Механизмы упрочнения сталей с бейнитной и мартенситной структурами при деформации сжатием

Мартенсит и бейнит, формирующиеся в стали при термообработке, являются наиболее сложными структурами, в том числе и для количественной интерпретации. Часто эти стали эксплуатируются при высоких статических и динамических сжимающих напряжениях. Тщательный и всесторонний анализ структуры этих материалов после различных видов обработки позволяет грамотно использовать их для изготовления деталей и конструкций, обеспечивая комплекс необходимых физико-механических свойств. Факторами, определяющими механические свойства материалов, являются структура твердого раствора, наличие наноразмерных частиц вторых фаз, дислокационная субструктура, типы и расположение различного рода границ, внутренние поля напряжений. Для успешного управления процессом формирования структуры и фазовых состояний, определяющих механические свойства материалов, необходимо знание количественных закономерностей и механизмов деформационного упрочнения сталей различных структурных классов при активной пластической деформации. В настоящей работе методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен анализ процесса деформационного упрочнения стали 38ХН3МФА с мартенситной структурой и стали 30Х2Н2МФА с бейнитной структурой при активной пластической деформации сжатием до 26 и 36 % соответственно. В работе рассмотрены вклады деформационного упрочнения, обусловленные внутрифазными границами, дислокационной субструктурой, карбидными фазами, атомами легирующих элементов, дальнодействующими полями напряжений. Установлено, что наибольший вклад в деформационное упрочнение закаленной стали 38ХН3МФА дает субструктурное упрочнение, обусловленное внутренними дальнодействующими полями напряжений, и твердорастворное упрочнение, обусловленное наличием атомов углерода. Для нормализованной стали 30Х2Н2МФА упрочнение также происходит за счет действия внутренних полей напряжений, за счет внедрения атомов углерода в кристаллическую решетку феррита, а также фрагментации структуры при степени деформации, превышающей 26 %. Сравнительно малый вклад в упрочнение этих сталей вносят дислокационная субструктура и частицы карбидной фазы. Показано, что причина разупрочнения бейнитной стали при больших (более 15 %) степенях деформации связана с активацией процесса деформационного микродвойникования.

1. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. - М.: Металлургия, 1982. - 184 с.

2. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация.

3. - М.: МИСИС, 1997. - 27 с.

4. Физика и механика волочения и объемной штамповки /

5. В.Е. Громов, Э.В. Козлов, В.И. Базайкин и др. - М.: Недра, 1997. - 293 с.

6. Kelly A., Nicholson R.B. Strengethening Methods in Crystals. - Elsevier, 1971. - 214 p.

7. Fleischer R.L., Hibberd W.R. The relation between the structure and mechanical properties of metals. - H.M.S.O., 1963. - 203 p.

8. Курдюмов В.Г., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.

9. Sourmail T., Smanio V. Low temperature kinetics за bainite formation in high carbon steels // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 7. P. 2639 - 2648.

10. Borgenstam A., Hillert M., Agren J. metallographic evidence of carbon diffusion in the growth of bainite // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. No. 11. P. 3242 - 3252.

11. Приданцев М.В., Давыдова Л.Н., Тамарина А.М. Конструкционные стали: Справочник. - М.: Металлургия, 1980. - 288 с.

12. Egerton R.F. Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM. - Berlin: Springer Scien-ce+Business Media, Inc, 2005. - 211 p.

13. Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy Characterization of Nanomaterials. - New York: Springer, 2014. - 717 p.

14. Barry Carter C., David B. Transmission Electron Microscopy. - Berlin: Springer International Publishing, 2016. - 518 p.

15. Гольдштейн М.И., Фарбер Б.М. Дисперсионное упрочнение стали. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.

16. Hirsch P.B., Howie A., Nicholson R.B., Pashley D.W., Whelan M.J. Electron Microscopy of Thin Crystals. - Washington: Butterworth, 1965. - 574 с.

17. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. - М.: Металлургия, 1977. - 208 с.

18. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

19. Ivanov Y.F., Kolubaeva Y.A., Kornet E.V., Gromov V.E. Formation of the fine structure and phase composition of structural steel on quenching // Steel in Translation. 2009. Vol. 39. No. 4. P. 302 - 306.

20. Иванов Ю.Ф., Корнет Е.В., Громов В.Е., Коновалов С.В. Структурно-фазовые превращения в закаленной конструкционной стали при деформации // Успехи физики металлов. 2009. Т. 10. № 4. С. 391 - 416.

21. Громов В.Е., Никитина Е.Н., Иванов Ю.Ф. Эволюция карбидной и дефектной подсистем стали с бейнитной структурой при деформации // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 3. С. 74 - 80.

22. Gromov V.E., Nikitina E.N., Ivanov Yu.F., Aksenova K.V. Regularities of bainitic steel deformation transition // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 150. No. 012025.

23. Naulor I.R. The influence of the lath morphology on the yield strength and transition temperature on martensite-bainite steel // Met. Trans. 1979. Vol. 10A. No. 7. Р. 873 - 891.

24. Беленький Б.З., Фарбер Б.М., Гольдштейн М.И. Оценки прочности малоуглеродистых низколегированных сталей по структурным данным // Физика металлов и металловедение. 1975. Т. 39. № 3. С. 403 - 409.

25. Деформационное упрочение и разрушение поликристаллических металлов / В.И. Трефилов, В.И. Моисеев, Э.П. Печковский и др. - Киев: Наукова думка, 1987. - 248 с.

26. МакЛин Д. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1965. - 431 с.

27. Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения // Изв. вуз. Физика. 1982. № 8. С. 3 - 14.

28. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физика субструктурного упрочнения // Вестник ТГАСУ 1999. № 1. С. 21 - 35.

29. Kocks U.F. Statistical treatment of penetrable obstacles // Canadian Journal of Phys. 1967. Vol. 45. No. 2. Р. 737 - 755.

30. Струнин Б.М. Вероятностное описание поля внутренних напряжений при случайном расположении дислокаций // Физика твердого тела. 1971. Т. 13. № 3. С. 923 - 926.

31. Mott N.F., Nabarro F.R.N. The distribution of dislocations in slip band // Proc. Phys. Soc. 1940. Vol. 52. No. 1. P. 86 - 93.

32. Ashby M.F. Physics of Strength and Plasticity. - MIT press Cambridge. Mass., 1969. - 113 p.

33. Tekin E., Kelly P.M. Tempering of steel Precipitation from iron base alloys. - Gordon: Breach, 1965. - 283 p.

34. Norstrom L.A. On the yield strength of quenched low-alloy lath martensite // Scandinavian J. of Met. 1976. Vol. 5. No. 4. P. 159 - 165.

35. Прнка Т. Количественные соотношения между параметрами дисперсных выделений и механическими свойствами сталей // Металловедение и термическая обработка стали. 1979. № 7. С. 3 - 8.

36. Киселева С.Ф., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Влияние микродвойников превращения на избыточную плотность дислокаций и внутренние напряжения деформированного ГЦК-материала // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 13. С. 70 - 74.

37. Orowan E. Conditions for dislocation passage of precipitates // Proc. Symp. Intern. Stress in metals and alloys. - London: Inst, met., 1948. P. 451 - 454.