Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей
Полученные результаты позволили установить оптимальные концентрации азота и рациональные режимы термомеханической обработки (ТМО), которые обеспечивают высокие прочностные свойства азотсодержащих ГЦК-твердых растворов замещения....
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70303 |
| 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: | Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, Т.П. Заика, Н.В. Шишкова, В.С. Тютенко, Б.М. Эфрос, В.Н. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-70303 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-703032014-11-03T03:01:57Z Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Заика, Т.П. Шишкова, Н.В. Тютенко, В.С. Эфрос, Б.М. Варюхин, В.Н. Полученные результаты позволили установить оптимальные концентрации азота и рациональные режимы термомеханической обработки (ТМО), которые обеспечивают высокие прочностные свойства азотсодержащих ГЦК-твердых растворов замещения. Optimal nitrogen concentrations and rational regimes of thermomechanical treatment ensuring high strength properties of nitrogen-containing fcc substitutional solid solutions have been determined. 2007 Article Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, Т.П. Заика, Н.В. Шишкова, В.С. Тютенко, Б.М. Эфрос, В.Н. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.−z, 81.40.Ef, 81.40.Gh http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70303 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 |
Полученные результаты позволили установить оптимальные концентрации азота и рациональные режимы термомеханической обработки (ТМО), которые обеспечивают высокие прочностные свойства азотсодержащих ГЦК-твердых растворов замещения. |
| format |
Article |
| author |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Заика, Т.П. Шишкова, Н.В. Тютенко, В.С. Эфрос, Б.М. Варюхин, В.Н. |
| spellingShingle |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Заика, Т.П. Шишкова, Н.В. Тютенко, В.С. Эфрос, Б.М. Варюхин, В.Н. Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Эфрос, Н.Б. Лоладзе, Л.В. Заика, Т.П. Шишкова, Н.В. Тютенко, В.С. Эфрос, Б.М. Варюхин, В.Н. |
| author_sort |
Эфрос, Н.Б. |
| title |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| title_short |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| title_full |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| title_fullStr |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| title_full_unstemmed |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| title_sort |
структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70303 |
| citation_txt |
Структура и механизмы упрочнения высокоазотистых аустенитных сталей / Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, Т.П. Заика, Н.В. Шишкова, В.С. Тютенко, Б.М. Эфрос, В.Н. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT éfrosnb strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT loladzelv strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT zaikatp strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT šiškovanv strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT tûtenkovs strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT éfrosbm strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej AT varûhinvn strukturaimehanizmyupročneniâvysokoazotistyhaustenitnyhstalej |
| first_indexed |
2025-07-05T19:35:28Z |
| last_indexed |
2025-07-05T19:35:28Z |
| _version_ |
1836836851167526912 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
141
PACS: 81.40.−z, 81.40.Ef, 81.40.Gh
Н.Б. Эфрос, Л.В. Лоладзе, Т.П. Заика, Н.В. Шишкова, В.С. Тютенко,
Б.М. Эфрос, В.Н. Варюхин
СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ
АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Полученные результаты позволили установить оптимальные концентрации азота
и рациональные режимы термомеханической обработки (ТМО), которые обеспе-
чивают высокие прочностные свойства азотсодержащих ГЦК-твердых раство-
ров замещения.
Введение
Развитие современной техники связано с использованием новых высоко-
прочных материалов со специальными свойствами. Высокоазотистые аусте-
нитные стали (ВАС) благодаря уникальности их свойств (высокому уровню
прочности, пластичности и вязкости разрушения, повышенной коррозион-
ной стойкости, немагнитности и др.) являются материалами, перспективны-
ми для использования в различных областях промышленности [1,2]. Поэто-
му поиск оптимальных концентраций азота и рациональных параметров
термопластической обработки ВАС, обеспечивающих требуемый комплекс
физико-механических и эксплуатационных свойств, представляет большой
интерес.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования служили аустенитные нержавеющие стали на
основе Fe−Cr−Mn-твердого раствора, имеющие критические точки MS и MD
ниже комнатной температуры, в которых концентрация азота CN варьирова-
лась до 0.8 mass%.
В качестве способов пластической деформации использовали одноосное
растяжение и способ выдавливания жидкостью высокого давления методом
гидроэкструзии (ГЭ) со степенями деформации е = 0–0.7 (е = lnR, где R –
вытяжка экструдата). Образцы ВАС после ГЭ подвергали старению в интер-
вале температур Тag = 400–800°C с выдержкой τag до 10 h.
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
142
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
0.4
0.8
1.2
CN, %
∆σ
ss
, G
Pa
0.2
0.1
0.02
3
e c1
Механические свойства образцов ВАС определяли по результатам стати-
ческих испытаний на растяжение (ГОСТ 1497−84) на универсальной машине
усилием 98 kN со средней скоростью 10−4 s−1. Для анализа кривых пластиче-
ского течения S−e и характера упрочнения ВАС в интервале равномерной
деформации использовали модели Холломона и Людвигсона [3].
Структуру ВАС исследовали методом оптической микроскопии на при-
боре «Neophot-32».
Результаты эксперимента и обсуждение
Получение высокопрочных состояний в ГЦК-твердых растворах замеще-
ния и внедрения типа ВАС возможно с помощью реализации следующих
механизмов упрочнения: твердорастворного, зернограничного, дисперсион-
ного и дислокационного (деформационного).
Твердорастворное упрочнение. Вклад твердорастворной компоненты ∆σss
в упрочнение указанных растворов в значительной степени связан с величиной
CN [1]. Наши экспериментальные результаты на примере стали Х18Г18 (рис. 1)
показывают, что зависимость ∆σss–СN в интервале CN = 0−0.8 mass% можно
аппроксимировать следующим линейным соотношением:
∆σss = σ0 + KσCN,
где σ0 – прочность сплава без азота; Kσ –
концентрационный коэффициент проч-
ности; CN – концентрация азота (mass%).
Оценка этих параметров дала следующие
значения: σ0 = 255 MPa, Kσ = 495 MPa/%
для σ0.2 и σ0 = 525 МPа, Kσ = 785 МPа/%
для σВ.
Одна из причин высокой эффектив-
ности компоненты твердорастворного
упрочнения ВАС [2,3] может быть свя-
зана с особенностями движения расщеп-
ленной дислокации − двойникующая
Рис. 1. Влияние концентрации азо-
та CN на твердорастворную ком-
поненту ∆σss предела текучести
σ0.2 (1), предела прочности σВ (2) и
величину критической деформа-
ции еc (3) стали Х18Г18
Рис. 2. Дополнительный механизм
твердорастворного упрочнения ВАС
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
143
дислокация Шокли а/6〈211〉 переводит атомы внедрения из октаэдрических
междоузлий в тетраэдрические (рис. 2). Поскольку радиус тетраэдрической
поры в ∼ 2 раза меньше радиуса октаэдрической, атомы азота, попадая в тет-
раэдрическое междоузлие, создают большие упругие искажения кристалличе-
ской решетки, которые должны преодолеваться силовым образом или с помо-
щью термических флуктуаций.
Зернограничное упрочнение. Зависимости предела текучести σ0.2 от раз-
мера зерна dg для различных СN и зернограничного коэффициента KY от
концентрации СN в аустенитных сплавах на примере стали Х18Г18 пред-
ставлены на рис. 3. Видно, что зависимость σ0.2–dg согласуется с соотноше-
нием Холла−Петча:
σ0.2 = σi + ∆σgb, 2/1
gb
−=σ∆ gY dK , N
0 KCKK YY += .
Оценка параметров в данных соотношениях показала следующие значения: для
СN = 0.3 mass% сопротивление деформации σi = 230 MPa (dg → ∞), зерногра-
ничный коэффициент KY = 25 МPа·mm1/2; для СN = 0.7 mass% σi = 410 МPа
(dg → ∞), KY = 32 МPа·mm1/2; в отсутствие азота 0
YK = 25 МPа·mm1/2; кон-
центрационный коэффициент K = 11.7 MPa·mm1/2/%. Видно, что величина
зернограничного коэффициента KY с увеличением CN возрастает в аустенит-
ных сталях. Однако вклад зернограничного упрочнения в исследованном
интервале dg для рассмотренных ВАС меньше, чем вклад в напряжение те-
чения от твердорастворного упрочнения.
Дисперсионное упрочнение. Для аустенитных сталей с высоким содержа-
нием азота упрочнение, обусловленное механизмом дисперсионного тверде-
ния в результате выделения частиц фазы Cr2N, может быть существенным
[1,3]. Полученные результаты измерения твердости HV ВАС на примере
стали Х14А0.45Г10СФ в зависимости от параметров старения Тag и τag но-
2 4 6 8
20
30
40
0.2 0.4 0.6 0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
dg
–1/2, mm–1/2
K
Y, N
⋅m
m
–3
/2
C
Ν
, %
3
2
σ 0.
2, G
Pa
1
Рис. 3. Влияние размера зерна
dg на изменение предела теку-
чести σ0.2 стали Х18А0.3Г18
(1) и Х18А0.7Г18 (2) и кон-
центрации азота CN на зерно-
граничный коэффициент KY
(3) стали Х18Г18
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
144
сят экстремальный характер. Это обу-
словлено наличием следующих ста-
дий: зарождения (восходящая ветвь
кривой HV−τag), выделения и роста
(коагуляции) частиц избыточной фазы
(плато и нисходящая ветвь кривой
HV−τag). Максимальное значение
твердости HV = 3200 МPа для стали
Х14А0.45Г10СФ достигается при сле-
дующих параметрах старения: Тag =
= 500–550°C и τag = 1.5–2.5 h (при
этом величина ∆HV ≈ 410 МPа).
Деформационное упрочнение. Ана-
лиз кривых деформационного упроч-
нения аустенитных сталей при одно-
осном растяжении в зависимости от СN (рис. 4) показывает наличие положи-
тельного отклонения ∆ от кривой S–e, описываемой соотношением Холломона
при низких уровнях деформации (е < еc). Это отклонение связано с наличием вы-
сокого значения компоненты планарности в дислокационном скольжении (мо-
дель Людвигсона) [4]. Видно, что рост СN увеличивает стадию планарного
скольжения до более высоких степеней деформации е = еc (см. рис. 1 и 4). Одной
из основных причин данного эффекта может быть снижение величины энергии
дефектов упаковки аустенита γsf [1]. Экспериментальные исследования показали
наличие более высокого значения коэффициента упрочнения ВАС при деформа-
ции по схеме одноосного растяжения (выше критической степени деформации
еc) по сравнению с деформацией по схеме одноосного сжатия. Данный эффект,
по-видимому, связан с индуцированием внешним полем напряжений и дополни-
тельным расщеплением дислокаций (эффект Копли−Кера) (рис. 5). Возможность
проявления эффекта Копли−Кера в поликристаллах ВАС связана с изменением
интенсивности текстурных максимумов и, следовательно, более активным раз-
витием планарного скольжения и механического двойникования при пластиче-
ской деформации [3,4].
а б
Рис. 5. Эффект Копли−Кера в ГЦК-поликристаллах в зависимости от схемы де-
формации: а − растяжение, б − сжатие
Рис. 4. Влияние концентрации азота
CN на зависимость истинное напряже-
ние S−истинная деформация е стали
Х18Г18: 1 − CN = 0.3 mass%; 2 − СN =
= 0.7 mass%
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
145
Термомеханическое упрочнение. Дальнейшее повышение прочностных
свойств ВАС может быть достигнуто путем суперпозиции различных меха-
низмов упрочнения, например деформационного (дислокационного) и дис-
персионного [2]. Выбор оптимальных режимов старения экструдатов ВАС
существенно упрощается, если известны закономерности изменения макси-
мальных значений HV в зависимости от е, Тag и τag. Нами было показано,
что оптимальная Тag находится в области 500°C, а оптимальная величина τag
при данной Тag зависит от степени деформации ГЭ: для 0.2 < е < 0.7 величи-
на τag ≈ 1 h. С целью количественной оценки эффекта старения экструдатов
ВАС, а также эффективности влияния комбинированного воздействия ГЭ и
старения методами ТМО на изменение прочностных свойств, находили ве-
личину максимального приращения твердости ∆HV экструдатов стали
Х14А0.5Г10СФ после старения. Анализ данных зависимостей показал, что
влияние старения (по оптимальным режимам) на повышение HV экструда-
тов ВАС неаддитивно. С ростом e при ГЭ наблюдается мультипликативный
эффект: приращение максимальной твердости HV возрастает от 9% для е = 0.1
до 17.5% для е = 0.7.
Выводы
Определен вклад твердорастворного и зернограничного факторов в уп-
рочнение ВАС. Оценена роль механизмов дисперсионного твердения и де-
формационного (дислокационного) упрочнения в повышении прочностных
характеристик ВАС. Установлены оптимальные режимы ТМО, позволяю-
щие обеспечить повышенный комплекс механических свойств ВАС.
1. О.А. Банных, В.М. Блинов, Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсо-
держащие стали, Металлургия, Москва (1980).
2. Э.В. Козлов, Л.А. Теплякова, Н.А. Конева, В.Г. Гаврилюк, Н.А. Попова, Л.Н. Иг-
натенко, Г.Л. Федосеева, С.Ю. Смук, А.В. Пауль, В.П. Подковка, Изв. вузов.
Физика 39, № 3, 33 (1996).
3. N.V. Shishkova, B.M. Efros, Steel grips 2, 629 (2004).
4. Ю.И. Чумляков, И.В. Киреева, А.Д. Коротаев, Е.И. Литвинова, Ю.Л. Зуев, Изв.
вузов. Физика 39, № 3, 5 (1996).
N.B. Efros, L.V. Loladze, T.P. Zaika, N.V. Shishkova, V.S. Tyutenko, B.M. Efros,
V.N. Varyukhin
STRUCTURE AND MECHANISMS OF HIGH-NITROGEN AUSTENITIC
STEELS HARDENING
Optimal nitrogen concentrations and rational regimes of thermomechanical treatment en-
suring high strength properties of nitrogen-containing fcc substitutional solid solutions
have been determined.
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
146
Fig. 1. Influence of nitrogen concentration CN on solid-solution component ∆σss of the
yield strength σ0.2 (1), ultimate strength σВ (2) and value of critical deformation еc (3) of
steel Х18Г18
Fig. 2. Additional mechanism of the high-nitrogen steel strain hardening
Fig. 3. Grain size dg effect on changes in ultimate strength σ0.2 of steel Х18А0.3Г18 (1)
and Х18А0.7Г18 (2) and influence of nitrogen concentration CN on grain-boundary coef-
ficient KY (3) of steel Х18Г18
Fig. 4. Influence of nitrogen concentration CN on true stress S−true strain e relationship
for steel Х18Г18: 1 − CN = 0.3 mass%; 2 − СN = 0.7 mass%
Fig. 5. Copley-Kear effect in fcc polycrystals as a function of deformation scheme: a −
tension, b − compression
|