Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К

Рассмотрены результаты экспериментального исследования комплексного влияния различных видов предварительной деформации и глубокого охлаждения, а также скорости деформирования на механические характеристики сплавов криогенной техники. Показана возможность значительного увеличения прочностных харак...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2001
1. Verfasser:	Воробьев, Е.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2001
Schriftenreihe:	Проблемы прочности
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46721
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 96-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-46721
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-467212013-07-06T12:38:55Z Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К Воробьев, Е.В. Научно-технический раздел Рассмотрены результаты экспериментального исследования комплексного влияния различных видов предварительной деформации и глубокого охлаждения, а также скорости деформирования на механические характеристики сплавов криогенной техники. Показана возможность значительного увеличения прочностных характеристик некоторых материалов за счет деформационного и низкотемпературного упрочнения при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Изменение механизма деформирования металлов при температуре 4,2 К, связанное с явлением прерывистой текучести, вызывает аномалию эффекта Баушингера. Розглянуто результати експериментального дослідження комплексного впливу різних видів попередньої деформації, а також швидкості деформування на механічні характеристики сплавів кріогенної техніки. Показано можливість значного підвищення характеристик міцності деяких матеріалів за рахунок деформаційного та низькотемпературного зміцнення зі збереженням достатньо високого рівня пластичності. Зміна механізму деформування металів за температури 4,2 К, що пов’язана з явищем переривчастої текучості, приводить до аномалії ефекту Баушингера. The results of experimental investigations into the combined influence of different modes of prestraining and subzero cooling as well as deformation rate on mechanical characteristics of alloys of cryogenic equipment were considered. The possibility to improve significantly the strength characteristics of some materials due to strain and low-temperature hardening while maintaining a sufficiently high level of plasticity was shown. Changing the deformation mechanism of metals at a temperature of 4.2 K involving the phenomenon of discontinuous yielding brings about the abnormality of the Bauschinger effect. 2001 Article Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 96-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46721 539.43 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Воробьев, Е.В. Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К Проблемы прочности
description	Рассмотрены результаты экспериментального исследования комплексного влияния различных видов предварительной деформации и глубокого охлаждения, а также скорости деформирования на механические характеристики сплавов криогенной техники. Показана возможность значительного увеличения прочностных характеристик некоторых материалов за счет деформационного и низкотемпературного упрочнения при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Изменение механизма деформирования металлов при температуре 4,2 К, связанное с явлением прерывистой текучести, вызывает аномалию эффекта Баушингера.
format	Article
author	Воробьев, Е.В.
author_facet	Воробьев, Е.В.
author_sort	Воробьев, Е.В.
title	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К
title_short	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К
title_full	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К
title_fullStr	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К
title_full_unstemmed	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К
title_sort	деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 к
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2001
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46721
citation_txt	Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2001. — № 6. — С. 96-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT vorobʹevev deformacionnoeinizkotemperaturnoeupročnenieaustenitnyhstalejpritemperaturahdo42k
first_indexed	2025-07-04T06:10:03Z
last_indexed	2025-07-04T06:10:03Z
_version_	1836695582876368896
fulltext	УДК 539.43 Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К Е. В. Воробьев Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Рассмотрены результаты экспериментального исследования комплексного влияния различ ных видов предварительной деформации и глубокого охлаждения, а также скорости дефор мирования на механические характеристики сплавов криогенной техники. Показана возмож ность значительного увеличения прочностных характеристик некоторых материалов за счет деформационного и низкотемпературного упрочнения при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Изменение механизма деформирования металлов при темпе ратуре 4,2 К, связанное с явлением прерывистой текучести, вызывает аномалию эффекта Баушингера. К л ю ч е в ы е с л о в а : предварительная деформация, упрочнение, механические характеристики, скорость деформирования, скачок деформации, прерывистая текучесть, эффект Баушингера. Проблема максимального использования прочностных резервов конст рукционных материалов особенно актуальна при создании объектов крио генного назначения, поскольку необходимо минимизировать потребление дорогостоящих хладагентов при захолаживании и эксплуатации, повысить электромагнитное использование сверхпроводящих магнитных систем в со ответствующих устройствах, уменьшить массу конструкций в авиационной и ракетной технике. Среди известных механизмов упрочнения металлических материалов следует выделить деформационное и низкотемпературное упрочнение [1-5]. В настоящем сообщении кратко освещены некоторые особенности упрочнения конструкционных сплавов криогенного назначения, подвергнутых различным видам предварительной деформации при охлаждении до 4,2 К. Материал и методики. Объектом экспериментального исследования служили аустенитные стали 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19, 12Х18Н10Т и тита новый а-сплав 3М. Для испытаний использовали стандартные пятикратные образцы с диаметром рабочей части 3 мм. На одноосное растяжение образ цы испытывали на установке УМН-10 [6 ] при температуре 293, 77 и 4,2 К соответственно на воздухе, в среде жидкого азота и жидкого гелия. Жест кость системы образец-машина составляла 12 МН/м, а номинальная ско-_3 _1 рость деформирования - 1,6-10 с . Образцы предварительно деформи ровали при температуре 293 К путем растяжения, кручения, сжатия, а также подвергали поверхностному наклепу. Деформирование образцов сталей рас тяжением проводили до появления остаточной деформации 5, 10 и 20%, образцов титанового сплава ввиду относительно малой деформативности - до 5 и 10%. Предварительная деформация кручением составляла 90 рад/м, сжатием - 2...3%. В последнем случае во избежание потери устойчивости образцов использовали специальную обойму. © Е. В. ВОРОБЬЕВ, 2001 96 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Деформационное и низкотемпературное упрочнение Результаты и их обсуждение. Эксперименты показали, что предвари тельное деформирование исследуемых материалов в сочетании с охлажде нием до температуры 4,2 К позволяет получить весьма значительную вели чину упрочнения, которая по условному пределу текучести в зависимости от вида обработки и материала достигает 3,4...3,7 (рис. 1,я). На рис. 1 пределы текучести предварительно деформированных образцов стали 03Х20Н16АГ6 при данной температуре (со штрихом) отнормированы по величине предела текучести материала в исходном состоянии при температуре 293 К, а зависимость 4 приведена для предварительной деформации растяжением е п = 0,1. Остальные исследуемые металлы имеют меньшие показатели упроч- Т / 293нения - максимальные величины отношения а 0 2 / а о 2 при Т = 4,2 К получены в результате предварительного растяжения (таблица). / 7' / 293 ° 0,2 7 ° 0,2 а ° ”од М П а б Рис. 1. Температурная зависимость изменения пределов текучести исходных (штриховые линии) образцов стали 03Х20Н16АГ6, подвергнутых кручению (1), поверхностному на клепу (2), предварительной деформации путем сжатия (3) и растяжения (4) в относительном (а) и абсолютном (б) выражении. 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 97 Е. В. Воробьев Относительное увеличение условных пределов текучести (о^ 2 / ° 092 ) материалов в результате предварительной деформации и охлаждения до 4,2 К Наличие и вид предварительной деформации Сталь 03Х13АГ19 Сталь 12Х18Н10Т Сплав 3М при Т , К 293 77 4,2 293 77 4,2 293 77 4,2 Кручение 1,56 2,62 3,08 1,05 1,24 1,56 1,03 1,56 1,82 Поверхностный наклеп 1,28 2,26 2,70 1 , 0 0 1,15 1,44 1 ,0 1 1,51 1,80 Сжатие 0,77 1,40 2,41 0,87 0,92 1,16 0,95 1,27 1,75 Растяжение 1,64 2,50 3,21 1 ,2 1 1,49 1,60 1,18 1,73 2,04 Исходное состояние 1 , 0 0 1,89 2 , 2 0 1 , 0 0 1,15 1,29 1 , 0 0 1,51 1 ,6 8 При охлаждении до 4,2 К деформационное упрочнение материалов в т тоценке (о0 , 2 — о 0,2) увеличивается, и только для стали 03Х20Н16АГ6 после предварительного деформирования растяжением отмечается некото рое снижение упрочнения по сравнению с данными, полученными при Т = 77 К (рис. 1,6). Максимальная величина упрочнения в соответствии с этой оценкой получена для образцов стали 03Х13АГ19, подвергнутых пред варительному деформированию растяжением - для е п = 0 , 1 она составляет 420 МПа. Как показывает сравнительная зависимость упрочнения материа лов при температуре 4,2 К от степени предварительного растяжения (рис. 2), именно эта сталь при остаточной деформации до 0 , 1 упрочняется наиболее интенсивно. В отличие от других материалов интенсивность упрочнения стали 12Х18Н10Т возрастает с увеличением степени наклепа, что, очевидно, связано с повышением объемной доли мартенсита деформации. Наибольшая 4 2 / 293температурно-зависимая часть упрочнения в оценке о 0 2 / о 0 2 (численные значения могут быть получены из таблицы и рис. 1 , а) достигается после предварительной деформации сжатием для всех материалов , кроме стали 12Х18Н10Т. / / ° 0 , 2 ' а 0 ,2 Рис. 2. Зависимость упрочнения по пределу текучести от величины предварительной дефор мации растяжения образцов сталей 12Х18Н10Т (1), 03Х20Н16АГ6 (2), 03Х13АГ19 (5) и титанового сплава 3М (4). 98 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 Деформационное и низкотемпературное упрочнение По сравнению с другими видами механической обработки характер упрочнения предварительно сжатых образцов исследованных материалов несколько отличается (рис. 1,6) в связи с проявлением эффекта Баушингера. Наибольшее снижение пределов текучести отмечается при температуре 77 К: например, для стали 12Х18Н10Т оно превышает 300 МПа; немонотонность зависимости 3 на рис. 1,6 характерна для всех материалов. Однако при этом Т Ту всех материалов, кроме стали 12Х18Н10Т, разность (о'о 2 —^ 0 2 ) при Т = 4,2 К становится положительной, т.е. при этой температуре эффект Баушингера не реализуется (является аномальным). Наблюдаемое увели чение сопротивления начальному пластическому деформированию можно объяснить изменением механизма накопления деформации - от гомогенного скольжения к дискретному (скачкообразному) - в результате проявления эффекта низкотемпературной прерывистой текучести. Кроме пределов текучести при предварительной обработке образцов изменяются также другие стандартные механические характеристики. Изме нение пределов прочности о в вызывает лишь предварительное растяжение. Зависимости механических характеристик и параметров прерывистой теку чести при Т = 4,2 К от степени предварительной деформации растяжением образцов стали 03Х13АГ19 представлены на рис. 3,а. Для других мате риалов подобные зависимости приведены ранее [7, 8 ]. Так, при £п = 0,1 предел прочности о в стали 03Х20Н16АГ6 увеличивается на 14%, стали 03Х13АГ19 - на 17% (после предварительного деформирования кручением о в последней также возрастает на 20%). У стали 12Х18Н10Т повышение предела прочности о в начинается при £п > 0,1, у сплава 3М изменения данной характеристики незначительны. Наибольшее снижение пластичности металлов среди рассмотренных видов деформирующей обработки вызывает предварительное растяжение. Так, при Т = 4,2 К относительное удлинение д образцов титанового сплава, сталей 03Х13АГ19, 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т при £п = 0,1 снижается в 1,80; 1,44; 1,20 и 1,06 раза соответственно. В связи с требованием к конст рукционным материалам сохранения при эксплуатационной температуре достаточно высокого уровня пластичности следует отметить незначи тельное снижение деформационной способности сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т. У последней снижение д начинается только при £п > 0,1. Известно, что при криогенных температурах аустенитная структура этой стали метастабильная, а мартенситное превращение способствует повыше нию низкотемпературной пластичности за счет подключения новых систем скольжения [2]. Снижение характеристики д сопровождается уменьшением числа скачков деформации N у всех материалов, а их относительное количество N 1 д может как увеличиваться (стали 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т), так и незначительно уменьшаться (сталь 03Х13АГ19 и титано вый сплав 3М) [8 ] - рис. 3,а. Представляет интерес совместное влияние на прочность и деформа- тивность сплавов предварительной деформации и условий нагружения, в частности скорости деформирования. При квазистатических скоростях де формирования такое влияние становится существенным лишь в условиях глубокого охлаждения при превышении критической величины скорости, ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 99 Е. В. Воробьев что приводит к качественному изменению характера деформирования - от скачкообразного к однородному вследствие нагрева образца на несколько десятков градусов [8 ]. 0 0 ,2 о 'в à ' V ' N ’ N ’ / N Ô0 2 ’ 07 ’ ~ô ’ ’ N 5 ~ôr/~ ô ГГ0 0 ,2 О в f ? f 0 0 ,2 0 в ô i à ' ’ V ' ’ à i 2 п a Рис. 3. Зависимость предела текучести (1), предела прочности (2), относительного удлинения (5), относительного сужения (4), числа скачков (5), удельного числа скачков (6) и суммарного относительного удлинения (7) от величины предварительной деформации образцов стали 03Х13АГ19 при температуре 4,2 К и скоростях деформирования 1,6-10- 3 (а) и 3-10- 2 с- 1 (б). На рис. 3,б приведены результаты испытаний образцов стали 03Х13АГ19, продеформированных до появления различной остаточной деформации растяжения при сверхкритической скорости деформирования _2 _1 £ = 3-10 с , которой соответствуют обозначения характеристик с двумя штрихами. Условный предел текучести указанной стали, как и других матери алов [7, 8 ], при переходе к повышенной скорости деформирования не изменя- 100 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 6 Деформационное и низкотемпературное упрочнение ется, предел прочности а в уменьшается, в то время как характеристики пластичности резко увеличиваются. По мере роста предварительной деформа ции предел прочности а в и суммарная деформация д^ = д + £п незначи тельно снижаются, также уменьшается а 0 2 , что характерно для всех иссле дованных материалов, а д и ^ увеличиваются в несколько раз. Картина изменения пластичности трех других материалов существенно иная. Деформирование с вышеуказанной закритической скоростью при £п = 0 либо не оказывает влияния на относительное удлинение (сталь 12Х18Н10Т), либо приводит к его снижению в 1,6 (сталь 03Х20Н16АГ6) и 1,9 раза (сплав 3М). С увеличением предварительной деформации указанная характеристика также снижается по сравнению с таковой, полученной при — 3 — 1£ = 1,6-10 с ,в 1,1; 1,8 и 2,4 раза при £п = 0,1 соответственно для сталей 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6 и сплава 3М, причем для двух последних мате риалов происходит ускоренное разрушение образцов - как результат даль нейшей локализации деформации после ее скачкообразного прироста по оканчании стадии упругого нагружения [7, 8 ]. Поскольку такой скачок деформации для стали 03Х13АГ19, отличающейся высокими значениями модуля упрочнения, отсутствует, деформационно-силовой критерий реали зации прерывистой текучести не выполняется [9]. Повышение деформа ционной способности данной метастабильной стали при увеличении ско рости деформирования можно объяснить более интенсивным мартенситным превращением с выделением ферромагнитной а-фазы в отсутствие преры вистой текучести, что подтверждается значительным увеличением магнит ной восприимчивости разрушенных образцов. В ы в о д ы 1. В условиях статического нагружения элементов конструкций крио генного назначения, подвергающихся максимальным эксплуатационным на грузкам при фиксированной низкой температуре, деформационное упроч нение (с учетом его “направленности”) в сочетании с низкотемпературным может эффективно использоваться для повышения допускаемых напряже ний для металлов с высокой деформационной способностью при сохране нии нормативного запаса прочности. Из числа исследованных к конструк ционным материалам, обладающим большим ресурсом пластичности как в исходном состоянии, так и после различных видов предварительного дефор мирования, относятся стали 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т. 2. При температуре ниже 20 К в условиях квазистатического нагруже ния с повышенными скоростями наличие предварительной деформации в ряде случаев приводит к резкому снижению сопротивления деформиро ванию металлических материалов. Устойчивость к ускоренному разруше нию в этом случае, независимо от степени наклепа, сохраняют метастабиль- ные стали 03Х13АГ19 и 12Х18Н10Т. 3. Изменение механизма деформирования сплавов, связанное с низко температурной прерывистой текучестью, вызывает аномалию эффекта Бау- шингера, что проявляется в увеличении сопротивления начальным пласти ческим деформациям при приложении нагрузки противоположного знака. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 6 101 E. В. Воробьев Р е з ю м е Розглянуто результати експериментального дослідження комплексного впли ву різних видів попередньої деформації, а також швидкості деформування на механічні характеристики сплавів кріогенної техніки. Показано можли вість значного підвищення характеристик міцності деяких матеріалів за рахунок деформаційного та низькотемпературного зміцнення зі збережен ням достатньо високого рівня пластичності. Зміна механізму деформування металів за температури 4,2 К, що пов’язана з явищем переривчастої теку чості, приводить до аномалії ефекту Баушингера. 1. S ip o s K ., R e m y L ., a n d P in e a u A . Influence of austenite predeformation of mechanical properties and strain-induced martensitic trasformations of a high manganese steel // Met. Trans. - 1916. - A7. - P. 85l - 864. 2. Л е б е д е в A . A ., Р у д е н к о В. H ., К о в а л ь ч у к Б . И . Влияние предварительной пластической деформации на механические свойства аустенитной стали при низких температурах // Пробл. прочности. - 1983. - № 8 . - С. 34 - 3l. 3. C т р и ж а ло В. A ., М е д в е д ь И . И . Влияние предварительного пласти ческого деформирования на малоцикловую усталость хромомарганце вой стали 03Х13АГ19 при температуре 4,2 К // Там же. - 1986. - № 5. - С. 62 - 6 l. 4. П и с а р е н к о Г . C., C т р и ж а ло В. A . О некоторых проблемах низкотемпе ратурного упрочнения металлов и его учета в технике низких темпе ратур // Прочность материалов и конструкций при низких темпера турах. - Киев: Наук. думка, 1984. - С. 3 - 12. 5. В о р о б ь е в E . В . Низкотемпературное упрочнение конструкционных сплавов в условиях воздействия сильных магнитных полей // Пробл. прочности. - 1990. - № 6 . - С. 48 - 52. 6 . C т р и ж а ло В. A ., Н о в о гр у д с к и й Л . C., В о р о б ь е в E. В . Прочность сплавов криогенной техники при электромагнитных воздействиях. - Киев: Наук. думка, 1990. - 180 с. 1. C т р и ж а ло В. A ., В о р о б ь е в E. В ., Н о в о гр у д с к и й Л . C. Влияние пред варительного деформирования на прерывистую текучесть материалов при температуре 4,2 К // Пробл. прочности. - 1995. - № 8 . - С. 12 - 20. 8 . В о р о б ь е в E. В . Влияние скорости деформирования на прочность и деформативность сплавов при температуре 4,2 // Там же. - 2000. - № 6 . - С. 84 - 92. 9. C т р и ж а ло В. A ., В о р о б ь е в E. В . Низкотемпературная прерывистая текучесть упрочняющихся материалов // Там же. - 1994. - № 10. - С. 3 - 8 . Поступила 21. 11. 2000 102 ISSN 0556-Î7ÎX. Проблемы прочности, 200Î, № б

Деформационное и низкотемпературное упрочнение аустенитных сталей при температурах до 4,2 К

Institution

Ähnliche Einträge