Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода

Актуальной задачей современного материаловедения является создание новых или модификация структуры известных материалов с целью оптимизации их свойств к определенным условиям эксплуатации. Улучшение комплекса физико-механических характеристик сталей достигается традиционной термомеханической обработкой, легированием, дисперсионным твердением, созданием градиентных структур и покрытий и др. [1−5]. В последние десятилетия активно развивается подход, связанный с достижением высокопрочного структурного состояния за счет измельчения структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [6−8]. Публикационная активность по ИПД материалов различного класса непрерывно растет: до 2000 года ежегодно из печати выходило менее 50 публикаций по этой тематике, в 2005 их было 300, а в 2011 — уже более 500 (http ://www.scopus.com).

Проблема влияния интенсивной пластической деформации на свойства чистых металлов и низкопрочных сплавов подробно изучена и описана как в российской, так и в зарубежной литературе [6−11]. В историческом плане основой для развития наноструктурных металлических материалов являются, в частности, работы Трефилова В. И., Мильмана Ю. В., Фирстова С. А, Рыбина В. В., Сегала В. М., Гляйтера (Gleiter Н.) и Бриджмена П. В. [9,10,1214]. В отношении низкопрочных металлических материалов методы ИПД применяют при относительно низких температурах, что позволяет получать в них субмикрокристаллические (СМК) и нанокристаллические (НК) структуры. Необходимо отметить, что в настоящее время широко распространены как классические методы интенсивной пластической деформации металлических материалов, такие как равноканальное угловое прессование (РКУП), кручение под высоким давлением, мультиосевая деформация, изотермическая ковка, так и усовершенствованные схемы деформирования — винтовая экструзия, аккумулируемая прокатка с соединением, РКУП с вращающейся матрицей, РКУП-конформ и др. [6]. Прогресс в этой области науки связан не с созданием новых схем деформирования, а, в большей мере, с модификацией и комбинацией уже известных схем, с оптимизацией состава и структуры сплавов до ИПД и «зернограничным дизайном». В этой связи, на первый план выходят фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования, связанные с детальным изучением модельных металлических материалов. Результаты подобных исследований способствуют генерации знаний о механизмах и закономерностях фрагментации структуры металлов при деформации, а также представляют уникальную возможность целенаправленно изменять тип зернограничного ансамбля, формирующийся при обработке методами ИПД, т. е. формировать структуры с заданным набором свойств.

Несмотря на большое количество исследований по влиянию ИПД на физико-механические свойства металлических материалов, работ по влиянию глубокого деформирования на структуру и свойства сталей немного из-за того, что существуют технологические трудности формирования субмикрокристаллических и наноструктурных состояний в них. Деформация сталей требует улучшения оснастки, так как уровень их прочностных свойств и деформационное упрочнение существенным образом превосходят эти характеристики в чистых металлах. Задача получения и изучения СМК и НК состояний в сталях носит важное фундаментальное и прикладное значение. Об этом свидетельствует и рост количества публикаций в мировой литературе по интенсивной пластической деформации сталей в последние годы. От ее решения зависит не только прогресс в развитии современного материаловедения и физики конденсированных сред, но также и возможность формирования нового класса высокопрочных и термостабильных материалов на основе наноструктурирования дешевых, низколегированных сталей.

Чаще всего для исследования выбирают стали в феррито-перлитном состоянии, так как их деформационное упрочнение и прочностные свойства существенным образом ниже, чем у сталей мартенситного и аустенитного класса. Исследований структуры аустенитных сталей после ИПД — единицы. Это дает основание утверждать, что задача получения и исследования субмикрокристаллического и наноструктурного состояния в сталях далека от окончательного решения и требует детальной проработки. Наноструктурирование сталей открывает перспективы улучшения исходных характеристик и создания новых материалов с уникальным комплексом физико-механических свойств, поэтому исследование сталей с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, а также разработка способов их получения является актуальным направлением физического материаловедения. Стали дают уникальную возможность рассмотреть процессы измельчения в зависимости от их энергии дефекта упаковки, механизма деформации, фазового и структурного состояния, что представляет собой ценную информацию о влиянии этих параметров на процессы формирования субмикронного зерна и термостабильность полученных структур. Изучение предельных структурных состояний промышленных сталей после ИПД и последующих высокотемпературных отжигов также имеет, несомненно, большой интерес. Ультрадисперсные структуры, формирующиеся при таких деформациях, обладают значительной дефектностью и при нагреве переходят в крупнокристаллическое состояние. При этом теряются свойства, обусловленные малым размером зерна. Поэтому для сохранения уникальных свойств, характерных для неравновесных НК и СМК состояний, важно оценить температурные границы отжига, при которых не нарушается стабильность этих структур. Необходимо отметить, что ИПД сталей позволяет сформировать в них высокопрочное состояние, которое по своим характеристикам не уступает высоколегированным сплавам, и, наряду с этим, позволяет в значительной степени понизить их стоимость благодаря исключению дорогостоящих легирующих компонент.

Систематические исследования в области ИПД сталей проводили, в частности, Добаткин C.B., Дегтярев М. В., Коршунов Л. Г., Пиппан (Pippan R., Австрия), Шин (Shin D.-H., Корея), Хорита (Horita Z., Япония), Лэнгдон (Langdon Т., США), Ванг (Wang J. T, Китай) и др. [15−44]. В основном эти работы были посвящены изучению структурно-фазового состояния в низкоуглеродистых сталях и армко-железе и показали хорошую перспективу использования ИПД для улучшения физико-механических свойств сталей аустенитного, феррито-перлитного и мартенситного классов. Работ по деформированию методами ИПД высокоуглеродистых аустенитных сталей, склонных к механическому двойникованию, очень мало, так как аустенитные стали испытывают сильный наклеп при деформации и вызывают разрушение оснастки. Тем не менее, механическое двойникование может выступать одним из факторов, способствующих формированию субмикрокристаллической структуры при ИПД аустенитных сталей с низкой энергией дефекта упаковки. Границы деформационных двойников разбивают исходное зерно и препятствуют дислокационному скольжению. Как правило, при глубоких пластических деформациях при температурах, не допускающих рекристаллизацию, наблюдается деградация дислокационной структуры за счет формирования полос локализованной деформации. Развитие тонкого деформационного двойникования в сталях с высокой концентрацией атомов внедрения препятствует этому процессу, так как двойники деформации более устойчивы к «рассыпанию» по сравнению с границами общего типа. Механическое двойникование может выступать одним из факторов, способствующих быстрому формированию ультрамелкозернистой структуры с высокоугловыми низкоэнергетическими специальными границами ?3″ [45] при деформации аустенитных сталей с низкой энергией дефекта упаковки [46−47]. Несмотря на этот факт, сформировать в сталях структуры с максимально возможной долей специальных ?3″ границ не является тривиальной задачей. Это связано с тем, что двойникование в ГЦК сплавах является, по большей части, дополнительным к скольжению механизмом деформации и наблюдается, как правило, в области низких температур деформирования, в то время как ИПД, напротив, часто проводят при повышенных температурах. Поэтому поиск сплавов, склонных к высокотемпературному двойникованию, и всесторонняя аттестация особенностей проявления этого механизма открывает перспективу создания высокопрочных наноструктурных материалов с низкоэнергетическими высокоугловыми разориентировками между элементами структуры, устойчивых к деградации при отжигах или последующей деформации.

В качестве перспективных материалов, для развития методов ИПД могут быть использованы высокомарганцевые аустенитные стали. Разработанные Робертом Гадфильдом [48] высокомарганцевые TWIP-стали (TWIP — пластичность, обусловленная двойникованием) в настоящее время являются одним из наиболее привлекательных материалов для автомобильной промышленности, и это обусловлено уникальной комбинацией в них прочности и пластичности [49, 50]. Работы в этом направлении начались еще в 1888 году Гадфильдом (Hadfield) и Хови (Howe) [48], а в 30-х годах XX века Холл (Hall), Кривобок, Линден (Linden) и Тофот (Tofaute) [49] детально описали структуру сталей по типу Гадфильда и определили, что аустенитная структура стабилизирована следующим соотношением углерода и марганца: % Мп + 13х% С > 17 (% Мп и % Смассовые проценты марганца и углерода). В 50-х годах исследователи обнаружили, что высокое деформационное упрочнение стали Гадфильда обусловлено не формированием мартенсита деформации, а образованием планарных дефектов — двойников деформации [49]. Интерес к изучению механизма упрочнения сталей Гадфильда и двойникования в высокомарганцевом аустените не ослабевает, в разное время этой проблемой занимались исследовательские группы из России (Штремель М.А., Чумляков Ю. И., Коршунов Л. Г., Филиппов М. А., Волынова Т. Ф., Гнюсов С. Ф., и др.)[44, 51−68], Украины (Гаврилюк В.Г. и др.)[69−71], Америки (Sehitoglu Н., Karaman I., Adler Р.Н., Olson G.B., Owen W.S., Dastur Y.N., Leslie W.C. Subramanyam D. K и др.)[72−86], Германии (Berns H. и др.)[87−88], Франции (Bouaziz О., Allain S.)[49, 89] и других стран [74,90−94]. По мнению ряда исследователей [73,74] высокое деформационное упрочнение связано с интенсивным механическим двойникованием, которое обнаружено в стали Гадфильда при комнатной температуре деформации: двойники уменьшают эффективный размер зерна, так как двойниковые границы выступают сильными препятствиями для движения дислокаций, разбивают зерно на более мелкие субзерна и вызывают измельчение структуры.

Другая точка зрения связана с тем, что сильное деформационное упрочнение связано с диффузионной подвижностью углерода в аустените, эффекты деформационного старения способствуют накоплению дислокаций в материале и вызывают аномально высокое деформационное упрочнение [72,73]. Вопрос о механизме упрочнения стали Гадфильда при деформации остается открытым, и продвинуться в его решении при исследовании свойств поликристаллов не представляется возможным. Деформация поликристаллов осложнена присутствием границ зерен, исходной текстурой и ее эволюцией в процессе пластического течения. В связи с этим исследование монокристаллов аустенитных высокоуглеродистых сталей по типу стали Гадфильда представляется актуальным. Использование монокристаллов для исследований позволяет рассмотреть процессы упрочнения в пределах одного зерна и исключить вклад зернограничного упрочнения в деформацию. Монокристаллы являются прекрасным модельным материалом, который позволяет выявить ориентационную зависимость механических свойств и механизмов деформации — скольжение и двойникование. Сведения о механизмах деформационного упрочнения, роли энергии дефекта упаковки, ориентации кристалла и температуры деформации на упрочнение стали Гадфильда позволит, в перспективе, создавать текстурированные материалы с набором заданных свойств и конструировать материалы «по типу стали Гадфильда», в том числе и методами ИПД.

Проведенные в последние годы исследования свойств высокопрочных монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с высокой концентрацией азота и углерода и гетерофазных монокристаллов сплавов на основе меди Си-А1-Со, Си-ТьА1, Си-№-8п показали, что достижение высокопрочного состояния (высокого уровня скалывающих напряжений на пределе текучести) приводит к развитию двойникования в широком интервале температур, и, более того, двойникование выступает в них как определяющий механизм деформации [95−98]. Результаты этих работ позволяют развить идею о возможности управления механизмом пластической деформации, в частности, вкладом механического двойникования в упрочнение материала, за счет изменения энергии дефекта упаковки, выбором ориентации кристалла, способа деформирования (растяжения, сжатия). Самим диссертантом и его российскими и зарубежными коллегами был опубликован ряд работ, в которых проведено исследование механизмов деформации высокопрочных монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с азотом и стали Гадфильда Ре-13Мп-(1,0−1,3)С (мас.%), Ре-13Мп-ЗА1−1,ЗС при растяжении и сжатии, и показана возможность развития механического двойникования с ранних степеней деформации при комнатной температуре в этом классе материалов [95, 97−99]. Однако остались не до конца изученными вопросы влияния энергии дефекта упаковки на эффекты двойникования и динамического деформационного старения в высокоуглеродистом аустените, отсутствуют систематические исследования особенностей смены механизма деформации от скольжения к двойникованию и температурного интервала развития двойникования в высокоуглеродистых сталях со средней и высокой энергией дефекта упаковки, не изучено влияние морфологии двойникования на стадийность деформационного упрочнения и разрушение.

В диссертационной работе проведена всесторонняя аттестация особенностей развития механического двойникования и динамического деформационного старения и их влияния на характеристики деформационного упрочнения, пластичность, закономерности разрушения монокристаллов однофазных Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-13Мп-1,ЗС (+Н) и гетерофазных (после старения) Ре-13Мп-(1,(Н1,3)С, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС (мае. %) сталей в широком интервале температур деформации. Подобные исследования также актуальны в связи с широким спектром применения аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов внедрения, в частности стали Гадфильда, благодаря их высокой прочности, износостойкости, склонности к аномально высокому упрочнению при деформации, пластичности и ударной вязкости [1−5,100].

На основе данных о температурном интервале и особенностях развития механического двойникования в монокристаллах Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС при растяжении проведена серия модельных экспериментов по ИПД монокристаллов этих сталей. Предложенный в диссертации подход является оригинальным и заключается в проведении моделирования процессов пластического течения и измельчения структуры сталей с высокой концентрацией углерода методами ИПД за счет формирования различных типов зернограничного ансамбля, включающего границы специального типа.

ИПД кручением под гидростатическим давлением аустенитных сталей с разной энергией дефекта упаковки и разной склонностью к двойникованию Ре-13Мп-1,ЗС (сталь Гадфильда), Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (мае. %) позволяет выяснить зависимость микроструктуры от степени деформации (количества оборотов, температуры кручения), механизма деформации на начальных стадиях структурообразования (формирование сетки двойников или сетки дислокаций скольжения) и создать высокопрочные материалы, в которых неустойчивость пластического течения подавлена. Использование модельного материала — монокристаллов аустенитных сталей с разной энергией дефекта упаковки — позволило при ИПД максимально исключить вклад в упрочнение и эволюцию структуры от скольжения при комнатной температуре кручения, и формирование субструктуры определялось преимущественно двойникованием и, следовательно, образованием границ преимущественно специального типа. Поскольку двойникование в аустенитных сталях такого класса реализовано в высокодефектной структуре, насыщенной локальными барьерами (углерод, марганец), препятствующими росту двойников, то деформация при комнатной температуре развивается за счет образования тонких двойников, которые разбивают исходный кристалл на микрои нанообъемы и при высокой плотности двойников вызывают аномально высокое деформационное упрочнение. Таким образом, использование в работе монокристаллов аустенитных сталей позволило избежать вклада в упрочнение от границ зерен и изучить возможность перехода «моно-нано» в чистом виде.

Легирование монокристаллов стали Гадфильда дополнительно алюминием и марганцем способствует повышению энергии дефекта упаковки (ЭДУ) сплава, подавлению механического двойникования и изменению типа дислокационной структуры от ячеистой к планарной. Это позволяет проследить процессы формирования границ общего и специального типа при развитии в монокристаллах планарной или ячеистой дислокационной структур. Также за счет выбора стали и температуры деформирования понижается или, наоборот, повышается активность механического двойникования, то есть целенаправленно изменяется доля границ специального типа после ИПД, в том числе, закрепленных дисперсными частицами карбидов при теплой деформации. Эти задачи возможно решить только на основе данных о закономерностях развития механического двойникования и типа дислокационной структуры монокристаллов исследуемых аустенитных сталей в условиях простых схем нагружения (растяжение, сжатие).

Цель диссертационной работ — выявление закономерностей и механизмов деформации (скольжение, двойникование), деформационного упрочнения и разрушения монокристаллов аустенитных сталей с высокой концентрацией углерода и анализ процессов формирования наноструктурных состояний при интенсивной пластической деформации высокомарганцевого аустенита.

Для достижения цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить закономерности пластического течения и механизмы деформации монокристаллов аустенитных сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Бе-1 ЗМп-2,7А1−1, ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (мас.%) при растяжении в зависимости от величины энергии дефекта упаковки, ориентации монокристаллов и температуры деформации.

2. Исследовать влияние кристаллографической ориентации, скорости деформирования и типа дислокационной структуры на закономерности локализации пластической деформации при сжатии монокристаллов сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС.

3. Изучить особенности перехода «хрупкость-вязкость» и его взаимосвязь с развитием двойникования в монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-1 ЗМп-2,7А1−1, ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС с разной энергией дефекта упаковки.

4. Исследовать влияние старения на закономерности пластического течения, особенности развития скольжения и механического двойникования в монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,0С, Ре-!ЗМп-1,ЗС, Ре-!ЗМп-2,7А1−1,ЗС.

5. Обобщить экспериментально установленные с использованием различных ориентаций монокристаллов закономерности пластического течения аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов углерода при различных условиях деформации и выяснить механизмы влияния углерода и величины энергии дефекта упаковки на прочностные свойства и механизмы фрагментации сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС,.

Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС в условиях кручения под квазигидростатическим давлением.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Для монокристаллов сталей Ре-13Мп-1,ЗС (I), Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС (И) и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (III) с близкой концентрацией атомов углерода установлены различия в уровне критических скалывающих напряжений при 7>-50°С (г¹ > Ткр11 > Ткр1″, Дг<80МПа), обусловленные (1) изменением доли дислокаций с краевой компонентой вследствие увеличения энергии дефекта упаковки и (2) снижением диффузионной подвижности углерода при легировании алюминием и марганцем. С использованием прямых экспериментальных методов показано, что монокристаллы аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов внедрения и низкой энергией дефекта упаковки (Ре-13Мп-1,0С, Ре-13Мп-1,ЗС, в том числе дополнительно легированных водородом) являются нешмидовскими, так как в них наблюдается ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений, типа дислокационной структуры и механизма деформации на начальной стадии пластического течения. Нешмидовские эффекты ориентационной зависимости снижаются при повышении энергии дефекта упаковки стали (при легировании и повышении температуры) и при старении (выделении частиц цементитного типа).

2. Экспериментально установлен температурный интервал развития двойникования при растяжении монокристаллов высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов углерода.

Г=(-196)-400°С для стали Fe-13Mn-l, 3C, Г=(-196)-23°С для сталей Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C и Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C), свидетельствующий о развитии механического двойникования как высокотемпературного механизма деформации сталей с ГЦК решеткой. Для сталей Fe-13Mn-l, 0C, Fe-13Mn-l, 3C, Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C и Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C определены напряжения двойникования гдв в зависимости от ориентации монокристалла и температуры деформации, а также выявлены особенности развития двойников деформации, заключающиеся в уменьшении толщины двойниковых ламелей при понижении температуры испытания и старении, в отклонении габитусных плоскостей двойников от плоскостей типа {111} при увеличении степени деформации скольжением, предшествующей двойникованию, и усилении планарности дислокационной структуры.

3. Показано, что деформационное упрочнение при множественном сдвиге, наблюдаемое в монокристаллах с высокосимметричными ориентировками оси растяжения [111] и [001] ^=d (r/de=G/20^-G/40, и при преобладании сдвига в одной системе #=G/50^-G/80 определяется величиной свободного пробега дислокаций между дефектами кристаллического строения и не зависит от их типа, а именно, развитие мультипольных конфигураций в нескольких системах (мультиполей и дислокационных листов) в сталях Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C и Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C вызывает сильное упрочнение по аналогии с множественным двойникованием в стали Fe-13Mn-l, 3C.

4. Изучены закономерности формирования макроскопических полос локализованной деформации, экспериментально наблюдаемых при сжатии [111]-монокристаллов сталей Fe-13Mn-l, 3C, Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C, которые свидетельствуют о подавлении локализации деформации при развитии механического двойникования (при увеличении скорости деформации, отклонении оси кристалла от точной ориентации [111]) и изменении морфологии скольжения (при переходе от однородной к планарной дислокационной структуре).

5. Установлено несовпадение температур перехода «хрупкость-вязкость» по фрактографическому и деформационному критериям в монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, которое определяется зависимостью температурного интервала развития двойникования от энергии дефекта упаковки стали, а также увеличением ширины двойниковых ламелей и уменьшением напряжений пластического течения при увеличении температуры деформирования.

6. Показано, что при кручении под квазигидростатическим давлением монокристаллов аустенитных сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС, независимо от энергии дефекта упаковки стали и температуры деформации Г<400°С, механическое двойникование определяет формирование наноструктурных состояний с границами специального типа (двойниковыми), устойчивых к нагреву до температуры 500 °C. Установлены последовательности структурно-фазовых превращений при кручении под квазигидростатическим давлением и особенности микроструктуры этих сталей после деформации, заключающиеся в:

— увеличении среднего расстояния между двойниковыми границами, уменьшении плотности двойников, искривлении их габитусных плоскостей вследствие увеличения энергии дефекта упаковки и температуры деформации;

— дополнительном увеличении плотности дислокаций и упрочнения в стали Ре-13Мп-1,ЗС по сравнению со сталями Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС при кручении в области температур развития динамического деформационного старения;

— активации эффектов дисперсионного твердения и фазовых у-а превращений во время кручения стали Ре-13Мп-1,ЗС при Г=400°С, не испытывающей структурно-фазовых превращений при аналогичном отжиге без нагрузки.

Научно-практическая ценность работы заключается в экспериментальном доказательстве влияния выбора ориентации, температуры деформирования, энергии дефекта упаковки на механизм деформации (скольжение, двойникование), деформационное упрочнение и разрушение высокоуглеродистых сталей аустенитного класса Ре-Мп-С, Ре-Мп-А1-С при растяжении и сжатии. Экспериментально получены данные о субструктурном упрочнении в сталях аустенитного класса с высокой концентрацией углерода за счет скольжения, двойникования, динамического деформационного старения, образования мультиполей, которые могут быть полезны для развития теории деформационного упрочнения и разработки критериев формирования структурных состояний, обеспечивающих оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик.

Практическая значимость экспериментальных результатов, полученных на монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (мас.%) при растяжении, заключается в возможности их использования при выборе типа текстуры для разработки поликристаллических материалов с заданными характеристиками или для анализа деформационного упрочнения текстурированных поликристаллов аустенитных сталей данного класса.

С использованием монокристаллов аустенитных сталей с разной энергией дефекта упаковки Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС показана принципиальная возможность целенаправленного изменения типа зернограничного ансамбля при интенсивной пластической деформации сталей и формирования структуры, включающей границы специального типа (двойниковые). Предложенные в работе научные подходы заключаются в проведении моделирования процессов пластического течения и измельчения структуры методами ИПД в сталях аустенитного класса с высокой концентрацией атомов углерода и открывают перспективу разработки нового класса высокопрочных металлических материалов на основе модифицирования промышленных углеродистых сталей методами интенсивной пластической деформации.

Сформулированные в диссертации задачи и предлагаемые методы их решения соответствуют мировому уровню исследований в данной области. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке новых технологических решений для получения металлических материалов с заданными характеристиками прочности. Результаты исследований также позволят, в перспективе, усовершенствовать существующие подходы к наноструктурированию металлических материалов и развивать новые направления исследований в науке и технике.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности температурной и ориентационной зависимости критических скалывающих напряжений в аустенитных сталях Fe-13Mn-l, 3C, Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C, Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C, которые определяются диффузионной подвижностью углерода в аустените и зависимостью доли дислокаций с краевой компонентой и величины расщепления полных дислокаций а/2<110> от энергии дефекта упаковки стали.

2. Экспериментально установленный интервал развития двойникования как высокотемпературного механизма деформации в аустенитных сталях Fe-13Mn-l, 3C, Fe-13Mn-2,7Al-1, ЗС, Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C и закономерности изменения морфологии двойников деформации, которые заключаются в отклонении двойниковых границ от плоскостей {111} скольжения и двойникования в ГЦК решетке, изменении толщины двойников и их плотности при изменении температуры деформирования, типа дислокационной структуры при скольжении и при старении.

3. Механизмы, определяющие подавление макроскопической локализации деформации при увеличении скорости деформации, отклонении оси кристалла от точной ориентации [111] и переходе от однородной к планарной дислокационной структуре при легировании алюминием в [111]-монокристаллах сталей Fe-13Mn-l, 3C, Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C при сжатии.

4. Экспериментально установленные закономерности перехода «хрупкость-вязкость» и несовпадение температур перехода по фрактографическому и деформационному критериям в монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС, обусловленное зависимостью ширины двойниковых ламелей и напряжений пластического течения от температуры и энергии дефекта упаковки стали.

5. Закономерности развития высокотемпературного двойникования при кручении под квазигидростатическим давлением монокристаллов сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Бе-1 ЗМп-2,7А1−1, ЗС, Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС с разной энергией дефекта упаковки, которые определяют формирование ультрамелкозернистой структуры с границами специального типа (двойниковыми) и ее стабильность к нагреву.

Достоверность полученных в работе результатов, обоснованность выносимых на защиту положений и выводов, сформулированных в работе, обеспечена использованием современных методов исследования структуры и физико-механических свойств материалов, статистической обработкой полученных экспериментальных результатов и их сопоставлением с теоретическими моделями и экспериментальными данными других авторов.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 40 работ, из них 15 публикаций в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук, 9 статей в ведущих зарубежных изданиях и 2 раздела в коллективных монографиях.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов и списка литературы из 212 наименований. Работа содержит 310 страниц текста, включая 108 рисунков и 16 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. В монокристаллах аустенитных сталей Ре-13Мп-1,ЗС (I), Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС (И) и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (III) сильная температурная зависимость критических скалывающих напряжений гкр в области термически-активируемого скольжения (Агкр~200МПа в интервале температур Г=(-196)-^50°С) слабо зависит от энергии дефекта упаковки стали и ориентации монокристаллов и определяется высокой концентрацией атомов углерода и их склонностью к группировке. Экспериментально установленная зависимость напряжений пластического течения в области атермического скольжения (при 7>-50°С г¹ > г, ф11 > гкрш, Ат<80МПа) от состава сталей с близкой концентрацией атомов углерода (1,3 мас.%) определяется (1) изменением доли дислокаций с краевой компонентой вследствие увеличения энергии дефекта упаковки и (2) снижением диффузионной подвижности углерода при легировании стали алюминием и марганцем.

2. Монокристаллы аустенитных сталей Ре-13Мп-1,ЗС и Ре-13Мп-1,0С, дополнительно легированной водородом, с высокой концентрацией атомов внедрения и низкой энергией дефекта упаковки являются нешмидовскими, так как в них наблюдается ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений: в интервале температур 77=(-196)-^-400°С разница напряжений течения для «жестких» [001], [123] и «мягких» [144], [011], [111] ориентаций достигает 80МПа. Ориентационная зависимость т, ф первого типа наблюдается во всем интервале температур исследования при е<0,5% и связана с зависимостью величины расщепления дислокаций от ориентации оси растяжения: в «жестких» ориентациях движутся полные, а в «мягких» -сильно расщепленные дислокации скольжения. Нешмидовские эффекты ориентационной зависимости г, ф и величины расщепления дислокаций снижаются при повышении энергии дефекта упаковки стали (при легировании и повышении температуры) и при старении (выделении частиц цементитного типа).

Экспериментально обнаруженная в закаленных монокристаллах Ре-13Мп-1,ЗС ориентационная зависимость механизма деформации при ?=1% в интервале Г=(-196)-23°С обусловливает второй тип зависимости т, ф (7): в «мягких» кристаллах реализуется двойникование, а в «жёстких» -скольжение. На монокристаллах Ре-13Мп-1,0С впервые показано, что понижение энергии дефекта упаковки при легировании водородом приводит к вырождению ориентационной зависимости механизма деформации таким образом, что при ?=1−2%, независимо от ориентации монокристалла, основным механизмом деформации является двойникование. 3. Для монокристаллов сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС впервые определены критические скалывающие напряжения двойникования гдв в широком интервале температур и показана их зависимость от энергии дефекта упаковки, ориентации монокристаллов и температуры деформации, которая свидетельствует о развитии механического двойникования как высокотемпературного механизма деформации при растяжении высокомарганцевых аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов углерода: Т={-196)-400°С для стали Ре-13Мп-1,ЗС, Т=(- 196)-23°С для сталей Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС.

На монокристаллах исследуемых сталей впервые установлена зависимость толщины двойниковых ламелей от температуры испытания (¿-=20−40нм при Т=- 196 °C и ?>100нм при 7>23°С), а также выявлены особенности, заключающиеся (1) в отклонении габитусных плоскостей двойников от плоскостей типа {111} при усилении планарности дислокационной структуры и при увеличении степени деформации скольжением, предшествующей двойникованию и (2) в уменьшении толщины двойников при старении (при Т= 23 °C £=100нм в закаленном состоянии и /<50нм после старения с выделением частиц цементитного типа).

4. Формирование однородной дислокационной структуры при скольжении в стали Ре-13Мп-1,ЗС с низкой уду обусловлено разрушением и восстановлением ближнего порядка в процессе пластического течения, а в сталях Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС со средней и высокой энергией дефекта упаковки легирование алюминием и марганцем снижает диффузионную подвижность углерода в аустените таким образом, что ближний порядок не восстанавливается при пластической деформации и планарный тип структуры определяется в основном силами трения, вызванными высокой концентрацией атомов углерода. Формирование однородного распределения дислокаций при скольжении в одной системе в [123], [012], [ 1 13]-монокристаллах стали Ре-13Мп-1,ЗС вызывает упрочнение более высокое 0Ю=Ю-<$т1&у=9х§ А, чем при развитии планарной дислокационной структуры в сталях Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС (бУ?=5хЮ~4). Деформационное упрочнение при множественном сдвиге определяется величиной свободного пробега дислокаций между дефектами кристаллического строения и не зависит от типа дислокационной структуры (мультиполи, дислокационные стенки, двойники деформации).

5. Установленная экспериментально ориентационная зависимость локализации пластического течения при сжатии монокристаллов Ре-13Мп-1,ЗС обусловлена зависимостью механизма деформации от ориентации: в [111]-монокристаллах, ориентированных для скольжения по шести системам, происходит образование макроскопических полос локализованной деформации, границы которых не являются следами кристаллографических плоскостей типа {111}, отклонены от них на угол до 12° и имеют ориентацию, близкую к плоскости {112}- а [001]-, [012]-, [113]-,.

011]-монокристаллы деформируются квазиоднородно за счет развития механического двойникования.

Впервые выявлены физические факторы, способствующие и подавляющие локализацию пластической деформации при сжатии [111]-монокристаллов стали Ре-13Мп-1,ЗС: множественное скольжение и однородное распределение дислокаций в структуре способствует формированию макрополос сдвига, а микролокализация скольжения (образование плоских скоплений дислокаций) при легировании стали Бе-13Мп-1,ЗС алюминием и развитие механического двойникования при увеличении скорости деформации (от ё — 1,2×10″ 4сек~' до? = 1,2×10~'сек~') и отклонении оси кристалла от точной ориентации [111] (более 10°) приводит к их вырождению.

6. Впервые на монокристаллах исследуемых сталей, независимо от ориентации оси растяжения, обнаружено несовпадение температур перехода «хрупкость-вязкость» по деформационному (ГовтО и фрактографическому (ТЪвти) критериям, и разница этих температур уменьшается с увеличением энергии дефекта упаковки стали (А77~300°С для стали Ре-13Мп-1,ЗСДГ~200°С для стали Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗСАГ~0°С для стали Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС). Несовпадение температур ТЪви и 5ЪВтп в монокристаллах сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС определяется зависимостью температурного интервала развития двойникования от энергии дефекта упаковки стали, а также увеличением ширины двойниковых ламелей и уменьшением напряжений пластического течения при увеличении температуры деформирования.

7. При кручении под квазигидростатическим давлением монокристаллов аустенитных сталей Ре-13Мп-1,ЗС, Ре-13Мп-2,7А1−1,ЗС и Ре-28Мп-2,7А1−1,ЗС, независимо от энергии дефекта упаковки стали и температуры деформации 7<400°С, механическое двойникование определяет формирование высокопрочных наноструктурных состояний с границами специального типа (двойниковыми), устойчивых к нагреву до температуры 500 °C. Увеличение энергии дефекта упаковки и температуры деформации приводит к увеличению среднего расстояния между двойниковыми границами, уменьшению плотности двойников, искривлению их габитусных плоскостей.

Особенности микроструктуры аустенитных сталей после деформации кручением под квазигидростатическим давлением заключаются в дополнительном увеличении плотности дислокаций в стали Fe-13Mn-l, 3C по сравнению со сталями Fe-13Mn-2,7Al-l, 3C и Fe-28Mn-2,7Al-l, 3C при кручении в области температур развития динамического деформационного старения и в активации эффектов дисперсионного твердения и фазовых у-а превращений при кручении стали Fe-13Mn-l, 3C при Г=400°С, не испытывающей фазовых переходов при статическом нагреве до 400 °C.