кристаллической решетки. Впервые проведены оценки механизмов деформационного упрочнения закаленной стали и выполнен анализ физических основ повышения прочности конструкционной стали 38ХНЗМФА при деформировании.
Научная и практическая значимость работы. Закономерности эволюции фазового состава, и состояния- дефектной субструктуры, выявленные в настоящей работе, могут быть использованы, с одной стороны, для анализа деформационного- поведения конструкционных сталей, находящихся в закаленном состоянии, и, с другой стороны, для целенаправленного изменения режима термической обработки, позволяющего управлять состоянием структуры и, следовательно, механическими характеристиками стали. Методы,, примененные для исследования структуры и свойств закаленной стали 38ХНЗМФА, параметры структуры, выявленные в настоящей работе, оказывающие определяющее влияние на деформационное упрочнение стали, могут быть учтены при исследованиях других сталей.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследования, применяемых в современном физическом металловедении, большим объемом экспериментальных данных, их сопоставлением между
8
собой, детальным исследованием процессов, имеющих место в стали на различных этапах ее деформирования, четким определением взаимосвязей между различными структурными параметрами стали, необходимым и достаточным объемом экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, справками об использовании результатов работы.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Параметры фазового состава и дефектной субструктуры, характеризующие конструкционную сталь в закаленном состоянии.
2. Количественные закономерности, выявленные при анализе эволюции дефектной субструктуры закаленной стали при пластической деформации одноосным сжатием.
3. Объем экспериментальных данных, характеризующих изменение фазового состава и перераспределение углерода при пластической деформации, закаленной стали.
4. Механизмы деформационного упрочнения закаленной стали, реализующиеся в условиях одноосного сжатия.
Личный вклад автора состоит в- научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, выполнении металлографических, электронно-микроскопических и других исследований и механических испытаний стали 38ХНЗМФА, статистической обработке и анализе полученных результатов.
Апробация работы..Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-
технической конференции “Научное наследие И.П. Бардина”, Новокузнецк, 2008; УН международной научно-практической конференции “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности”, Санкт-Петербург, 2009; ХУЛ Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов”, Самара, 2009; Международной конференции «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных
технологий» (МНТ-Х), Обнинск, 2009; XLYIII Международной конференции, посвященной памяти М.А. Криштала, Тольятти, 2009; IY международной школы “Физическое материаловедение”, Тольятти, 2009; Бернштейновских чтений по термомеханической обработке металлических материалов. Москва, 2009; Первых московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященные 85-летию В.Л. Инденбома, Москва, 2009 г.; Y Российской научно-практической конференции “Физические свойства металлов и сплавов”, Екатеринбург, 2009; XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы фазовых и структурных превращений в сталях и сплавах», Пермь, 2010; V международной конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (MPFP - 2010), Тамбов, 2010; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 130-летию со дня рождения академика АН УССР H.H. Давиденкова, Санкт-Петербург. 2010; V-я-Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур 2010», Москва, 2010; XVIII Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2010; XI международной школе-семинаре "Эволюция4 дефектных структур в конденсированных средах”, Барнаул, 2010; 50 Международном симпозиуме “Актуальные проблемы прочности”, Витебск, 2010; 6 международной- конференции “Фазовые превращения и прочность кристаллов”, посвященная памяти академика Г.В*. Курдюмова, Черноголовка, 2010; LI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; XIX республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния». Гродно, 2011; 4 международной конференции «Деформация и разрушение
материалов и наноматериалов», Москва, 2011.
Публикации. Результаты работы представлены в 37 публикациях, в том числе 1 монографии, в 2-х статьях в зарубежных журналах, 10 статьях в
10
ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 — «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Структура, и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 216 наименований. Диссертация содержит 157.' страниц, в том числе 60 рисунков и 6 таблиц.
Содержание диссертационной работы
Во введении сформулированы, цель и основные задачи, исследования, обоснованы их научная и практическая значимость; перечислены основные результаты, составляющие научную новизну работы, и положения, выносимые на защиту.
Первая глава «Структура, фазовый состав, процессы деформационного упрочнения закаленной конструкционной стали» является обзорной. В данной главе представлен краткий обзор современного состояния исследований структуры и фазового состава сталей, закаленных с образованием мартенсита. Основное внимание уделено морфологии формирующегося в стали мартенсита, его кристаллической и дефектной структуре, процессам, протекающим при «самоотпуске» стали. Описано влияние скорости охлаждения и концентрации углерода на морфологию мартенсита закаленной стали. Представлены результаты анализа эволюции структуры и свойств стали с мартенситной структурой при пластической
деформации. На основе анализа этих данных поставлены задачи исследования.
Во второй главе «Материал, методы и методики исследования» обоснован выбор материала исследования - промышленная среднеуглеродистая сложнолегированная сталь 38ХНЗМФА, приведены ее характеристики, описаны режим термической обработки и способ деформирования, методика приготовления образцов для анализа методами просвечивающей электронной микроскопии (прибор ЭМ 125) и рентгеноструктурного анализа (прибор ДРОН-3), методы исследования структуры и фазового состояния исходного и деформированного образцов, параметры структуры, выявляемые методами структурно-фазового анализа, методы и методики их количественного анализа.
В третьей главе «Кривые деформационного упрочнения закаленной конструкционной- стали, стадийность пластической деформации» проведен-: анализ кривых деформационного упрочнения закаленной стали 38ХНЗМФА.
Показано, что независимо от температуры аустенитизации, изменяющейся в пределах от 940 до- 1200 °С, зависимость ст-е имеет параболический вид. Следовательно, наблюдается отчетливо проявляющееся, подобие в деформационном поведении закаленной стали. Деформационное'
до"
упрочнение стали характеризовали коэффициентом в- —. При анализе
де
зависимости коэффициента деформационного упрочнения- от степени деформации выделены две стадии деформационного упрочнения исследуемой стали: стадию с параболической зависимостью а-£ или убывающим коэффициентом упрочнения & и стадию со слабо изменяющимся и низким значением коэффициента упрочнения, названные по аналогии с ГЦК-сплавами, для которых стадийность кривых течения к настоящему моменту хорошо изучена, стадиями III и IV. Выявлено, что разрушение испытываемых образцов закаленной стали происходило при е =
12
•-0,27 путем хрупкого скола под углом -45 градусов к оси деформации с образованием нескольких крупных осколков.
Четвертая глава «Эволюция дефектной субструктуры и дальнодействующих полей напряжения закаленной стали в процессе деформирования» посвящена анализу (на качественном и количественном уровнях) результатов, полученных, во-первых, при исследовании структуры и фазового состава стали, сформировавшегося в результате закалки (состояние стали перед деформацией); и, во-вторых, при исследовании эволюции дефектной субструктуры и фазового состава закаленной стали, подвергнутой пластической деформации путем одноосного сжатия. В результате исследований закаленной стали (состояние перед деформированием) показано, что аустенитизация при температуре 940 °С (1,5 час.) и последующая закалка в масле приводит к формированию -многофазного материала, а именно, сх-фаза (мартенсит), у-фаза (остаточный аустенит), карбид железа (цементит «самоотпуска»); Основной фазой является мартенсит. Преимущественной морфологией мартенсита является пакет кристаллов - реек (пакетный мартенсит). Второй морфологической составляющей исследуемой стали является мартенсит пластинчатый высокотемпературный. Остаточный аустенит имеет форму тонких прослоек и располагается по границам кристаллов мартенсита. Цементит «самоотпуска» игольчатой формы- располагается преимущественно в кристаллах пластинчатого высокотемпературного мартенсита; в виде округлых частиц -по границам кристаллов пакетного и пластинчатого мартенсита, пакетов и зерен. Исследования закаленной стали, подвергнутой пластической деформации одноосным сжатием, выполненные методами электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа, выявили-сложный взаимосвязанный характер эволюции фазового состава и дефектной субструкгуры материала, проявляющийся на макро- (образец в целом, структура зеренного ансамбля), мезо- (пакет, кристаллы мартенсита, остаточный аустенит), микро- (дефектная субструктура кристаллов
- Київ+380960830922