Механизмы деформации высокопрочных монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей и стали Гадфильда

Аустенитные нержавеющие стали, упрочненные атомами внедрения азотом и углеродом, дисперсными частицами вторичных фаз (карбидами и нитридами) представляют собой важный класс современных конструкционных материалов [1−9]. Для получения высокой прочности в этих сталях используются не только твердорастворное упрочнение и дисперсионное твердение, но и интенсивная пластическая деформация [1−3, 5−11]. Анализ закономерностей пластического течения этого класса сталей показывает, что введение в аустенитную матрицу с низкой энергией дефекта упаковки Уду~0.020−0.030 Дж/м2 атомов внедрения и дисперсных частиц приводит к значительному увеличению предела текучести ст0л и коэффициента деформационного упрочнения © [1−11].

Управление прочностными и пластическими свойствами, разработка теории оптимального легирования таких сталей азотом и углеродом невозможна без выяснения механизмов формирования высокой прочности при твердорастворном упрочнении и пластической деформации. В последнее время одним из наиболее интенсивно развивающихся в научном и практическом плане является направление, связанное с разработкой физических механизмов, ответственных за достижение высоких прочностных свойств в аустенитных нержавеющих сталях с азотом См-0−0.5 вес. % и стали Гадфильда (Ре-13% Мп — 1.2%С, вес. %) [1−3, 5−7, 10−18].

Полученные к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют о наличии ряда факторов, определяющих формирование прочностных и пластических свойств таких сталей с высокой концентрацией атомов внедрения. Известно, что деформация в таких материалах может осуществляться как скольжением расщепленных дислокаций, так и двойни-кованием [9,10,12−16]. Отличительными характеристиками этих материалов являются высокая прочность, пластичность, склонность к высокому 5 упрочнению при деформации и линейный характер а (в) зависимости [1−16]. Факт существования двойников в этих сплавах установлен экспериментально [10−13]. В связи с чем, уникальные свойства стали Гадфильда и аус-тенитных нержавеющих сталей, упрочненных атомами внедрения, связывают с развитием деформации двойникованием. Однако, в настоящее время активно развивается другое направление при изучении природы высоких значений 0 и линейной зависимости а (е) в стали Гадфильда и аусте-нитных нержавеющих сталях, упрочненных атомами внедрения, согласно которому необычное поведение этих сплавов связано с деформацией скольжением в условиях высокой концентрации атомов легирующих элементов [3,15−18]. До сих пор практически все экспериментальные работы выполнялись на поликристаллах этих сплавов и процессы пластического течения сильно осложнялись присутствием границ зерен, исходной текстурой поликристаллов и ее изменением при деформации [3, 7, 9−13, 16−18]. Вместе с тем, решение вопроса о соотношении скольжения и двойникова-ния в стали Гадфильда представляется важным, поскольку в этом случае появится возможность конструировать металлы и сплавы по типу стали Гадфильда.

Вопрос о соотношении двух конкурирующих механизмов (скольжения и двойникования) в ГЦК металических кристаллах до недавнего времени однозначно решался в пользу деформации скольжением [1921]. Эти представления сложились на основании изучения низкопрочных ГЦК чистых металлов и сплавов замещения [19−29], где механическое двойникование обычно реализуется на поздних стадиях пластического течения непосредственно перед разрушением при низких температурах испытаний Т<300 К или при высоких скоростях деформации. Впервые ревизия подобного подхода к решению вопроса о двойниковании проводилась при изучении монокристаллов ГЦК гетерофазных сплавов Си-А1-Со, Си-ТьА1, Си-М-Бп [30−32], где экспериментальные исследования показали, что вве6 дение дисперсных частиц разной природы в матрицу с низкой уду~0.02−0.04 Дж/м2 приводит не просто к повышению уровня деформирующих напряжений, но и принципиальным образом изменяет механизм пластической деформации от скольжения к двойникованию. Это явилось основанием считать, что механизмы деформации ГЦК высокопрочных дисперсионнотвердеющих монокристаллов оказываются отличными от наблюдаемых в состоянии пересыщенного твердого раствора. Так, если в гетерофазном состоянии механизмом, определяющим формоизменение ГЦК кристаллов может быть двойникование, то при твердорастворном упрочнении происходит обычное скольжение.

Вместе с тем, выполненные в последние годы в СФТИ исследования на монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей [33−37], обнаружили, что твердорастворное упрочнение атомами азота также приводит к достижению высокопрочного состояния, а при больших концентрациях азота Сы=0.5−0.7 вес.% в сплавах с низкой уду=0.02 Дж/м2 при Т<300 К может происходить смена механизма деформации от скольжения к двойникованию. Важным экспериментальным фактом для развития теории механического двойникования в ГЦК материалах, в том числе и аустенитных нержавеющих сталях с высокой концентрацией атомов азота, является обнаружение развития двойникования без предшествующего макроскопического скольжения [30−32, 37].

Однако, пока эти результаты были получены в единичном случае на примере монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с низкой уду=0.02 Дж/м2, легированных азотом [37]. Нерешенными остались многие принципиальные вопросы. В частности, является ли смена механизма деформации от скольжения к двойникованию специфической особенностью только сплавов, легированных азотом, или это общая черта для ГЦК сплавов, содержащих атомы внедрения. Отсутствуют систематические исследования стадийности пластического течения при деформации двойниковани7 ем сплавов, упрочненных атомами внедрения.

В настоящей работе предпринята попытка восполнить этот пробел и выяснить общность закономерностей перехода от скольжения к двойнико-ванию при твердорастворном упрочнении атомами внедрения высокой концентрации Сс, N=0.4−1.3 вес. % и дисперсионном твердении на монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей и стали Гадфильда в зависимости от типа атомов внедрения (азот, углерод), типа выделяющихся частиц (карбиды, нитриды) и величины энергии дефекта упаковки уду=0.02−0.08 Дж/м2.

В связи с вышеизложенным, постановка задач исследования, подбор сплавов для работы и методов, применяемых в настоящей работе, были нацелены на выяснение основного вопроса — вопроса о роли высокого уровня деформирующих напряжений, достигаемых за счет твердораствор-ного упрочнения атомами внедрения и дисперсионного твердения на смену механизма деформации от скольжения к двойникованию и исследование роли двойникования и в деформационном упрочнении. С этой целью, во-первых, для исследования были выбраны монокристаллы аустенитных нержавеющих сталей с разной энергией дефекта упаковки уду=0.02−0. 08 Дж/м2 и с высокой концентрацией атомов азота и углерода Сс, м>0.4 вес.% и сталь Гадфильда. Выбором в качестве упрочнителя атомов азота и углерода и изменением уду предполагалось при деформации скольжением снизить процессы динамического возврата путем поперечного скольжения дислокаций. Предполагалось затруднить и сместить в область больших деформаций развитие процессов поперечного скольжения и, следовательно, тщ — напряжения начала деформации ГЦК монокристаллов и, соответственно, расширить стадию II линейного упрочнения [38−41].

Во-вторых, сочетание высокого уровня сил трения за счет твердо-растворного упрочнения и дисперсионного твердения с низкой уду может привести к появлению нешмидовских эффектов на ранних стадиях пласти8 ческого течения, связанных как со сменой механизма деформации от скольжения к двойникованию, так и с воздействием поля внешних напряжений на величину расщепления а/2<110> дислокации на частичные Шокли а/6<211> при сохранении скольжения основным механизмом деформации [30−37, 42].

В-третьих, в работе широко использовались экспериментальные методы исследования монокристаллов, позволяющие установить природу стадийности пластического течения монокристаллов изучением металлографической картины сдвига, дислокационной структуры, изменения оси кристаллов в ходе деформации [43−45].

Такой подход позволил обнаружить ряд новых, ранее не отмечавшихся в литературе закономерностей пластического течения монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с высоким содержанием атомов внедрения. Прежде всего, в отличие от сложившихся представлений о механизме деформации ГЦ К кристаллов, нами обнаружено в монокристаллах стали Гадфильда при определенных ориентациях интенсивное двойни-кование. Найдена ориентационная зависимость развития деформации двойникованием в этих сталях.

Впервые обнаружены ориентации, в которых деформация двойникованием развивается с самого начала пластического течения и является основным механизмом формоизменения кристаллов. Найдена связь высоких значений коэффициента деформационного упрочнения 0, линейной зависимости кривых течения а (в) со взаимодействием систем двойникова-ния друг с другом. На основании проведенного детального исследования характеристик двойникования предложена модель зарождения и распространения двойникования в ГЦК монокристаллах с высокой концентрацией атомов внедрения без учета предшествующего макроскопического скольжения.

Проведено исследование ориентационной зависимости критических 9 скалывающих напряжений ткр в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с азотом и углеродом, дисперсными частицами и монокристаллов стали Гадфильда. Выяснены необходимые условия для возникновения нешмидовских эффектов — появления зависимости критических скалывающих напряжений от ориентации кристалла. Вся совокупность полученных результатов позволяет высказать соображения о роли высокого уровня деформирующих напряжений в изменении величины расщепления полных дислокаций на частичные Шокли и смене механизма деформации от скольжения к двойникованию.

Впервые в ГЦК кристаллах стали Гадфильда при Т=300 К обнаружено развитие механического двойникования в [001] кристаллах при растяжении и в [ 111] кристаллах при сжатии. Эти результаты позволяют по новому объяснить уникальные механические свойства поликристаллов стали Гадфильда.

На защиту в настоящей работе выносятся следующие положения:

1. Экспериментально найденные закономерности ориентационной зависимости (отклонение от закона Боасса-Шмида) критических скалывающих напряжений в монокристаллах стали Гадфильда и аустенитных нержавеющих сталей в зависимости от концентрации атомов азота и углерода Cc, n>0.4 вес. %, размера дисперсных частиц нитридов и карбидов, ориентации кристаллов, величины энергии дефекта упаковки, температуры испытания. Дислокационная модель твердорастворного упрочнения и дисперсионного твердения, объясняющая ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений, основанная на учете изменения расщепления дислокаций а/2<110> в поле внешних напряжений на частичные дислокации Шокли а/6<211>.

2. Экспериментальное доказательство развития механического двойникования без предшествующего скольжения в монокристаллах стали Гадфильда. Дислокационная модель зарождения двойников по механизму «скользящего источника» .

3. Экспериментально установленная для монокристаллов стали Гад-фильда зависимость механизма деформации (скольжения и двойникования) от ориентации оси растяжения кристаллов. При растяжении в [ 111], [011], 377], [ 144] ориентациях деформация с самого начала пластического течения развивается двойникованием и является основным механизмом формоизменения кристаллов. При растяжении в [ 123], [012], [ 113] ориентациях двойникованию предшествует скольжение. Стадийность a (s) кривых определяется последовательным включением в деформацию скольжения, двойникования в одной системе и множественного двойникования.

4. Экспериментально установленная полярность деформации двойникованием в кристаллах стали Гадфильда. Развитие двойникования за счет образования дефектов упаковки вычитания при растяжении в [ 111] и при сжатии в [001] ориентациях и дефектов упаковки внедрения при сжатии в [ 111] и при растяжении в [001].

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и выводов, содержит 171 страницу машинописного текста, 87 рисунков, 21 таблицу.

ВЫВОДЫ.

1. Показано, что в монокристаллах стали Гадфильда и аустенитных нержавеющих сталей, упрочненных азотом и углеродом, наблюдается ориентаци-онная зависимость критических скалывающих напряжений ткр. Обнаружено два типа ориентационной зависимости: а) в двойникующихся с самого начала пластической деформации монокристаллах стали Гадфильда критические скалывающие напряжения в 111], [ 144], [011], [ 377] ориентациях ниже, чем т^ при деформации скольжением в [012], [ 123], [ 113] ориентациях при растяженииб) при деформации скольжением в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с углеродом и азотом в «мягких» [ 111] кристаллах с атомами внедрения взаимодействуют расщепленные на частичные Шокли полные дислокации, тогда как в [001] - нерасщепленные а/2<110> дислокации.

2. Экспериментально показано, что выделение дисперсных частиц карбидов и нитридов в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с высокой концентрацией атомов внедрения и с низкой энергией дефекта упаковки y^ приводит к ориентационной зависимости ткр. Установлено, что отклонения от закона Боасса-Шмида возрастают с понижением температуры испытания и с увеличением т^ при дисперсионном твердении. Показано, что физическая причина нешмидовских эффектов при дисперсионном твердении связана с воздействием поля внешних напряжений на величину расщепления полных дислокаций а/2<110> на частичные дислокации Шокли. Увеличение расщепления в [ 111] кристаллах приводит к уменьшению ткр при срезании и огибании дисперсных частиц по сравнению с [001] кристаллами, в которых расщепление уменьшается.

3. Экспериментально показано, что в монокристаллах стали Гадфильда при деформации растяжением в [011], [ 377], [ 144], [ 111] деформация реали.

291 зуется механическим двойникованием с самого начала пластического течения и до разрушения. Стадийность кривых течения и величина коэффициента деформационного упрочнения 0 определяется числом действующих систем двойникования. Зарождение и распространение двойникования в [011], [ 377], [ 144] ориентациях происходит полосой Людерса-Чернова, переход к двойникованию в нескольких системах определяет линейную зависимость c (s) и высокие значения 0. В [ 111] кристаллах развитие двойникования в нескольких системах является причиной высоких значений 0.

4. В [012], [ 123], [ 113] кристаллах стали Гадфильда смена механизма деформации от скольжения к двойникованию наблюдается на поздних стадиях деформации. Стадийность кривых течения определяется последовательным включением в деформацию скольжения, двойникования в одной системе и двойникования в нескольких системах.

5. Впервые на монокристаллах стали Гадфильда установлено, что механическое двойникование наблюдается при растяжении в [001] и сжатии в [ 111] кристаллов. Показано, что в отличие от ГЦК монокристаллов в стали Гадфильда наблюдается полярность двойникования: в [001], [ 111] кристаллах двойникование имеет место как при растяжении, так и при сжатии.

6. При деформации сжатием [ 111] кристаллов стали Гадфильда с начала пластического течения обнаружена локализация деформации за счет зарождения и распространения макроскопических полос сдвига. Показано, что разо-риентация решетки в полосе локализованого сдвига возрастает с увеличением степени пластической деформации.

7. Предложена дислокационная модель зарождения двойникования в [011], 377], [ 144], [ 111] с самого начала пластического течения, основанная на расщеплении полных дислокаций на частичные дислокации Шокли с образованием дефектов упаковки вычитания. При растяжении в [001] и сжатии в [ 111] ориентациях двойникование реализуется за счет образования дефектов упаковки внедрения.