Роль наноструктурирования в повышении механических свойств низколегированных сталей

3. Стеклянные волокна / М.С. Асланова, Ю.И. Ко-лесов, В.Е. Хазанов и др. / Под ред. Аслановой. - М.: Химия, 1979. - 256 с.

4. Персиков Э.С., Эпельбаум М.Б. Экспериментальное исследование вязкости системы гранит+ +Н2О+Ж1 при давлениях флюида до 4 кбар // Х Все-союз. совещ. По экспериментальной и технической

УДК 669.15: 621.777: 620.186

минералогии и петрографии. - Киев.: Наукова думка, 1981. - С. 249-254.

5. Патент РФ RU2102342C1, МКИ 6С03В37/00. Способ изготовления непрерывного волокна из расплава базальтовых горных пород / В.И. Трефилов (иА), В.П. Сергеев (иА), М.Ф. Махова (иА). 8с.: илл.

Поступила в редакцию 10.01.2014

Роль наноструктурирования в повышении механических свойств

низколегированных сталей

С.П. Яковлева, С.Н. Махарова

Исследованы изменения микростроения и природа прочности низколегированной стали после объемного наноструктурирования с применением режимов «теплого» (при 300 ...500°С) и «холодного» (при комнатной температуре) равноканального углового прессования (РКУП), обеспечивших технически значимое улучшение комплекса механических свойств материала. Впервые обоснован и подтвержден эффект формирования наномасштабных структурных элементов в ферритно-перлитной стали при рекристаллизации после холодного РКУП. С позиций кинетической концепции разрушения проведен анализ особенностей накопления повреждений и процессов трещинообразования в нанострук-турированном металле при статическом и динамическом нагружении; получены приоритетные данные в выявлении роли наносубмикронных элементов структуры как факторов высокопрочного состояния металлических материалов. Установлено, что измельчение структурных составляющих стали создает условия для деформационно-стимулированной самоорганизации структуры при последующем нагружении, в результате которой локализация деформации происходит на более поздних стадиях по сравнению с материалом в крупнозернистом состоянии. Определяющими факторами при разрушении являются множественный характер зарождения начальных несплошностей и смена базового микромеханизма разрушения квазисколом на более энергоемкие микромеханизмы разрушения -вязкий ямочный отрыв и дисперсный квазискол.

Ключевые слова: низколегированная сталь, наноструктурирование, равноканальное угловое прессование, механические свойства, деформация, разрушение.

Microstructural changes and the nature of strength of a low alloy steel were investigated after volume nanostructuring using the conditions of «warm» (at 300°C... 500°C) and «cold» (at room temperature) equal channel angular pressing (ECAP), which provided a technically significant improvement of the material's mechanical properties. For the first time the effect of nanoscale structural elements formation in the ferritic-pearlitic steel during recrystallization after cold ECAP was substantiated and confirmed. From positions of the kinetic concept offracture the analysis of damage accumulation features and crack formation processes in nanostructured metal under static and dynamic loading was conducted. The priority data was obtained in identifying the role of nano-submicron structure elements as factors of high strength state of metallic materials. It was established that the refinement of structural components of steel enables for strain-induced self-organization of structure during subsequent loading, as a result the localization of deformation occurs at the later stages compared to a material in the coarse-grained state. The determining factors in the fracture process are the multiple character of initial discontinuities ' nucleation and a change of the base micromechanism of fracture by quasi-cleavage to more energy-intensive micromechanisms of fracture - ductile dimple fracture and dispersive quasi-cleavage.

Key words: low-alloy steel, nanostructuring, equal channel angular pressing, mechanical properties, deformation, failure.

ЯКОВЛЕВА Софья Петровна - д.т.н., проф., зав. отд. ИФТПС СО РАН, spyakovleva@yandex.ru; МАХАРОВА Сусанна Николаевна - к.т.н., в.н.с. ИФТПС СО РАН, snmachar@yandex.ru.

Введение

Как известно, в последние десятилетия произошел мощный прорыв в направлении развития нанотехнологий, в том числе в разработке нано-материалов с уникальными свойствами. Высказываются предположения, что наноструктурное состояние - качественно новое состояние материалов, изучение которого представляет большой научный и практический интерес. Существуют различные методы получения таких материалов: электроосаждение из газовой фазы, кристаллизация из аморфного состояния, шаровой размол порошков с последующей консолидацией и др. Данные методы не лишены недостатков: помимо сохранения остаточной пористости и значительного загрязнения материала, сложно получать достаточно крупноразмерные заготовки и изделия. Поэтому актуальной проблемой нанотехнологической науки и практики является получение объемных, т.е. достаточно массивных наноструктурированных материалов.

Особое место в нанотехнологиях занимает область наноструктурирования металлических материалов, так как уменьшение кристаллитов ниже некоторого порогового размера может приводить к кардинальному изменению свойств [14]. Микротвердость таких материалов может в 2...7 раз превышать микротвердость крупнозернистых аналогов, очень высокая прочность может сочетаться с достаточной пластичностью; кроме того, измельчение зерна является одним из способов понижения температуры вязкохруп-кого перехода металлов [5]. Возможность оптимального сочетания механических свойств в металлах и сплавах с наносубмикронной структурой открывает перспективы их применения в качестве новых конструкционных и функциональных материалов.

Основным методом получения объемных заготовок металлических материалов в наносуб-микронном состоянии является интенсивная пластическая деформация, прежде всего, равно-канальное угловое прессование (РКУП) при температурах, обычно составляющих около 0,3.0,4 от температуры плавления деформируемого металла [6, 7]. При РКУП заготовка продавливается через стальную матрицу, состоящую из двух каналов с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися под определенным углом. Как правило, применяют несколько циклов прессования. Используя метод РКУП, можно добиться значительного уменьшения размера зерна и получения высокопрочного состояния металлов и сплавов без изменения их химического состава и формы заготовки.

Пластическая деформация давно известна как один из наиболее эффективных способов формирования структуры металлов. Оптимальное воздействие в результате обработки деформированием возможно, если механика процесса обеспечивает однородность напряженного и деформированного состояния. При этом обычно нежелательно существенное изменение сечения изделий. Традиционные способы обработки давлением (ковка, прокатка и т.д.) этим требованиям не удовлетворяют. Кроме того, они позволяют получать структуру с размером элементов субструктуры внутри зерен (ячеек или субзерен) не мельче 0,2 мкм при значительно большем размере зерен. РКУП дает возможность получить беспористые объемные материалы со сверхмелкозернистой структурой, так как приложение высокого давления препятствует разрушению материала в ходе деформации до высоких степеней, практически недостижимых другими методами. Происходит формирование структуры, имеющей размер зерен меньше 1 мкм, -единицы, десятки или сотни нанометров. Струк-турообразование в ходе РКУП представляет собой результат сочетания интенсивного наклепа, релаксации напряжений и динамического возврата.

Практика использования металлов с нано-субмикрокристаллической структурой требует более полных сведений как об их механических свойствах, так и о механизмах формирования этих свойств. Целью данной работы является исследование роли наносубмикронных структур, формирующихся в низколегированной стали 09Г2С при РКУП и последующих нагревах, как фактора, обеспечивающего высокий комплекс механических свойств материала. Такие исследования подразумевают изучение микропроцессов деформации и разрушения при внешнем на-гружении (в данном случае при механических испытаниях). На момент начала соответствующих исследований в ИФТПС СО РАН процессы и механизмы, обуславливающие изменения в свойствах металлов после РКУП, были малоизученными, особенно в случае железоуглеродистых сплавов (сталей), так как из-за сложности проведения деформирования преимущественно рассматривались относительно пластичные металлы (Cu, Al, Ni) и их сплавы. Основное внимание при этом отводилось процессам трансформации структуры при РКУП и констатации уровня получаемых свойств при различных внешних воздействиях без изучения механизмов, обеспечивающих достижение этого уровня свойств.

Материалы, эксперименты и методы исследования

В работе, помимо традиционных режимов «теплого» (при 400...550°С) РКУП, использованы режимы так называемого «холодного» (при комнатной температуре) РКУП. Это обусловлено тем, что с практической точки зрения интересно изучение процессов диспергирования структуры металлов при понижении температур прессования. Предварительные исследования [8] выявили образование субмикрокристаллических структур после холодного РКУП с последующей ТО. Следует отметить, что в большинстве работ, исследующих влияние ТО на структуры пониженной размерности, нагрев чаще всего проводится при весьма высоких температурах (~550°С и выше) в течение продолжительного времени (более 1 ч). С учетом известного факта снижения температуры начала рекристаллизации и присутствия множественного количества одновременно рек-ристаллизующихся микрообъемов при увеличении степени деформации представляется перспективной комбинация холодного РКУ прессования и низкотемпературного кратковременного нагрева. Действительно, особенностью структуры материала после РКУП являются субмикронные участки с неискаженной кристаллической решеткой и высокоугловыми границами. По сути это готовые зародыши рекристаллизации. При нагреве множественное количество одновременно рекристаллизующихся микрообъемов должно способствовать равномерному развитию рекристаллизации и уменьшению среднего диаметра зерна. Для подтверждения этого факта в работе были выбраны режимы холодного РКУП и кратковременной ТО при относительно низкой температуре.

Исследования проведены на широко применяемой в условиях холодного климата стали 09Г2С. Микроструктура стали ферритно-перлит-ная; средний размер зерна образцов, использованных в экспериментах с теплым РКУ прессованием, составляет 20 мкм, с холодным - 10 мкм.

Режимы теплого РКУП: 1 - температура прессования 400°С, число циклов 2; 2 - температура прессования 450°С, число циклов 4; 3 - температура прессования 500°С, число циклов 4.

Холодное РКУП проведено при 20оС в 2 цикла (режим 4), после чего образцы подвергали термообработке (ТО) отжигом в течение 1 ч при температурах 350оС (режим 5) и 550оС (режим 6).

Основные этапы исследования образцов стали 09Г2С после проведенного структурирования включили:

• анализ полученных наносубмикрокристал-лических структур;

• оценку влияния структур пониженной размерности на механические свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость);

• изучение изменений картины и количественный анализ микрогеометрии профиля деформационного рельефа при растяжении;

• выявление микромеханизмов и кинетики развития разрушения.

Химический состав стали определен на спектрометре «FOUNDRY-MASTER UVR WAS AG». Микроструктуру исследовали с помощью металлографических микроскопов «Neophot-32», «Axio Observer D1m» и на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6480 LV.

Механические свойства стали после теплого и холодного РКУП определены на плоских образцах по ГОСТ 1497-84 (образцы растягивали при 20°С на испытательных машинах UTS 20K и ZWICK/ROELL Z600). Испытания на ударный изгиб образцов с V-образным надрезом, изготовленных из стали после холодного РКУП, проведены по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре МК-30 при комнатной температуре и при -40оС.

Для изучения эволюции деформационного рельефа с ростом степени деформации е образцы после теплого РКУП перед растяжением были отшлифованы и отполированы. Геометрические характеристики и другие особенности деформационного рельефа исследовали на различных масштабных уровнях методом профилометриро-вания и на атомно-силовом микроскопе «NTEGRA Spectra» (в туннельном сканирующем режиме). Шероховатость рельефа измеряли с помощью профилометра SJ-201P. Измерения профиля проводились на участках, соответствующих различным уровням пластической деформации е1<е2<е3.

Фрактографические исследования изломов для определения микромеханизмов и анализа кинетики развития разрушения выполнены на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6480LV.

Результаты и обсуждение

Образование структур пониженной размерности в стали 09Г2С при РКУП. Микроструктура стали 09Г2С в исходном состоянии (рис. 1,а) представляет собой ферритно-перлитную смесь со средним размером зерна ~ 20 мкм. При мегапластической деформации методом РКУП наблюдается вытягивание и утонение структурных составляющих (рис. 1,б,г), происходит дробление перлита, который постепенно «размывается» в деформирующейся ферритной

матрице. Это связано с деформационно-стимулированным динамическим растворением перлитной фазы, облегчающим перестройку дислокационной структуры при прессовании.

При использовании режимов теплого РКУП наибольшее диспергирование структурных составляющих и лучшую их однородность на ме-зоуровне обеспечил режим 2 (по результатам анализа распределения ферритной и карбидной фаз по размерам). Средний размер зерна составляет «4 мкм (при этом внутренняя структура эволюционирует от слаборазориентированных ячеек до наноразмерных субзерен с большой степенью разориентации). Минимальная толщина пластинок перлита - первые сотни нанометров; размерность сфероидизированного карбида - также первые сотни нанометров и менее 100 нм (рис. 1, в).

Несколько иная картина диспергирования структуры наблюдается после холодного РКУП.

Сразу после прессования средний размер фер-ритных областей с сильноразориентированной ячеистой структурой составлял «5 мкм. При последующем нагреве до 350...450°С размер фер-ритных фаз уменьшается, продолжается измельчение карбидов (минимальный радиус карбидных частиц «30 нм). Этот результат подтвердил предположение о возможности низкотемпературной рекристаллизации стали после холодного РКУП, сопровождающейся формированием на-норазмерных фаз. Наиболее эффективно процессы наноструктурирования развивались при режиме 5.

Механические свойства стали 09Г2С после РКУП. В табл. 1 представлены результаты механических испытаний стали 09Г2С в различных структурных состояниях, показавшие, что наибольший рост предела прочности материала дало структурирование по режиму 5, обеспечившему появление наиболее мелкодисперсных фаз.

Рис. 1. Микроструктура стали 09Г2С в исходном крупнозернистом состоянии

Состояние материала аТ, МПа аВ, МПа 8,% аТ, МПа ав, МПа 8,%

20°С 20°С 20°С -4 0°С -40°С -40°С

Исходное 350 480 32 - - -

Режим 1. РКУП при 400°С, 2 цикла 1090 1100 4 - - -

Режим 2. РКУП при 450°С, 4 цикла 1005 1010 4,9 - - -

Режим 3. РКУП при 500оС, 4 цикла 870 870 4,6 - - -

Режим 4. РКУП при 20°С 930 1300 4 990 990 2

Режим 5. РКУП при 20°С, 2 цикла +ТО при 350оС 985 1400 3 1000 1000 3

Режим 6. РКУП при 20°С, 2 цикла + ТО при 450оС 850 1195 4 890 890 3

Т а б л и ц а 1

Механические свойства стали 09Г2С после различных видов обработки

Т а б л и ц а 2

Ударная вязкость стали 09Г2С после холодного РКУП и отжига

Состояние материала КСУ +2°, МДж •м-2 КСУ -40, МДж •м-2

Исходное 0,22 0,13

Режим 4 0,63 0,14

Режим 5 0,45 0,11

Режим 6 0,58 0,13

Увеличение характеристик прочности сопровождалось многократным снижением относительного удлинения. Тем не менее, снижение пластичности не оказало негативного влияния на значения ударной вязкости при отрицательной температуре, а испытания при комнатной температуре выявили даже ее многократное улучшение (табл. 2).

Далее для выявления роли наносубмикрон-ных структур как факторов, обеспечивающих достижение высокопрочного состояния стали, исследованы эволюция шероховатости и микростроение деформационного рельефа, а также микромеханизмы разрушения при испытаниях образцов.

Эволюция деформационного рельефа стали 09Г2С при растяжении. Поверхность деформационного рельефа металлов, как известно, представляет собой совокупность ступенек линий скольжения, образующихся при выходе на поверхность дислокаций. По мере роста величины деформации и включения в процесс деформирования новых систем скольжения высота и ширина ступенек увеличиваются. Для образцов стали после теплого РКУП исследованы высотные параметры шероховатости профилограмм деформационного рельефа Яа (среднеарифметическое отклонение профиля), Яг (высота микронеровностей профиля), Яд (среднеквадратичное отклонение профиля) [9], проведен анализ автокорреляционных функций (АКФ).

к =

Соу

охоу

~ ~ У)

(х^ - х)2 (уг - у)2

к к я

а

а §

к я к -е--е-8

г = 60.70 мкм

где х - шероховатость; у - та же шероховатость, но с шагом I; Св\(х,у) - ковариация между переменными х, у; ах, ау - стандартные отклонения для переменных х, у; х, у - средние арифметические переменных х, у.

АКФ позволяют судить не только о различии уровней локальной деформации, но и о взаимодействии микроучастков, разделенных различными интервалами, а радиусы г АКФ - о размере участков взаимосвязанной деформации. Для иллюстрации комплекса полученных данных на рис. 2 и 3 приведены примеры АКФ для стали в исходном крупнозернистом состоянии и после наноструктурирования, их радиусы и картины строения микроучастков деформационного рельефа.

Анализ вида корреляционных зависимостей и значений г показал, что после обработки по режимам 1, 3 области взаимного влияния процессов, сопровождающих деформирование материала, локализованы в пределах «60-80 мкм. У стали с более лучшим комплексом свойств (режим 2) масштаб взаимосвязанных участков деформационного рельефа значительно больше на начальных этапах деформирования (е = 2,5%) и на средних (е = 5%): от «200.210 до 130.140 мкм соответственно. Это означает, что нагрузка взаимосогласованно воспринимается сравнительно крупными мезообъемами материала. Исчерпание пластичности и локализация деформации до уровней, отвечающих стадии предразру-шения, происходят, когда величина этих мезо-объемов снижается до 80-90 мкм.

Снижение радиуса г с ростом деформации обнаруживается для всех образцов и свидетельствует об уменьшении размера мезообъемов с самосогласованной деформацией. Следует говорить об исчерпании способности материала к структурной самоорганизации, обеспечивающей эффективное рассеяние энергии нагружения.

При растяжении материала после РКУП в скольжении участвует большое число дислокаций, двигающихся в различных плоскостях скольжения. Именно этот фактор создает условия для реализации интенсивных адаптивных

a б

Рис. 2. АКФ профилограмм (а) и микроучасток (б) деформационного рельефа крупнозернистой стали 09Г2С при е = 2,5%; г - радиус АКФ

1,2

К

к я

Ч

а

а §

Я

я я -е -е о

-0,2

г = 200...210 мкм

100 200

б

Рис. 3. АКФ профилограмм (а) и микроучасток (б) деформационного рельефа субмикронной стали 09Г2С (режим 2) при е = 2,5%; г - радиус АКФ

I. «в. ПРОШ

б

Рис. 4. Типичное строение изломов образцов стали 09Г2С, испытанных на ударную вязкость при -40°С после обработки холодным РКУП: а, б - по режиму 5; в - по режиму 6

а

а

в

процессов. В первую очередь активируются источники в приповерхностных слоях, в результате чего образуется большое число одиночных дефектов нанометровой размерности. Часть из них распадается, а часть трансформируется в тонкодисперсные полосы скольжения, внутри которых прослеживаются деформационные структуры меньшего масштаба (рис. 3, б). В исходном металле деформация происходит путем образования более грубых полос скольжения с меньшей релаксационной эффективностью (рис. 2, б).

Микромеханизмы и кинетика развития разрушения стали 09Г2С. Ранее нами проводились подробные исследования строения изломов стали 09Г2С после различных режимов теплого РКУП [10, 11], в которых было показано, что нанофазное упрочнение субмикронной феррит-ной матрицы сверхмелкими частицами карбида влияет как на зарождение первичных микроразрушений, так и на характер их объединения в односвязную поверхность. Повышение значений ударной вязкости после РКУП обусловлено реализацией процесса множественного разрушения, сопровождающегося интенсивным ветвлением микро- и макротрещин, в результате чего происходит притупление их вершин и гашение скоро-

сти. Определяющими факторами являются множественный характер зарождения начальных несплошностей и смена базового микромеханизма разрушения на более энергоемкий. При разрушении образцов стали после холодного РКУП, обеспечившего большую степень дисперсности структуры, эти эффекты проявляются более отчетливо. Даже при отрицательной температуре испытаний наблюдается разрушение по вязкому микромеханизму с образованием участков с мелкоямочным тонким строением (рис. 4, а, в), а также по механизму относительно энергоемкого мелкодисперсного квазискола со следами утяжек (рис. 4, б).

Заключение

1. Выявлен эффект прогрессирующего развития наноструктурных элементов при деформационно-термических условиях обработки стали 09Г2С холодным (при 20°С) РКУ прессованием с последующим отжигом при 350°С и 450°С, обусловивших формирование структуры в виде субмикронной ферритной матрицы, упрочненной наноразмерными частицами карбида. Новизна и практическая значимость предлагаемого

подхода к формированию нанометрических структур определяются существенным (на сотни градусов Цельсия) снижением температурных параметров РКУ деформирования и температур-но-временных параметров последующей термообработки.

2. Проведенное с использованием метода РКУ прессования наноструктурирование стали 09Г2С обусловило технически значимое улучшение комплекса ее механических свойств:

• получен многократный рост прочности материала (до уровня, соответствующего классу высокопрочных сталей);

• для режимов после холодного РКУП получено многократное увеличение ударной вязкости при комнатной температуре; при -40°С ударная вязкость сохранилась неизменной.

3. Установлены следующие особенности микропроцессов деформации и разрушения образцов стали 09Г2С, связанные с благоприятным влиянием наносубмикронной структуры на уровень механических свойств:

• в условиях растяжения наблюдается дефор-мационно-стимулированная самоорганизация субмикронной структуры, обусловившая появление динамических мезообъемных образований размером «200 мкм со взаимосогласованным восприятием нагрузки и тонкодисперсных полос скольжения, внутри которых прослеживаются деформационные структуры меньшего масштаба; такой механизм деформации обеспечивает лучшее сопротивление материала возникновению опасных локальных концентраций напряжений и развитию деструктивных процессов;

• высокие значения ударной вязкости обусловлены реализацией процесса множественного разрушения, сопровождающегося интенсивным ветвлением микро- и макротрещин, в результате чего происходит притупление их вершин и гашение скорости; определяющими факторами являются множественный характер зарождения начальных несплошностей и энергоемкие микромеханизмы разрушения - вязкий ямочный отрыв и дисперсный квазискол.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», проект 8.22.

Литература

1. Лякишев Н.П., Алымов М.И., Добаткин С.В. На-номатериалы конструкционного назначения // Конверсии в машиностроении. - 2002. - № 6.

2. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные нано-структурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.

3. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta Mater. - 2000. - V. 48, № 1. -P. 1-29.

4. Mughrabi H., Hoeppel H. W., Kautz M. Fatigue and microstructure of ultrafine-grained metals produced by severe plastic deformation // Scripta Materialia, 51. -2004. - P. 807-812.

5. Ларионов В.П., Кузьмин В.Р., Слепцов О.И. и др. Хладостойкость материалов и элементов конструкций: Результаты и перспективы. - Новосибирск: Наука, 2005. - 290 с.

6. Сегал В.М., Резников В.И., Дробышевский А.И. и др. Пластическая обработка металлов простым сдвигом // Известия АН СССР. Металлы - 1981. - № 1. -С. 115-123.

7. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

8. Добаткин С.В., Слепцов О.И., Одесский П.Д. и др. Формирование субмикрокристаллической структуры в стали 09Г2С в ходе равноканального углового прессования и последующего нагрева / Тез. докл. II Евразийской научно-практич. конф. «Прочность неоднородных структур» (ПРОСТ 2004). - М.: МИСиС, 2004. - С. 122.

9. Крагельский И.В, Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

10. Яковлева С.П., Махарова С.Н., Борисова М.З. Интенсивная пластическая деформация как способ повышения сопротивления хрупкому разрушению низколегированной стали // Наука и образование. -2006. - № 2. - С. 164-167.

11. Яковлева С.П. Разрушение ферритно-перлит-ных сталей после обработки интенсивной пластической деформацией с разными скоростями // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - №. 11. -С. 26-34.

Поступила в редакцию 09.01.2014