Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой

На примере сплавов на основе Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-систем в широком диапазоне напряжений и деформаций исследованы особенности механического поведения и систематизированы аномальные эффекты гетерофазных материалов с метастабильной структурой. Установлено, что образование мартенситных фаз деформации в...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Эфрос, Б.М., Гладковский, С.В., Смирнов, С.В., Прокофьева, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2006
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70215
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:	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой / Б.М. Эфрос, С.В. Гладковский, С.В. Смирнов, О.В. Прокофьева // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 1. — С. 87-94. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70215
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-702152014-11-01T03:01:23Z Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой Эфрос, Б.М. Гладковский, С.В. Смирнов, С.В. Прокофьева, О.В. На примере сплавов на основе Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-систем в широком диапазоне напряжений и деформаций исследованы особенности механического поведения и систематизированы аномальные эффекты гетерофазных материалов с метастабильной структурой. Установлено, что образование мартенситных фаз деформации в изученных материалах способствует снижению напряжения пластического течения, проявлению эффекта Баушингера (ЭБ) и эффекта памяти формы (ЭПФ), аномальной барической зависимости показателя пластичности. Peculiarities of the mechanical behaviour of Fe−Mn−Si- and Fe−Mn−Cr-based alloys have been investigated in a wide stress and strain range, anomalous effects of heterophase materials with metastable structure have been systematized. It has been determined that in the studied materials the formation of martensitic strain phases favours the decrease of yield stress, development of the Baushinger effect and of the shape memory effect, as well as the anomalous pressure dependence of the index of plasticity. 2006 Article Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой / Б.М. Эфрос, С.В. Гладковский, С.В. Смирнов, О.В. Прокофьева // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 1. — С. 87-94. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.30.Kf, 81.40.Jj, 81.40.Vw http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70215 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	На примере сплавов на основе Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-систем в широком диапазоне напряжений и деформаций исследованы особенности механического поведения и систематизированы аномальные эффекты гетерофазных материалов с метастабильной структурой. Установлено, что образование мартенситных фаз деформации в изученных материалах способствует снижению напряжения пластического течения, проявлению эффекта Баушингера (ЭБ) и эффекта памяти формы (ЭПФ), аномальной барической зависимости показателя пластичности.
format	Article
author	Эфрос, Б.М. Гладковский, С.В. Смирнов, С.В. Прокофьева, О.В.
spellingShingle	Эфрос, Б.М. Гладковский, С.В. Смирнов, С.В. Прокофьева, О.В. Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой Физика и техника высоких давлений
author_facet	Эфрос, Б.М. Гладковский, С.В. Смирнов, С.В. Прокофьева, О.В.
author_sort	Эфрос, Б.М.
title	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
title_short	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
title_full	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
title_fullStr	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
title_full_unstemmed	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
title_sort	эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2006
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70215
citation_txt	Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой / Б.М. Эфрос, С.В. Гладковский, С.В. Смирнов, О.В. Прокофьева // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 1. — С. 87-94. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT éfrosbm éffektyplastičeskojdeformaciigeterofaznyhmaterialovsmetastabilʹnojstrukturoj AT gladkovskijsv éffektyplastičeskojdeformaciigeterofaznyhmaterialovsmetastabilʹnojstrukturoj AT smirnovsv éffektyplastičeskojdeformaciigeterofaznyhmaterialovsmetastabilʹnojstrukturoj AT prokofʹevaov éffektyplastičeskojdeformaciigeterofaznyhmaterialovsmetastabilʹnojstrukturoj
first_indexed	2025-07-05T19:29:06Z
last_indexed	2025-07-05T19:29:06Z
_version_	1836836451256369152
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 87 PACS: 81.30.Kf, 81.40.Jj, 81.40.Vw Б.М. Эфрос1, С.В. Гладковский2, С.В. Смирнов3, О.В. Прокофьева1 ЭФФЕКТЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ГЕТЕРОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАСТАБИЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ 1Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина 2Уральский государственный технический университет (УПИ) ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 3Институт машиноведения УрО РАН ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620219, Россия Статья поступила в редакцию 3 ноября 2005 года На примере сплавов на основе Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-систем в широком диапазо- не напряжений и деформаций исследованы особенности механического поведения и систематизированы аномальные эффекты гетерофазных материалов с метаста- бильной структурой. Установлено, что образование мартенситных фаз деформа- ции в изученных материалах способствует снижению напряжения пластического течения, проявлению эффекта Баушингера (ЭБ) и эффекта памяти формы (ЭПФ), аномальной барической зависимости показателя пластичности. Введение В настоящее время особое внимание материаловедов привлекли новые объекты изучения – аустенитные сплавы с метастабильной структурой. Ин- терес к данной проблеме инициировали исследования механического пове- дения сплавов типа 30Х10Г10 с метастабильным аустенитом при различных схемах нагружения [1]. Позднее особенности механического поведения, свя- занные с проявлением структурной нестабильности при деформационном воздействии, наблюдались на широкой группе материалов различных хими- ческого и фазового составов [2,3]. Результаты изучения механических свойств широкой группы материалов с метастабильной структурой [4,5] свидетельствуют о том, что формирова- ние мартенситных фаз при деформации в упругой и пластической областях способствует проявлению ряда эффектов аномального механического пове- дения, которые в зависимости от уровня действующих напряжений могут быть классифицированы в соответствии с представленной скейлинговой схемой (табл. 1). Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 88 Таблица 1 Скейлинг деформационно-активированных эффектов Уровень напряжений, σ → Макроупругая область (σ0.01 < σ < σ0.2) Вблизи предела текучести (σ ≈ (0.8−1.2)σ0.2) Макропластическая де- формация (σ0.2 < σ < σB) Продукт превращения Упругообратимый мартенсит напряжения Упругообратимый и необрати- мый мартенсит напряжения Мартенсит деформации Тип механически активируемого эффекта Релаксация напряжений Псевдоупругость Механический гистерезис /демпфирующие свойства/ Низкотемпературная ползучесть Снижение сопротивления деформации Эффект памяти формы Рост трещиностойкости (керамика) ТРИП (ПНП)-эффект Прирост характеристик ударной вязкости Рост трещиностойкости (сплавы) Прерывистая текучесть Следует отметить, что такие эффекты, как релаксация напряжений и гис- терезисные явления, проявляются на материалах с различным типом струк- туры и стабильностью фазового состава. Другие явления − ЭПФ, снижение сопротивления деформации в предмартенситной области и пластичность, наведенная превращением, − непосредственно связываются с образованием мартенсита напряжения или деформации [3]. Указанные аномалии механи- ческого поведения при определенных условиях могут вызывать улучшение ряда физико-механических и служебных свойств метастабильных материа- лов [5]. В данной работе изучены эффекты механического поведения и выявлены области их максимального проявления в гетерофазных сплавах на основе Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-твердых растворов, связанные с деформационной нестабильностью аустенита, при различных уровнях напряжений и дефор- маций. Материал и методы исследования Исследованные сплавы были закалены в прутках сечением 14 × 14 mm от температуры Тq = 950−1000°С, что позволило получить как двухфаз- ную (γ + ε)-, так и однофазную (аустенитную) γ-структуру (табл. 2). Ис- ключение составила сталь 03Г21Х13, в структуре которой в закаленном состоянии содержалось ~ 4% δ-феррита. Из приведенных в табл. 2 мате- риалов (γ + ε)-сплав 05Г20С2, γ-сплавы 03Г21Х13 и 07Г21АХ13 относятся к деформационно-метастабильным и при пластической деформации ис- пытывают γ → ε → α΄-мартенситное превращение, а γ-сплавы типа 30Г21Х13 и сплав Г40 являются деформационно-стабильными [4,5]. Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 89 Таблица 2 Характеристики сопротивления пластической деформации и исходный фазовый состав изученных сплавов* Сплав σ0.01, MPa p1 05.0σ , MPa p2 05.0σ , MPa p2 0.05 p1 0.05 σ σ β·10−2 σ0.2, MPa σB, MPa ε-фаза, % 05Г20С2 199 368 284 0.77 7.2 408 810 65 03Г21Х13 126 233 209 0.9 7.2 250 660 0 07Г21АХ13 128 340 269 0.79 5.9 390 928 0 30Г21Х13 180 308 297 0.96 3.3 345 718 0 Г40 145 190 190 1 0 230 520 0 * Фазовый состав сталей и сплавов определялся рентгеноструктурным методом и контролировался магнитометрическим методом. Применение в экспериментах прецизионной методики сервозаписи кри- вых растяжения с помощью экстензометра в условиях жесткого крепления образцов в гидравлических захватах испытательной машины «Инстрон- 1185» позволило произвести корректную оценку напряжений начала пла- стического течения (физического предела текучести) и сопротивления изу- ченных сталей малым пластическим деформациям. Результаты эксперимента и обсуждение Полученные результаты (см. табл. 2) позволили сделать заключение, что для метастабильных сплавов с γ- и (γ + ε)-структурами наблюдается большее различие между пределом пропорциональности и условными пределами те- кучести с разным допуском на остаточную деформацию. Для аустенитных сплавов независимо от их стабильности характерны наименьшие напряже- ния начала пластического течения по сравнению с (γ + ε)-сплавом 05Г20С2. С развитием деформационных γ → ε → α΄-превращений связывается также и более высокая интенсивность деформационного упрочнения метастабиль- ных сплавов по сравнению со стабильными (30Г21Х13 и Г40), которая мо- жет быть оценена по соотношению величин σ0.2/σB. Низкий уровень напряжений, соответствующих переходу метастабиль- ных сплавов близкого состава к началу пластического течения (физический предел текучести), ранее был зафиксирован с использованием независимого метода измерения величины термоэдс в процессе механического нагружения [6]. Метод прецизионного магнитного анализа [7] впервые позволил непо- средственно в процессе механического нагружения зарегистрировать первые порции ферромагнитного α΄-мартенсита (от 0.5 до 2.5%) в Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-сплавах при достижении напряжений, близких к уровню услов- ного предела текучести σ0.2 (рис. 1). Интенсивность образования α΄-мартенсита деформации в сплаве 05Г20С2 существенным образом зависит от схемы напряженного состояния, т.е. от ве- личины значений показателей σ/Т и µσ [8]. Наиболее «жесткое» напряженное Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 90 состояние (σ/Т > 1) при одноосном растяжении способствует интенсивно- му приросту α΄-фазы (рис. 2, кривая 1). «Смягчение» схемы напряженного со- стояния (σ/Т < 0) за счет наложения высоких давлений при гидроэкструзии и деформировании в алмазных нако- вальнях [9] существенно подавляет процесс образования α΄-мартенсита деформации (рис. 2, кривые 5−8). К аномалиям механического пове- дения материалов, наблюдаемых при смене знака напряжения, относится ЭБ [10], оцениваемый по уменьше- нию сопротивления пластической де- формации в последовательном цикле растяжение−сжатие−растяжение. Дан- ный эффект наблюдался на широкой группе сплавов, однако связь между развитием деформационных мартен- ситных превращений и проявлением ЭБ в метастабильных материалах подробно не исследовалась. Поэтому в настоящей работе было изучено влия- ние знакопеременного нагружения на сопротивление малым пластическим деформациям (γ + ε)- и γ-сплавов Fe−Mn−Si и Fe−Mn−Cr с различной стабильностью аустенита. Типичные кривые знакопеременного деформи- рования метастабильных Fe−Mn−Si- сталей 05Г20С2 и 30Г21Х13, приве- денные на рис. 3, отчетливо указывают на снижение сопротивления пластиче- ской деформации при втором цикле растяжения после цикла сжатия на одинаковом уровне напряжений. Изме- нение сопротивления пластической де- формации сталей при нагружении по схеме растяжения−сжатия для величины остаточной деформации 0.05% и значе- ния баушингеровской деформации β показаны в табл. 2 и на рис. 3. Рис. 1. Фрагмент диаграммы растя- жения метастабильного аустенитно- го сплава (1) и изменение количест- ва α΄-фазы (2) Deformation, % σ, М Pа ; α ΄- ph as e, % σ0.2 1 2 Рис. 2. Количество α΄-фазы в сплаве 05Г20С2 в зависимости от степени деформации: 1 − растяжение, 2 – кру- чение, 3 − осадка, 4 − прокатка, 5 – гидроэкструзия (ГЭ), 6 – нестационар- ная ГЭ, 7 – ГЭ с противодавлением, 8 – деформация в алмазных наковальнях; Т = 20°C Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 91 а б Рис. 3. Диаграммы знакопеременного деформирования сплавов 05Г20С2 (а) и 30Г21Х13 (б): 1 − один цикл, 2 − два цикла Следует отметить, что снижение сопротивления пластической деформации при смене знака нагрузки в Fe−Mn−Si- и Fe−Mn−Cr-сплавах проявляется только в сравнительно узкой области напряжений − в интервале σ0.05 < σ < σ0.2. При этом ЭБ в наибольшей степени проявляется в (γ + ε)-сплаве 05Г20С2, а в стабильном аустенитном сплаве Г40 – практически не наблюдается. Для аустенитных сплавов системы Fe−Mn−Cr проявление данного эффекта усилива- ется с понижением содержания углерода и азота, дестабилизирующих аустенит по отношению к γ → ε-превращению при пластической деформации [4,5]. К аномальным эффектам механического поведения метастабильных аусте- нитных сплавов на основе сплава Г20, дополнительно легированных крем- нием, в области малых пластических деформаций относится ЭПФ [2,3]. Данный эффект оценивался по изменению угла загиба жестко закрепленной пластины после предварительной деформации при нагреве и охлаждении в интервале прямых и обратных мартенситных превращений (рис. 4). Уста- новлено, что степень восстановления заданной деформации (полноты про- явления ЭПФ) может в широких пределах регулироваться суммарным со- держанием марганца и кремния. Максимальная полнота проявления ЭПФ (≈ 90%) достигается в сплаве 05Г25С3 (рис. 5). Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 92 1 α 2 α 3 α 4 α Рис. 4. Схема испытаний для оценки ЭПФ К специфике механического поведения сплавов с метастабильным ау- стенитом в области больших пластических деформаций, предшествующих разрушению, следует отнести наблюдаемое снижение пластичности, ха- рактеризуемой универсальным показателем пластичности ΛF, с ростом при- ложенного гидростатического давления в интервале P = 0.1−800 MPa при испытаниях на кручение и растяжение (рис. 6,а, кривые 1 и 2 соответствен- но). Проведенный рентгеноструктурный анализ деформированных образцов показал, что аномальный провал пластичности в области P ≈ 400 MPa связан с существенным приростом в структуре ε-мартенсита, обладающего мень- шей способностью к деформируемости по сравнению с аустенитной фазой. Рис. 5. Полнота проявления ЭПФ в сплавах на основе Fe−Mn−Si-твердого раствора Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 93 а б Рис. 6. Влияние показателя напряженного состояния η (η = σ/Т) на пластичность ΛF (а) и фазовый состав (б) сплава 05Г20С2: ○, ● – ε-фаза; ∆, ▲ – α΄-фаза; □, ■ – γ-фаза; 1 – кручение, 2 – растяжение Противоположный характер влияния давления на интенсивность образова- ния α′- и ε-мартенсита деформации связывается с различным знаком объем- ного эффекта при образовании этих фаз [4,5]. При достижении более высо- ких давлений и, следовательно, более «мягкого» напряженного состояния пластичность образцов сплава 05Г20С2 существенно увеличивается. Выводы Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что разви- тие в гетерофазных материалах с метастабильной структурой превращений мартенситного типа, вызванных наложением упругих и пластических дефор- маций, способствует проявлению ряда аномальных эффектов механического поведения. В свою очередь, было показано, что данные эффекты могут разви- ваться последовательно в определенном интервале напряжений и деформа- ций, а полнота их проявления зависит от контролируемой схемы напряженно- го состояния и интенсивности образования мартенситных фаз деформации. 1. И.Н. Богачев, А.А. Вайнштейн, С.Д. Волков, Введение в статистическое метал- ловедение, Металлургия, Москва (1972). 2. В.А. Лихачев, В.Г. Малинен, Структурно-аналитическая теория прочности, Нау- ка, Санкт-Петербург (1993). 3. В.Г. Пушин, В.В. Кондратьев, В.Н. Хачин, Предпереходные явления и мартен- ситные превращения, УрО РАН, Екатеринбург (1998). 4. И.Н. Богачев, В.Ф. Еголаев, Структура и свойства железомарганцевых сплавов, Металлургия, Москва (1973). 5. М.А. Филиппов, В.С. Литвинов, Ю.Р. Немировский, Стали с метастабильным аустенитом, Металлургия, Москва (1988). Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 1 94 6. С.В. Гладковский, Г.Г. Амигуд, М.А. Филиппов, ФММ 61, № 1, 166 (1986). 7. М.Б. Ригмант, Э.С. Горкунов, В.С. Пономарев, Дефектоскопия 32, № 5, 78 (1996). 8. А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В. Смирнов, Ресурс пластичности металлов при обработке давлением, Металлургия, Москва (1984). 9. Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Б.М. Эфрос, Физическая механика гидроста- тической обработки материалов, ДонФТИ, Донецк (2000). 10. С.В. Грачев, Термическая обработка и сопротивление сплавов повторному на- гружению, Металлургия, Москва (1976). B.M. Efros, S.V. Gladkovsky, S.V. Smirnov, O.V. Prokof’eva EFFECTS OF PLASTIC DEFORMATION OF HETEROPHASE MATERIALS HAVING METASTABLE STRUCTURE Peculiarities of the mechanical behaviour of Fe−Mn−Si- and Fe−Mn−Cr-based alloys have been investigated in a wide stress and strain range, anomalous effects of heterophase materials with metastable structure have been systematized. It has been determined that in the studied materials the formation of martensitic strain phases favours the decrease of yield stress, development of the Baushinger effect and of the shape memory effect, as well as the anomalous pressure dependence of the index of plasticity. Fig. 1. A fragment of tensile stress-strain diagram for metastable austenitic alloy (1) and change in α΄-phase quantity (2) Fig. 2. Quantity of α΄-phase in alloy 05Г20С2 as a function of deformation degree: 1 − tension, 2 – torsion, 3 − upsetting, 4 − rolling, 5 – hydroextrusion (HE), 6 – non- stationary HE, 7 – HE with backpressure, 8 – deformation in diamond anvils; Т = 20°C Fig. 3. Diagrams of sign-alternating deformation of alloys 05Г20С2 (а) and 30Г21Х13 (б): 1 − one cycle, 2 − two cycles Fig. 4. Testing scheme for shape memory effect estimation Fig. 5. Completeness of shape memory effect development in alloys based on Fe−Mn−Si- solid solution Fig. 6. Influence of the index of stressed state η (η = σ/Т) on plasticity ΛF (а) and phase composition (б) of alloy 05Г20С2: ○, ● – ε-phase; ∆, ▲ – α΄-phase; □, ■ – γ-phase; 1 – torsion, 2 – tension

Эффекты пластической деформации гетерофазных материалов с метастабильной структурой

Institution

Ähnliche Einträge