Градиентные структуры неравновесного перлита в деформируемой стали

Градиентные структуры неравновесного перлита в деформируемой стали

Э.В. Козлов, Н.А. Попова, С.Г. Жулейкин, В.В. Коваленко, В.В. Ветер, В.Е. Громов

Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия

Методом электронной микроскопии проведено исследование эволюции перлитной структуры стали в условиях ударного нагружения. Введена классификация масштабных уровней, проявляющихся в сталях со структурой пластинчатого перлита, и установлена их связь с параметрами градиентной структуры, возникающей в материале. Выявлены общие закономерности и различия в фазово-структурных превращениях при ударном нагружении по сравнению с квазистатической холодной пластической деформацией перлитной стали.

1. Введение

Анализ всей совокупности процессов, проявляющихся при нагружении сталей, свидетельствует о том, что деформация перлита не может быть удовлетворительно описана в рамках одного механизма или какой-либо универсальной модели. Процессы дислокационных преобразований и изменений в морфологии присутствующих фаз развиваются в определенной последовательности на разных масштабных (структурных) уровнях. Понятие иерархии структурных уровней деформации уже более 20 лет плодотворно используется в металлофизике и металловедении, обеспечивая полноту и методическую стройность анализа дефектной структуры материалов [1-4]. Под иерархией структурных уровней понимается совокупность структурных уровней исходного материала и формирующихся уровней деформационного происхождения.

Впервые четкое представление о структурных уровнях деформируемого твердого тела было введено В.Е. Паниным [1, 2]. Оригинальная таблица иерархии структурных уровней деформации и разрушения была предложена в [5, 6], где представлен список соответствующих структурных уровней в порядке возрастания их масштаба, выполнено их классификационное разде-

ление и указаны протяженности или, иначе говоря, соответствующий масштаб. Использование этой классификации позволяет сравнить процессы преобразования дефектной структуры перлита с аналогичными процессами, которые развиваются в однофазных материалах. Это дает возможность представить общие закономерности и различия, возникающие при деформации существенно различных по структуре материалов. Каждый структурный уровень вносит свой вклад или оказывает влияние на развитие деформации и эволюцию дефектной структуры. Структурные уровни не функционируют изолировано, а, напротив, взаимодействуют между собой, и физика этого взаимодействия оказывает серьезное влияние на все процессы при пластической деформации [7, 8].

При пластической деформации сталей с перлитной структурой в определенной последовательности и (или) параллельно происходят сложные структурные изменения, приводящие, во-первых, к распаду части карбидной фазы, в результате чего наблюдается утонение и дробление цементитных пластин [9, 10]. Во-вторых, при деформации происходит коробление и растаскивание перлитных колоний на отдельные части, вплоть до отдельных пластин. При этом пластины цементита разре-

© Козлов Э.В., Попова Н.А., Жулейкин С.Г., Коваленко В.В., Ветер В.В., Громов В.Е., 2003

заются и измельчаются [11, 12]. Иными словами, происходит разрушение как пластин цементита, так и самих перлитных колоний.

Экспериментально показано [11-13], что существуют два механизма разрушения пластинчатого перлита: 1) разрезание цементитных пластин путем их дробления скользящими дислокациями и 2) растворение цементита за счет оттока атомов углерода из карбидной фазы FeзC на дефекты кристаллической решетки феррита. Таким образом, деформация цементитных прослоек приводит к одновременному протеканию дислокационного и диффузионного выноса атомов углерода из карбида железа. При этом в областях а-фазы, обогащенных атомами углерода, происходит образование ячеисто-сетчатой, а затем фрагментированной субструктур. Фрагментация материала — это образование разориентированных объемов, разделенных границами дислокационного типа [5]. На образование фрагментов при пластической деформации пластинчатого перлита указывалось в работах [9, 11, 14, 15].

Характер всех этих перечисленных структурных изменений определяется многими факторами. Важнейшими среди этих факторов являются исходное перед деформацией структурное состояние, степень деформации, температура деформации, схема нагружения. Именно в таких условиях работает штамповое оборудование, а бойки, выполненные из стали, обработанной на феррито-перлитную структуру, испытывают в процессе работы максимальную деформацию на одном конце и минимальную на противоположном. Таким образом, механическое и термическое воздействие с поверхности образца приводит к тому, что по мере удаления от поверхности в глубину образуются градиентные структуры. Это означает, что изменения структуры происходят по мере удаления от зоны удара вглубь материала до хвостовой части бойка.

Поэтому целью настоящей работы явилось, во-первых, исследование эволюции перлитной структуры стали в условиях ударного нагружения, во-вторых, количественное изучение градиентной структуры, возникающей в материале, в-третьих, введение классификации масштабных уровней, проявляющихся в сталях со структурой пластинчатого перлита, и установление их связи с параметрами градиентной структуры и, в-четвертых, выявление общих закономерностей и различий в фазово-структурных превращениях при ударном нагружении по сравнению с квазистатической холодной пластической деформацией перлитной стали [9, 16].

2. Материал и методика эксперимента

Материал бойка — перлитная сталь 9Х2ФМ, в которой 98 % составляют зерна пластинчатого перлита и ~2 % — зерна феррита. Исследуемый образец представлял собой цилиндр диаметром 9.5 мм и длиной 23 мм.

Испытания проводились на лабораторной установке при частоте нагружения — 1 удар/мин, время работы ударника — 1 час, усилие на ударник — 30 кг.

При выявлении градиентной структуры количественное и качественное исследование было выполнено в трех слоях. Первый слой — внешняя рабочая поверхность, подвергавшаяся наибольшей деформации в ходе эксплуатации (зона ударного нагружения). Второй слой — обратная сторона изделия, по своим свойствам близкая к исходному состоянию. Наконец, еще один слой — промежуточный, по центру образца. Количественные данные по этому слою позволяли охарактеризовать возникшие градиентные структуры.

Исследование было выполнено методом просвечивающей электронной микроскопии на электронных микроскопах ЭМ-125 и ЭМ-125«К» при ускоряющем напряжении в колонне микроскопа 125 кВ и среднем рабочем увеличении 25 000 крат. Образцы из указанных выше слоев вырезались на электроискровом станке и утонялись вначале химически и затем электролитически по методике, описанной в [17]. Субструктуры, наблюдаемые в электронном микроскопе, квалифицировались качественно по схеме [5] и обрабатывались количественно статистически. В работе измерялись следующие параметры на различных структурных уровнях:

1) объемная доля каждого из наблюдаемых типов перлитной структуры (мезоуровень), 2) скалярная плотность дислокаций в каждом типе структуры и в среднем по материалу (микроуровень), 3) размеры колоний (уровень зерна), 4) толщина ферритных и цементитных пластин в каждом типе структуры и размер фрагментов во фрагментированной структуре (мезоуровень).

Объемные доли типов структур (Ру) определялись из доли площади, занятой каждым типом структуры, по общему правилу измерения площади неправильных фигур [18]. Размеры каждого типа структурных составляющих стали, размеры колоний, толщина ферритных и цементитных пластин и размер фрагментов определялись методом случайных секущих [18]. Карбидные фазы были проиндицированы с помощью дифракционной картины и темных полей, полученных в рефлексах карбидных фаз. Скалярная плотность дислокаций в фер-ритных прослойках и ферритных зернах (ра) измерялась согласно методике, описанной в [19].

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

В настоящей работе при проведении анализа иерархии уровней деформации стали за основу принята классификация, предложенная в работах [5, 6]. Применительно к сталям картина структурных уровней может быть значительно упрощена и более детализирована. Подобная классификация для сталей со смешанным пакетно-пластинчатым мартенситом была дана нами в работах [4, 20] и для феррито-перлитных сталей — в [11,

Таблица 1

Структурные уровни, подуровни, их масштаб и размеры структурно-фазовых образований в различных областях образца

Масштаб

Наименование уровня Элемент структуры Вдали от места нагружения (исходное состояние) Центральная часть образца Зона ударного воздействия

Точечные дефекты 0.2-0.3 нм 0.2-0.3 нм 0.2-0.3 нм

Микроуровень Дислокация 10 нм 10 нм 10 нм

Дислокационные сетки в а-фазе сотни нм сотни нм сотни нм

Фрагменты а-фазы в перлите нет 166 нм 100 нм

Мезоуровень Фрагменты а-фазы в феррите нет нет 70 нм

Пластина цементита (ширина) 25 нм 22 нм 21 нм

Пластина а-фазы (ширина) 57 нм 49 нм 40 нм

Перлитные колонии совершенного перлита 24 х 17 мкм 18x11 мкм 16x8 мкм

Уровень зерна Перлитные колонии дефектного перлита 11x8 мкм 16x 10 мкм 24 x 12 мкм

Зерно феррита 12 х4 мкм 12x4 мкм 12x4 мкм

Зерно перлита 40 мкм 40 мкм 40 мкм

Макроуровень Группы зерен сотни мкм сотни мкм сотни мкм

Образец в целом см см см

Примечание: в таблице приведены средние значения элементов структуры

21, 22]. Еще более простая картина наблюдается для стали перлитного класса. Классификация структурных уровней исследованной в настоящей работе стали для различных участков образца приведена в таблице 1. Как видно из таблицы, здесь присутствуют, как и в [5, 6], четыре самостоятельных масштабных уровня: микроскопический, мезоскопический, структурный уровень зерна и макроскопический. Каждому уровню соответствует несколько подуровней. Еще раз подчеркнем, что явления, происходящие на каждом структурном уровне, взаимосвязаны. Поэтому анализировать события, протекающие на различных уровнях, как сугубо самостоятельные и изолированные друг от друга нельзя. В то же время, можно выделить процессы преобразования дефектной структуры материала, характерные для каждого уровня деформации.

Микроскопический структурный уровень является самым мелкомасштабным (~ 3-100 нм) и включает в себя такие элементы структуры перлита как атом, вакансия, дислокация, группа дислокаций, сплетения и сетки дислокаций. На этом уровне проявляются главным образом эффекты, связанные с изменением отдельных дефектов кристаллической структуры. Наиболее значимым процессом, связанным с этим уровнем, является эволюция дислокационной структуры. По мере приближения к поверхности образца (зоне ударного воздействия) скалярная плотность дислокаций в ферритных промежутках пластинчатого перлита (пластинах а-фазы) и в зернах феррита интенсивно возрастает (рис. 1). Та-

ким образом, уже на самом мелком масштабном уровне можно говорить о наличии градиентной структуры.

Увеличение плотности дислокаций до значений ~ 1 • 1010 см-2 подготавливает глубокие качественные изменения структуры перлита. С уменьшением расстояний между отдельными дислокациями возрастают силы междислокационного взаимодействия. На этой стадии проявляются эффекты коллективного перераспределения дислокаций, выражающиеся в формировании самоорганизующейся [7] фрагментированной структуры. Размер фрагментов, наблюдающихся в структуре перлита, в среднем в разных областях образца составляет 100-

8

0 11 22 X, мм

Рис. 1. Изменение скалярной плотности дислокаций ра в межцемен-титных прослойках (1) и в зернах (2) феррита по мере удаления от поверхности образца X при ударном нагружении. Стрелкой указано направление увеличения степени пластической деформации 8

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения, их микродифракционные картины и схемы первично (а-в) и вторично (г-е) фрагментированного перлита. Белым флажком на (а) отмечен участок первичных фрагментов, черными стрелками на схеме (в) — границы первичных фрагментов, белыми на (г) и (е) — частицы цементита Ре3С различной формы

200 нм (см. табл. 1). Таким образом, в данном случае речь идет уже о реализации мезоскопического структурного уровня перлита с размерами характерных для него элементов вновь образующейся дефектной структуры.

Особенность фрагментированной структуры, возникающей в перлите, заключается в том, что в материале могут наблюдаться два типа фрагментов — первичные и вторичные [23]. Первичная фрагментация (рис. 2, ав) сохраняет (слегка искаженной) структуру пластин цементита, которые разделены малоугловыми границами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных главной оси цементитной пластины. Разориентировка на таких границах не превышает 0.5 градуса. Об этом свидетельствует анализ микродифракционной картины (рис. 2, б): микродифракционная картина содержит только одну плоскость a-фазы и на рефлексах отсутствуют тяжи. Фрагменты ограничены с боковых сторон пластинами цементита и обладают анизотропной формой. Особенностью первичных фрагментов является то, что их поперечный размер соответствует толщине ферритных пластин. Образуются они, как правило, в тех местах перлитной структуры, где цементитные пластины в результате пластической деформации не были разрушены [16]. B тех областях, где имеется множество дефектов строения цементитных пластин, или там, где

пластины цементита разрушены пластической деформацией, образуются равноосные субзерна [16], или вторичные фрагменты [23]. Bо вторично фрагментированном перлите пластинчатая структура перлита практически отсутствует, и он представляет смесь ферритных зерен, частично декорированных цементитом (рис. 2, г-e). Анализ микродифракционной картины, полученной для таких участков (рис. 2, д), указывает на наличие небольших (~ 1-5°) разориентировок. Размер фрагментов, как видно из табл. 1, по мере приближения к зоне ударного нагружения уменьшается. При этом изменяется и объемная доля фрагментированной структуры (рис. 3, а). Аналогичные результаты были получены нами при исследовании перлитной стали 9ХФ, деформированной прокаткой [23], и феррито-пер-литной стали 20Г2Р, деформированной холодным волочением [11, 12].

Необходимо отметить, что на данном структурном уровне отмечается фрагментация и в ферритных зернах, но лишь в зоне ударного нагружения (см. табл. 1). Однако объемная доля фрагментированных зерен не велика.

Уже на мезоскопическом уровне присутствуют анизотропные структуры. Такими элементами дефектной структуры перлита, характерными для данного структурного уровня, являются пластины цементита и меж-

X, мм

Рис. 3. Изменение количественных параметров градиентной структуры на мезоскопическом уровне по мере удаления от поверхности образца Х при ударном нагружении: а — объемная доля Ру совершенного (1), несовершенного (2) и вторично фрагментированного (3) перлита; б — поперечные размеры Н цементитных (4) и феррит-ных (5) пластин. Стрелкой указано направление увеличения степени пластической деформации 8

пластинчатые промежутки, т.е. пластины а-фазы (см. табл. 1). Поперечные размеры этих пластинчатых образований, как и следует из табл. 1, существенно меньше 100 нм, однако их продольные размеры практически совпадают с размером колоний пластинчатого перлита и составляют, в зависимости от совершенства перлита, единицы-десятки мкм. Это структурные образования мезоскопического структурного уровня. По мере приближения к зоне ударного нагружения их средние размеры уменьшаются (рис. 3, б). Это означает то, что разрушаются прежде всего крупные цементитные пластины. Известно, что в крупных колониях больше расстояние между пластинами цементита и больше их ширина [16]. Данные рис. 3, б свидетельствуют о том, что разрушение перлита начинается с самых крупных колоний. Это подтверждается еще и тем, что средний размер колоний совершенного перлита убывает, а несовершенного возрастает (данные следующего структурного уровня). Кроме того, известно, что чем больше расстояние между пластинами цементита, тем меньше его сопротивление пластической деформации [23], согласно известной формуле а ~ г_15 где г — межпластинчатое расстояние. Поэтому перлитные колонии с большим межпластинчатым расстоянием будут деформироваться первыми, а значит и разрушаться быстрее.

Следующий структурный уровень — уровень зерна. Масштаб этого уровня — десятки мкм. К данному структурному уровню относятся перлитные колонии и зерна перлита и феррита. Этот уровень отличается тем, что на всех его подуровнях структуры имеют коэффициент анизотропии К = ЬН >> 1 (где Ь — продольный, Н — поперечный размер элемента структуры) [11].

Как показали проведенные исследования, 98 % объема материала во всех областях образца составляет перлит и лишь 2 % феррит. Типичные изображения структуры стали представлены на рис. 4. Уже в исходном состоянии (вдали от места нагружения) в материале присутствуют два типа перлита. К первому типу относятся совершенные перлитные колонии — это колонии, не имеющие дефектов, либо число дефектов в них составляет небольшое количество. Ко второму типу перлитной структуры относятся колонии несовершенного перлита — колонии, в которых образовалось много дефектных мест, в том числе и раздробленных деформацией цементитных пластин. По мере приближения к зоне ударного нагружения остается все меньше колоний совершенного перлита, а доля колоний с раздробленными пластинами цементита возрастает (рис. 3, а, кривые 1,2). Изменяются и размеры перлитных колоний,

' Л \ [сПІІВІИ

К рп 0.5 мкм і і

І 1

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение колоний пластинчатого перлита (а) и зерен феррита (б). Участок образца вдали от зоны нагружения. СП — колония совершенного перлита, РП — несовершенного, Ф — зерно феррита

8

X, мм

Рис. 5. Изменение продольных (1) и поперечных (2) размеров перлитных колоний в совершенном (а) и дефектном (б) перлите при удалении от поверхности образца X при ударном нагружении. Стрелкой указано направление увеличения степени пластической деформации 8

причем у совершенного перлита они уменьшаются, а у несовершенного — возрастают (рис. 5). Это подтверждает то, что разрушение перлита начинается с крупных колоний. При этом размеры зерен пластинчатого перлита, как и феррита, остаются неизменными (см. табл. 1).

Следующим структурным уровнем является макроскопический уровень. Этот уровень характеризуется такими элементами как группа зерен (сотни мкм) и образец, или деталь, в целом (9.5x23 мм2). Это единственный уровень, на котором градиентные параметры отсутствуют.

4. Заключение

В результате проведенных исследований было установлено, что:

1) в стали со структурой пластинчатого перлита, как и в однофазных металлах и сплавах, можно выделить четыре самостоятельных масштабных уровня: микроскопический, мезоскопический, уровень зерна и макроскопический;

2) ударное нагружение приводит к образованию в образце градиентной структуры — монотонному изменению параметров структуры по мере удаления от зоны нагружения к противоположной стороне образца;

3) качественное изменение параметров структуры происходит на всех масштабных уровнях за исключением макроскопического: увеличение степени пластической деформации приводит к постепенному разрушению перлитной и образованию фрагментированной структуры и увеличению скалярной плотности дислокаций во всем материале;

4) эволюция перлитной структуры при ударном нагружении проходит подобно деформации прокаткой или холодном волочении.

Литература

1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф. и др. Структурные уровни

деформации твердых тел // Изв. вузов. Физика. - 1982. - № 6. -С. 5-27.

2. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

3. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

4. Теплякова Л.А., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. и др. Структурные уровни и пластичность деформированной стали // Дефекты и физико-механические свойства металлов и сплавов. - Барнаул: АПИ, 1987. - С. 95-102.

5. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пласти-

ческой деформации // Изв. вузов. Физика. - 1990. - № 2. - С. 89106.

6. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пласти-

ческой деформации // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - С. 123-186.

7. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики

// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.

8. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.

9. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г. Распад цементита при пластической деформации стали // Металлофизика. - 1982. - Т. 4. - № 3. - С. 7487.

10. Михайлов С.Б., Табачникова Т.И., Счастливцев В.М. и др. Исследование поведения перлита при деформации патентированной стали // ФММ. - 2001. - Т. 91. - Вып. 6.

11. Громов В.Е., Козлов Э,В., Базайкин В.И. и др. Физика и механика волочения и объемной штамповки. - М.: Недра, 1997. - 293 с.

12. Козлов Э.В., Закиров Д.М., Попова Н.А. и др. Субструктурно-фазовые превращения при интенсивной пластической деформации малоуглеродистой феррито-перлитной стали // Изв. вузов. Физика. - 1998. - № 3. - С. 63-71.

13. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Базайкин В.И. и др. Структурно-фазовые превращения при больших пластических деформациях // Перспективы горно-металлургической индустрии. - Новокузнецк: Сибирские огни, 1999. - С. 165-173.

14. Белоус М.В., Новожилов В.Б. Влияние повторной пластической деформации на состояние карбидной фазы в сталях // Металлофизика. - 1982. - Т. 4. - № 3. - С. 87-90.

15. Нестерова Е.В., Рыбин В.В., Золоторевский Н.Ю. Кристаллографические особенности внутреннего строения колоний деформированного пластинчатого перлита // ФММ. - 2000. - Т. 89. -№1. - С. 47-53.

16. ТушинскийЛ.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. - Новосибирск: Наука, 1993. -280 с.

17. Ветер В.В., Козлов Э.В., Жулейкин С.Г. и др. Фазовый анализ и тонкая структура стали 9ХФ после высокотемпературной цементации // Изв. вузов. Физика. - 2002. - № 3 (приложение). - С. 18-27.

18. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1976. - 271 с.

19. Хирш П., Хови Р., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968. - 574 с.

20. Козлов Э.В., Попова Н.А., Григорьева Н.А. и др. Стадии пластической деформации, эволюция субструктуры и картина скольжения в сплавах с дисперсным упрочнением // Изв. вузов. Физика. -1991. - № 3. - С. 112-128.

21. ГромовВ.Е., БердышевВ.А., Козлов Э.В. и др. Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали. - М.: Недра коммю-никейшенс ЛТД, 2000. - 176 с.

22. Гyрьeв A.M., Козлов 3.B., Игнameнкo Л..H., Попова H.A. Физические основы термоциклического борирования сталей. - Барнаул: АлтГТУ, 2000. - 177 с.

23. Bemeр B.B., Попова H.A., Игнameнкo Л..H., Козлов 3.B. Фрагментация и образование трещин в перлитной стали опорных валков прокатного стана // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1994. -М 10. - С. 44-48.

24. Грид^в B.H., Гаврилюк BT., Meшкoв Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. - Киев: Наукова думка, 1974. - 232 с.

Gradient structures of nonequilibrium pearlite in steel under deformation

E.V Kozlov, N.A. Popova, S.G. Zhuleikin, V.V Kovalenko, V.V. Veter, and VE. Gromov

Tomsk State Architecture-Building University, Tomsk, 634003, Russia Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia

Evolution of the pearlite structure of steel in the conditions of shock loading is investigated by electron microscopy. Scale levels inherent in steels with the lamellar pearlite structure are classified and their relation to parameters of the gradient structure formed in the material is established. General regularities and differences in phase-structural transformations are revealed for the case of shock loading as compared to quasistatic cold plastic deformation of pearlite steel.