close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;doc

код для вставкиСкачать
УДК: 669.14:539.4
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ СТАЛИ 06МБФ ПОСЛЕ КРУЧЕНИЯ
ПОД КВАЗИГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
© 2013
В.С. Кошовкина, студент,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск (Россия)
Г.Г. Майер, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник
Е.Г. Астафурова, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник
М.С. Тукеева, младший научный сотрудник
Е.В. Мельников, аспирант
Е.В. Найденкин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией
ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения, Томск (Россия)
П.Д. Одесский, доктор технических наук, руководитель сектора
ЦНИИ строительных конструкций, Москва (Россия)
С.В. Добаткин, доктор технических наук, заведующий лабораторией
ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва (Россия)
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь; кручение под квазигидростатическим давлением; ультрамелкозернистая структура, микротвердость.
Аннотация: Изучено влияние кручения под квазигидростатическим давлением (КГД) при разных температурах
(T=20 °С и 450 °С) на структуру и механические свойства низкоуглеродистой стали 06МБФ. Показано, что КГД
исследуемой стали приводит к формированию в ней ультрамелкозернистой структуры со средним размером
структурных элементов 100÷120 нм и высокими значениями микротвердости до 6 ГПа.
ВВЕДЕНИЕ
Возможность существенного измельчения зеренной
структуры в ходе интенсивной пластической деформации хорошо известна и описана в литературе [1–2].
Имеется большое количество схем интенсивной пластической деформации (ИПД) для получения ультрамелкозернистых металлических материалов, таких как
равноканальное угловое прессование, кручение
под высоким давлением, мультиосевая деформация,
винтовая экструзия и др. [1]. В основном, методы ИПД
применяли для формирования ультрамелкозернистых
состояний преимущественно в пластичных материалах
(Cu, Ni, Al, Ti и др.) [1–2]. Работ посвященных ИПД
сталей немного, что связано с технологическими трудностями их деформирования, хотя ИПД низкоуглеродистых сталей позволяет создавать новые материалы
с высокими прочностными характеристиками [3–5],
которые имеют перспективу дальнейшего практического применения.
Цель работы − исследовать влияние интенсивной пластической деформации методом кручения
под квазигидростатическим давлением (КГД)
на структуру и механические свойства низкоуглеродистой стали 06МБФ.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объекта исследовании была выбрана
сталь 06МБФ (Fe-0,1Mo-0,6Mn-0,8Cr-0,2Ni-0,3Si-0,2Cu0,1V-0,06Nb-0,09C) в исходном ферритном состоянии.
Исходные заготовки из стали 06МБФ закаливали
от 920 °С (30 мин.), затем проводили высокий отпуск
(улучшение) при температуре 670 °С (1 час).
Сталь подвергали интенсивной пластической деформацией методом кручения под квазигидростатическим давлением (КГД). Деформацию проводили
под давлением 4 ГПа на наковальнях Бриджмена
при температурах T=20 °С и 450 °С на пять полных
оборотов. После КГД получали диски диаметром
10 мм и толщиной 0,2 мм.
194
Анализ микроструктуры проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа Technai G2
FEI при ускоряющем напряжении 200 кВ. Средний
размер элементов зеренно-субзеренной структуры после КГД определяли по темнопольным электронномикроскопическим изображениям методом секущих
[6]. Металлографические исследования проводили
на оптическом микроскопе Olympus GX-71. Средний
размер структурных элементов в исходном состоянии
стали определяли методом секущих по оптическим
и электронно-микроскопическим изображениям, полученным в плоскости кручения дисков.
Механические свойства стали до и после ИПД оценивали путем измерения микротвердости по методу
Виккерса с использованием микротвердомера Duramin 5 при нагрузке на индентор 200 гр, время нагружения 10 с. Измеряли среднее значение микротвердости
на середине радиуса диска. Для анализа однородности
структуры стали после КГД микротвердость также измеряли вдоль диаметра образца с шагом 0,2 мм.
Рентгеновские исследования выполняли на дифрактометре Shimadzu XRD-6000 (с монохроматором) с использованием Cu K излучения. Расчет микроискажений кристаллической решетки и размеров областей
когерентного рассеяния осуществляли методом аппроксимации.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены оптическая металлография
протравленной поверхности и электронно-микроскопическое изображение структуры стали 06МБФ в исходном ферритном состоянии. Закалка и последующий
высокотемпературный отпуск (улучшение) привели
к формированию ферритного состояния смешанной
морфологии – пластинчатой и глобулярной (рис. 1).
Отпуск стали привел к распаду мартенсита, образованного после закалки, формированию глобулярного феррита с размером зерна 2,4 мкм и феррита, унаследовавВектор науки ТГУ. 2013. № 3
В.С. Кошовкина, Г.Г. Майер, Е.Г. Астафурова, М.С. Тукеева, Е.В. Найденкин, и др. «Изучение структурно-фазовых…»
шего морфологию пакетного мартенсита, с толщиной
пластин ~0,4 мкм (рис. 1).
Рис. 1. а) Оптическая металлография;б) электронномикроскопическое изображение структуры стали
06МБФ в исходном ферритном состоянии
Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что КГД вызывает уменьшение интенсивности
и увеличение ширины рентгеновских линий. Значения
микродеформации кристаллической решетки составляют Δd/d~10–4 в исходном состоянии и достигают значений ~10–3 после КГД. Размеры областей когерентного
рассеяния также уменьшаются при деформации: они
составляют более 200 нм в исходном состоянии
и 40–50 нм после кручения.
КГД при температурах 20 °C и 450 °C приводит
к формированию ультрамелкозернистой структуры
в исследуемой стали. Электронно-микроскопические
изображения для случая КГД при комнатной температуре приведены на рисунке 2. Морфологические особенности структуры после КГД при 450 °C качественно
аналогичны. Границы элементов структуры, по большей части, размыты, наблюдается большое количество
конкуров экстинкции. Азимутальные размытия рефлексов на электронограммах и уширение рентгеновских
линий свидетельствуют о высоком уровне внутренних
напряжений в зернах. Электроннограммы для данных
структур после КГД носят кольцевой характер с хорошо различимыми отдельными рефлексами, равномерно
распределенными по кольцу (рис. 2 а). Последнее свидетельствует о наличии высокоугловых разориентировок между структурными элементами, с которых получена электронограмма. Анализ темнопольных электронно-микроскопических изображений (рис. 2 б) показывает, что средний размер элементов зеренносубзеренной структуры, сформированной при КГД,
зависит от температуры кручения: при ТКГД=20°С составляет 95 нм, а при ТКГД=450°С – 120 нм.
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения структуры стали 06МБФ после КГД ТКГД=20 °C:
а) светлопольное изображение и микродифракционная картина,
полученная с участка фольги площадью S=0,95 мкм2;
б) темнопольное изображение, полученное в рефлексе -Fe
Таблица 1. Средние значения микротвердости (Hµ, ГПа) в стали 06МБФ до и после КГД
(измерения проводили на середине радиуса дисков)
исходное состояние
2,05±0,03
Вектор науки ТГУ. 2013. № 3
КГД, ТКГД=20 °C
6,07±0,30
КГД, ТКГД=450 °C
5,66 ±0,30
195
В.С. Кошовкина, Г.Г. Майер, Е.Г. Астафурова, М.С. Тукеева, Е.В. Найденкин, и др. «Изучение структурно-фазовых…»
Исследование механических свойств стали 06МБФ
показало, что ИПД приводит к повышению средних
значений микротвердости в 3 раза в сравнении с исходным состоянием (табл. 1). На рис. 3 представлены распределения значений микротвердости вдоль диаметра
дисков из стали 06МБФ после КГД при разных температурах. Микротвердость в центральной части образца
существенно ниже, чем на периферии для обоих режимов кручения, что свидетельствует о формировании
неоднородной структуры в стали 06МБФ при КГД. Такая неоднородность достаточно часто наблюдается
в материалах, деформированных методом кручения
по давлением в наковальнях Бриджмена, и обусловлена
зависимостью степени деформации e при КГД от расстояния до центра диска r: e~lnr [1, 7].
Рис. 3. Распределение микротвердости по диаметру
образца в стали 06МБФ после КГД:
а) ТКГД =20°С; б) ТКГД =450°С
Таким образом, температура кручения оказывает
слабое влияние на микроструктуру и механические
свойства стали 06МБФ. В зависимости от температуры
деформации наблюдаются небольшие различия в среднем размере элементов зеренно-субзеренной структуры: после теплого КГД (450 °С) он немного выше, чем
после холодного кручения. Анализ данных таблицы 1
и рисунка 3 показывает, что формируемые при КГД
механические свойства (микротвердость) и характер
распределения микротвердости по образцу для стали
06МБФ также слабо зависят от температуры кручения.
Небольшие различия, во-первых, обусловлены тем,
196
что при комнатной температуре кручения подавлены
процессы возврата и, следовательно, размер зерна
в этом случае меньше, чем после теплого КГД, которое,
вероятно, сопровождалось частичной релаксацией напряжений при деформации. Во-вторых, температура
деформации оказывает влияние на особенности карбидной подсистемы, которые требуют отдельного рассмотрения и не представлены в данной работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что при КГД стали 06МБФ происходит измельчение исходной структуры и формирование
УМЗ структурного состояния с размером элементов
~100 нм. Показано, что после холодного и теплого КГД
(20 °С и 450 °С) наблюдаются слабые различия в средних значениях размеров элементов зеренно-субзеренной структуры: ~95 нм и 120 нм соответственно.
Независимо от температуры деформации, КГД приводит к значительному повышению средних значений
микротвердости от 2 до 6 ГПа по сравнению с исходным состоянием. Изменение микротвердости в зависимости от расстояния от центра диска после КГД показывает, что кручение приводит к формированию неоднородной структуры в стали 06МБФ, и эта неоднородность вызвана зависимостью степени деформации при
КГД от расстояния от центра диска.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы фундаментальных исследований
СО РАН на 2013–2016 гг. (III.23.2.2.) и стипендии Президента РФ (СП-4682.2013.1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: ИКЦ
Академкнига, 2007. – 398 с.
2. Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. –
Екатеринбург:УрО РАН, 2003. – 279 с.
3. Сафаров И.М.,
Галеев Р.М.,
Сергеев С.Н.,
Корзников А.В. Особенности субмикрокристаллической структуры и механических свойств низкоуглеродистой стали 12ГБА, подвергнутой теплой пластической деформации // Перспективные материалы. – 2011. – № 12 – С. 423–427.
4. Астафурова Е.Г., Добаткин С.В., Найденкин Е.В.,
Шагалина С.В., Захарова Г.Г. (Майер), Иванов Ю.Ф.
Структурные и фазовые превращения в наноструктурной стали 10Г2ФТ в ходе холодной деформации
кручением под давлением и последующего нагрева //
Российские нанотехнологии – 2009. –том 4, № 1–2 –
с. 162–174.
5. Shin D.H., Kim I., Kim J., Park K.T. Grain refinement
mechanism during equal-channel angular pressing
of a low-carbon steel // Acta Mater. – 2001. – V. 49. –
P. 1285–1292.
6. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М: Металлургия,
1973. – 584 c.
7. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications // Progress in Materials Science. – 2008. – V. 53 –
Р. 893–979.
Вектор науки ТГУ. 2013. № 3
В.С. Кошовкина, Г.Г. Майер, Е.Г. Астафурова, М.С. Тукеева, Е.В. Найденкин, и др. «Изучение структурно-фазовых…»
© 2013
STUDY OF STRUCTURAL AND PHASE STATES OF 06MBF STEEL AFTER HIGH-PRESSURE
TORSION AT DIFFERENT TEMPERATURES
V.S. Koshovkina, student
Tomsk Polytechnic University, Tomsk (Russia)
G.G. Maier, candidate of physical and mathematical sciences, junior researcher
E.G. Astafurova, doctor of physical and mathematical sciences, associate professor, senior researcher
M.S. Tukeeva, junior researcher
E.V. Melnikov, postgraduate student
E.V. Naydenkin, candidate of physical and mathematical sciences, head of the laboratory
Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Tomsk (Russia)
P.D. Odessky, doctor of technical sciences, head of sector
Central Research Institute of Building Structures, Moscow (Russia)
S.V. Dobatkin, doctor of physical and mathematical sciences, head of the laboratory
A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow (Russia)
Keywords: low-carbon steel; high-pressure torsion; ultrafine-grained structure; microhardness
Annotation: The influence of high pressure torsion (HPT) on microstructure and mechanical properties of low-carbon
steel Fe-Mo-V-Nb-C was studied. It is shown that HPT leads to formation of ultrafine-grained structure in steel investigated with a size of structural elements ~ 100÷120 nm and high values of microhardness ~ 6 GPa.
Вектор науки ТГУ. 2013. № 3
197
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа