Механизмы деформации и разрушения монокристаллов высокоазотистых аустенитных нержавеющих сталей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

5 о п

■ ]''' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ

ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ШЮТИТУТ ИМ. В. Д. КУЗНЕЦОВА ПРИ ТОМСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИМ. В.В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи КИРЕЕВА ИР1ША ВАСИЛЬЕВНА

УДК 539.382-548.55-659.15

МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВиСОКОАЗОТССТЦХ АУСТЕШГПШ НЕР2АВЕЩИХ СТАЛЕЙ •

Специальность 01.04.07 - физика твердого тола

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации па соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Тонек - 1934

Работа выполнена в Сибирском ордена Трудового Красного Зкаыени Фшико-техническом институте т. В. Д. Кузнецова при Тоыскои ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном университете иыени Б.В.Куйбышева.

Научные руководители^ доктор физико-математических наук Чушяков Ю. И.

заслуженны!! деятель науки и техники ' РФ. доктор физшсо-датеиатических

наук, профессор Коротаев А. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-катеиатических наук, профессор Зуев Л.Б.

доктор физико-математических наук, старший научный с от руд; а к Афанасьев Н.И.

Ведущая оргашоацга : То!<;ская государственная архитектурно-строительная акалекия

ГЛ_ " г. в ^

Защита состоится" О " }!а заседании специагашзювашаго С-зотй К 063.53.05 по присуждении ученой степени каодщата физгесо-иатеиаткческих наук в Тоаскоа госудзрствешюи ушшсрагготе иаэнп В. В. Куйбышева по адресу: 634010. г. Тоиск-Ю. пр. Ленина.. 38. госуниверсгает.

С диссертацией мозго ознакомится в научной библиотеке Томского госуциверсигета.

Автореферат разослан

г.

, Ученый секретарь специализированного Совета

/ И. Н.. Акоиша/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВДЭД йктумьнодть.дабоха,. Аустенигкые нержавеющие стали являются широко используемыми конструкционными материалами в атомной энергетика. криогенной технике, ишическоа промышленности, ыедицинэ благодаря высокой пластичности и коррозионной стойкости. Применение этих сталей как высокопрсмгых натериалов для уненьшения штериаллоешсости конструкция затруднено из-за недостаточно высоких прочностных свойств. Поэтому представляет интерес для практики разработка новых высокопрочных аустенитных нержавеющих сталей, в которых прочностные свойства повыпаотся за счет твер-дорастворного упрочнения атомачи внедрения, в частности азотом. Однако несмотря на многочисленные работы, посвященные исследованию упрочнения аустеннгных сталей азотои. выполненных на поликристаллах. шюгие принципиальные вопросы прщоды твердораствор-ного и деформационного упрочнения," механизма деформации. разрушения ГЦК аустенитных сталей с высокий содержание« атомов внедрения до сих пор до конца оказываются не выясненными. С нашей точки зрения в высокопрочных аустенитшЗх нергавеющих сталях с азотш иояно ожидать появления целого ряда новых особенностей деформации, связашгьа с воздействие« поля внешних напряжений па тонкую структуру (расщепленность) полных а/2 <П0> дислокаций: I) сильную ориентационную зависимость критических скалыващих напряжешв* т^; 2) асхшиетрко ткр при смене знака приложенных напряаешю и. как предельный- случай расщеллешга дислокаций а/2 <П0> на-частичные Шокли, сыену цеханизыа;. деформации от скольжения'к двойниковашю. К настоящему времени эти вопросы в "литературе практически не разработаш. Во всех теоретических "и экспериментальных исследованиях при подходе к анализу механического поведения аустенитных нержавеющих сталей с азотои не учитываются особенности тонкого етроешя ГЦК твердых растворов с высокой .концентрацией атомов внедрешя - полоз в гея атомов в октаэдричес-ких междоузлиях и их юненешя при движении двойкшсуюцих дислокаций и расщепленных на частичные Шокли полных дислокаций. Фактически не рассмотрены особенности деформации и разрушение сталей. связанные с достизеяиец высокопрочного состояния при легировании азотом." В работе показано, что при критических концентрациях атомов азота в аустенигшх нерхавеюацгх сталях пластическая деформация может бить реализована только путем механического двойникования с предела текучести, что определяет появление свер-

хэластичности. ранее не набладавшейся в сталях данного класса. Выяснены физические причины, приводящие к деформации двойникова-кивм и сверхэластичности. Найдена совокупность новых закономерностей твердорастворного упрочнения. его ориентационной и температурной зависимости, особенностей дислокационной структуры, деформационного упрочнения и разрушения, связанных с достижением высокопрочного состояния высокоазотистых сталей.

Исследовать природу сильного твердорастворного упрочивши атоиаш внедрения, роль энергии дефекта упаковки в твэ-рдорастворноы упрочнении, сиене механизма деформации и разрушении. особенности деформационного упрочнения и * дислокационной структуры, условия перехода от сксшьхенид к двойникованию в зависимости от ориентации, условий испытания монокристаллов аусте-шшшх нержавеющих сталей ( растяхение/сгатив, температура) с разной концентрацией атомов азота. Показать, что вся совокупность экспериментально наблюдаемых закономерностей Формирования критического скалывающего напряжения, деформационного упрочнения. иеханизиов деформации и разрушения в высокоазотистых аусте-нешд нераавещих сталей теоретически обосновывается с позиций развиваемой в С4ТИ физической концепции высокопрочного состояния.

ШиИ&3_1^Ё®Ц§_са§отн^ I • В монокристаллах аустенитных нергавещих сталей с тпкой энергией дефекта упаковки г-ду при концентрациях азота Сы равних критическим Смкр впервые об;шру£е-но развитие механического двойпжованш с продела текучести и явленна сверхэластичности. Теорет чески и экспериментально установлены параметры структуры ютеризла - величина энергии дефекта упаковки, концентрация атомов внедрения (азота).• ориентация кристалла. при которых происход:!? ськлга." шханизиа деформации ' от сколъ:;:еш1Я к двойнжовашш. 2. В висо^сспрочшл: состояшях в аус-тенеткых нергавещих сталях с шшеой энергией дефекта упаковки гду с С>0.3 взс.% обнаружена ориенгашюнная •зависимость п асга-кетрия механизма деформации и деформирующих напрякений при скснэ знака напряжений от растяжения к сжатию. Показано, что эффекты асилкзтрш и ориенгацианной зависимости напряжений возрастам с увеличением, концентрации атоыоз внедрения (азота) и понижением температуры испытания. 3. Досткжениэ высокопрочного состояния в результате легирования азотом до См*0.4 вес.% приводит к появлению эффектов вырождения множественности сдвига кристаллов ориэн-

таций <001 >, <ИЬ на ранних стадии (е<10-20<) деформации с. развитей локализованного скольжения в одной систенэ и. соответственно. стадии с низкий коэффициентом дефориационного упрочнения в на кривых 6(e) монокристаллов. При CN-Q.5-0.7 вес.-/ развитие множественного двойнгосования в <III> кристаллах приводит к резкоыу увеличению коэффициента дефориационного упрочнения в. 4. В монокристаллах сталей с разной Гду легирование азотом до См-0.5-0.7 и Т-77 К приводит независимо от ориентации кристалла и энергии дефекта упаковки к хрупкому разрушению кристаллов. В <Ш> кристаллах сталей с низкой обнаружен вязко-хрупкий переход. v

Поактшеская_ценндсть_ваботы заключается, во-первых, в экс-периыентальноы установлении влияния энергии дефекта упаковки, ориентации кристалла, концентрации атомов внедрения и температуры испытаний приводящих :< смене механизма деформации от скольжения к двойншсованию с развитием сверхэластичности. Во-вторых, получанные на монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с азотом закономерности ориентационной зависимости механизма деформации и разрушения могут быть применены для анализа дефориационного упрочнения текстурированных поликристаллов аустенитных нержавеющих сталей данного класса. В-третьих, из результатов проведенных исследований на монокристаллах сталей с разной энергией дефекта упаковки гдуг и различным содержанием азота можно сформулировать критерии подбора структурных состояний, обеспечивавши оптимальное' значение прочностных и пластических,свойств.

0аучны9_пдло:кения^_выносгсшэ_на^

1. Экспериментально найденные закономерности ориентационной зависимости ( отклонение от закона Боаса-Емида) и асимметрии, критических скалывающих напряжений в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей в•зависимости от содержания азота, температуры испытания и величины энергии дефекта упаковки матрицы.' Дислокационная модель сриэнтационной ззвисиысоти и асимметрии т._.

гф

основанная на учете, во-первых, изыененга расщепления дислокаций a/2<II0i на частичные Шокли а/6 <211> в поле внешних напряжешй; во-вторых, смещения атомов внедрения из октаэдрических положений в тетрзэдрические при движении частичных дислокаций Шокли.

2. Экспериментально установленная для монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей зависимость механизма пластической деформации скольжения и двойниксваши от содержания азота CN, величины эне-

ргии дефекта упаковки г^. ориентации кристалла и знака приложенных -напряжений (растяжения/сжатия). В кристаллах <001 > npi растяжении, <Ш> при сжатии независимо от CN. ?-ду пластически деформация происходит скольжением из-за снижения расщепдени дислокаций за счет внешних напряжений. В <11Ь кристаллах npi растяжении сиена механизма от скольжения к двойникованию наблюдается при CN>0.3 вес.* и с деформацией двоикковадазы, в нескольких системах скольжения связаны высокие значения е.

3. Хар .¿терние особенности двойникования в высокоазотисты (С >0.6 вес.*) монокристаллах аустенигных нержавеющих сталей

N

широкий температурный интервал (Т-77-673 К) двойникования; близ кая к температурной зависимости модуля/сдвига зависимость криш ческого напряжения двойникования: явление упругого двойникованк при Т< 123 К. сопровождающееся высокой (£«6-9*) обратимой дефор нацией; высокий коэффициент упрочнения при множественной двойни ковании.

4. Установленные на основе экспериментальных исследований осо бенкости механизма разрушения от ориентации кристалла, величин: Гду, уровня приложенных напряжений; хрупкий характер разрушения наблюдаемый независимо от гду и ориентации кристалла в высокоп рочных кристаллах при CN>0.6 вес.* и Т<123 К; взаимосвязь двой никоашшя с механизмом разрушения при CN>0.3 вес.* в кристалла с низкой г ¡¡у.

4ШЭ2§ЗЩЗ-Е§бЭ10д. Материалы диссертации доложены и обсукде га на следующих конференциях.

1. I Всесоюзная конференция "Высокоазогистые стали" - Киев, 18 20 апреля 1990. /

2. V Всесоюзное совещание "Структура и свойства немзгшпных ста лей".. - Свердловск, И-15 марта 1991. ...

3. Республиканская научно-техническая конференция "Совершенстве вашга существующих и создание новых ресурсосберегающих тохнолс пий и оборудования в машиностроении, сварочном производстве строительстве" - Ыогалев. 23-24 октября 1991.

4. II Всесоюзная конференция "Высокоазотистые стали". - КиеЕ 21-23 апреля 1992.

5. I Международный семинар "Эволюция дефектных структур в катаг лах н сплавах". - Барнаул, 8-12 сентября 1992..

6. III Международная конференция "High nitrogen steels HNS-93* - Kiev. Ukralna. September 14-16, 1993.

Публикации,. По теме диссертации опубликовано И работ, из шх 5 статей и 6 тезисов конференций. Список основных опублико-занных работ приведен в конце автореферата.

С1ВЖ№3-Ц-ОбызУ-Баботу^ Диссертация состоит из. введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 190 страниц машинописного текста. 76 рисунков и 12 таблиц. Спи-;ок цитируемой литературы включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

go вввденщ обоснована актуальность теш, сформулированы (ель и задачи работы, положения выносимые на защиту.

0еввая слава представляет собой литературный обзор основных жспериаентальных закономерностей твердорастворного упрочкешта и" шфорнации поликристалла высокоазотистых аустетггных нержавою-их сталей, с целью выяснения влияния атомов внедрения азота и тлерода на физические и механические свойства сталей. *°_В1°В°0_глзвв на основагаш анализа литературных данных форыу-жрукгтся и обосновываются задачи исследования,' определяются иа-•ериалы и иетодики исследования.

В работе ставилась задача, во-первых, систематического ¡сследованш на монокристаллах аустенигных нержавеющих сталой «коноыерностей твердорастворного упрочнения азотом; выяснение »собенностей механизмов деформации, деформационного упрочнения и >азруиения в зависшости от ориентации кристаллов, величины знании дефекта упаковки и условия _ испытания сталей с различным удержанием азота. Во-вторых, разработка применительно к аусто-отным нерхавекцк.1 сталям, упрочненным азотом, концепции высоко-рочных материалов, как физической основы анализа их прочностных [ пластических свойств. Основная идея этой кищепции состоит в ом. что в высокопрочных ГЦК кристаллах необходимо учитывать ¡лшкке поля внекшпс напряжения на изменение расщепления дисло-:аций. Равновесное расщепление а/2 <П0> дислокаций на частичные 1окли может сильно изменяться в поле внешних напряжений. С повлекши зависимости критически скалывающих напряжений т„_ от риентации кристалла и знака приложенных напряжений - растяжения ли сжатия. В зависшости от уровня и сриентащт прилозенных апряяения возможна реализация перехода от скольжения к двопнико-анию. В этой связи ставилась задача экспериментального выясне-

ния концентрации азота роли уровня, ориентации и знака приложенных напряжения, температуры испытания на смену механизма деформации от скольжения к двояникованию. В условиях сохранения скольжения планировалось исследование влияния достижения высокопрочного состояния сплавов (легирование азотом и снижения температуры испытания) на особенности дислокационной структуры, деформационного упрочнения, устойчивости пластического течения и ыэгикзмов разрушения монокристаллов различной ориентации. . Предполагалось также учесть тонкую структуру самого, твердого раствора внедрения и его изменения при движении полных, расщепленных а/2 <П0> дислокаций и частичных дислокаций а/6 <211 >. Особенность движения частичных дислокаций (перевод атомов азота из октаэдрических междоузлий в тетраэдрические) может быть при-, чиной высокой эффективности твердорастворного упрочнения поскольку упругие искажения от атомов внедрения в тетрапорах будут больше,' чем в октапорах из-за их меньшего размера.

Возможно, что поскольку перевод атомов внедрения из октаэдрических позиций в тетраэдрические при движении частичных дислокаций изменяет симметрию реиетки в сдвойкиковакном объеме.появится дополнительное упрочнение двойника и это будет затруднять процессы взаимодействия двойников. Это должно повышать коэффициент деформационного упрочнения в за счет каркасного эффекта при шгожествекном двойниковакаи и при взаимодействий двойшковакия со скольжением. Указанные факторы когут играть важную роль и в развитии разрушения. Е работе планировалось экспериментальное исследование указа}с-осс выае вопросов. :

В настоящей работе поставлен слздужиз конкретно .задачи исследований: I. Отработать'ыотодику сыратагания монокристаллов аустешшшх нержавеющих сталей составов: Ге-13Сг-12М1-2Мо; Ге-18Сг-16М1-10Мп,- 3) Го-2БСг-32М1-ЗМо. Отработать методику насыщения азотом кристаллов этих сталей в интервале концентраций См~0-0.7 вес.«. 2. Провести систематические исследования зависимости т™ в монокристаллах аустснипшх нерхавевцих сталей от - концентрации азота с «0-0.7 вес.-/, с величиной энергии дефекта упаковки матрицы уду,-0.02-0.2 Дж/м2. ориентации кристалла.4 :по-соба деформации (растяжвнив/сжатие), температуры испытания Т=77-773 К. 3. Разработать физическую модель твердсрастворного упрочнения аустенлгных нержавеюща сталей с азотом, ориентационной зависимости и асимметриии гко. .учитывающую величину энергии де-

Секта упаковки г ¡¡у. равновесное расщепление дислокаций и его изменение в поле внешних напряжений, переход атомов внедрения из октаэдрических положений в тетраэдрические. 4. В монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с низкой энергией дефекта упаковки Гду-0.02 Дж/ы2 провести исследование роли двойц^кования в пластической деформации, выяснить возможность развития двойнико-вания с предела текучести. Исследовать концентрационную и температурную зависимость критических скалывающих напряжений двойни-кования. 5. Выяснить принципиальную возможность эффектов неупругости и сверхэластичности при деформации двойнико: эниеы с ранних стадий пластического течения. Установить условия (концентрация азота, ориентация кристалла, температура испытания), в которых наблюдаются ярко выраженные эффекты сверхэластичности. 6. Разработать дислокационную схему смены механизма деформации от скольжения к двойникованию и :верхэластичности при упругом двойнико-вании в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей с низкой энергией дефекта упаковки и высокой концентрацией атомов азота. 7. Исследовать зависимость коэффициента деформационного упрочнения. пластичности; локализации деформации и разрушения от концентрации азота, величины энергии дефекта упаковки, механизма пластической деформации и температуры испытания Т-77-773 К. Выяснить роль локализации сдвига в макрополосах скольжения и двойниках деформации в формировании условий геля ориектационной зависимости механизма разрушения..

Для решения поставленных задач были приготовлены монокристаллы аустенитных нержавеющих сталей с разной гду. Газотермоба-ричесиш методом кристаллы сталей насыщали азотом до 0.7 вес.-л. Однофазное состояние образцов достигалось в результате отжига при Т=Н23 К в течение 60-90 минут с последующей закалкой и проверялось на выборочных образцах электронномикроскопичесшш методом.

ТЕётья_гллва. Твердорастворное упрочнение азотом монокристаллов сталей с разной гау-

В первом разделе главы приводятся 'эксперименталыгые результаты по исследованию закономерностей твердорастворного упрочнения, температурной зависимости т„г, в монокристаллах аустенитных

кр

нержавеющих сталей с разной ориентированных вдоль осп растя-хения [ООН. Концентрацию азота варьировали в пределах 0-0.5 вес-

Оказалось, что монокристаллы аустенитных нержавеющих сталей с разной Гду без азота обнаруживают следующие типичные для ГЦК кристаллов и твердых растворов замещения закономерности: I. Во всех монокристаллах независимо от энергии дефекта упаковки наблюдается два участка температурной зависимости т^СТ) в соогветс твии с зависимостью. ткр(Т)-гс,(Т)+тБ(Т). 2. Показано, что г, тв ко зависят от ориентации кристаллов и знака приложенных ряжений во всех исследованных сталях. Поведение исследуемых кри-

3. Причиной сильной

s " нап-

ет аллов подчиняется закону Боаса-Шмида

nrf.

Рис.

О

I. а

W - 300 К 3>У - 513 К

ав 08 И ы ГГаж.ЧЬ)4^. Температурная и ориентационная зависимость т^ при

растяжении стали Х18Ш2М2: б. Концентрационная зависимость 4ткр при растяжении сталей Х18И2М2 и

зависимости т^СТ)

Х18Ш6ГЮ.

не является пересечение скользящих дислогсацш с дислокациями "леса", а определяется взаимодействием дислокащп с атомами легирующих элементов ( молибден, углерод), концентрационными неоднородностяии состава. :

Легирование азотом монокристаллов сталей ориентации tool] i разной Гду приводит к значительному возрастанию т^ и усилени температурной зависимости т^СТ). связанную с увеличением терш

чески-активируемой части напряжения течения всех исследованных температур пЬлучена зависимость

т^рис.

I).

Дд л/г

kp n

Независимо от содержания легирующих элементов таыещения зкачеии

дт^ ложатся на одну пряную для всех исследуемых сталей с

раз

- ной уду при одинаковых температурах и концентрациях азота. Нак лон с1тКр/с1С*/'£ оказывается зависящим от температуры испытания максимальный эффект твердорастворного упрочнения имеет место пр • Т-77 К. Для всех исследуемых сталей увеличение .предела текучест подчиняется теории Флейшера для твердорастворного упрочнения пр

Т-0 К:

./г

Исследовано влияние концентрата! азот

на активационные параметры деформации (объем V активации, эн-гальгая активации Н) стали XI8HI2M2. При легировании азотом стали с низкой Уду до См=0.4-0.5 вес.-/, при температуре жидкого азота Т-77 К активационный объем становится очень малым и составляет (7-9) атомных объемов, тогда как в сталях без азота равен 25 атомным объемам. Малая величина активационного объема в сталях с азотом свидетельствует о локальном взаимодействии дислокаций с атомами азота. Было обнаружено, что активационный объем не зависит от степени предварительной деформации. Это свидетельствует о гон. что пересечение дислокаций не дает вклада з териически-истивируеиуп часть напряжения. Однако энтальпия активации не зависит от концентрации азота и для данной ориентации есть величина постоянная.

Таким образом, для нонокристаллов сталей с высокой и низкой Гду получены следующие закономерности в эволюции зависимости rjjpCT): во-первых, с увеличением Сы наблюдается возрастание тер-гически-активируемой составляющей напряжения течения тт; во-зтррых. происходит увеличение наклона drKp/dT с ростом CN; в- -третьих, наблюдается увеличение атермической составляющей напря-кения течения т(.. Необычно сильная для ГЦК сплавов температурная зависимость т^СТ). низкие абсолютные . значения активационного збьема V=V /Ь =7-Э при Т=77 К и его сильная зависимость от- тс

а Ъ

:вицетельствуют о том. что кристаллы аустешгтных нержавеющих ггалей при содержании азота CN>0.2 вес.* приобретают черты меха-пмеского поведения, характерных для кристаллов с ОЦК решеткой. Ъследнее пока не находит физического объяснения.

Во_втдвом_Еаза§ле главы приведены результаты по исследова-ою ориентационноя зависимости и асимметрии критических екалыва-здих напряжений- в монокристаллах аустенигных нержавеющих сталей : разной энергией дефекта упаковки >-ду.

На рис. Па.б) представлены экспериментально установленные ¡авпсимости критических скалывающих напряжений от температу->ы Т и концентрации азота для монокристаллов аустещгпгай нержавеющей стали Х18Н1.2Ш с низкой уау двух ориентация : [ООП и 1111. Повышение содержания азота до 0.4-0.5 вес.* приводит к юзникновении нешшщовских эффектов. т.о. в кристаллах с осью >астяаения [ООП itn быеэ. чем в кристаллах с осью растяжения 11П во всем исследуемом интервала температур Т=77-673 К. Раз-шчие г С1113 и -г [ООП возрастает с увеличением концентрации

азота и с понижением температуры испытания и достигает максимальных значений при См-0.5 вес.ч при Т-77 К.

Физическая причина ориентационной зависимости т_ обусловлена воздействие« поля внешних напряжений на величину^ расцепления д дислокаций а/2<110> на частичные дислокации Шокли а/6<211>. Соответственно, в "мягких" ориентация! <Ш> при растяжении происходит дополнительное к равновесному расцепление за счет взаимодействия" поля внешних напряжений с дислокациями а/6<211 . а в "жестких" <001> - напротив, уменьшение расщепле-

где га~ равновесное значение энергии дефекта упаковки, зависящая от содержания легирующих элементов замещения и концентрации азота. т1( тг- факторы Шмида соответственно для ведущей и ведомой частичных дислокации, б ~ величина напряжения, приложенных к кристаллу-, bj- модуль вектора Бюргерса частичной дислокации Иок-ли а/6<21Ь. показывают, что в "мягких" сриентацшх с атомами внедрения и замещения взаимодействует сильно расщепленная дислокация. упругое взаимодействие которой с центрами дилатацки существенно ослабляется по сравнению с нерасщепленными дислокациями в "жестких" ориентациях. Из данных рис. 1 (а) видно, что г^СОрП/т^С 1111=1.4-1.7 находится в согласии с результатами оценки силы упругого взаимодействия fo с iтомами внедрения и замещения для поощрй и диссоциированной дислокации f3/2(b)/f3/2(b,)-1.5.

О 0 1.

Оценки эффектов твердораствог ного упрочнения' в додели Флеа-шера при О К удовлетворительно описывают экспериментальные . значения ткр для кристаллов "жестких" ориентация. в которых дислокации слабо расщеплены на частичные Шрхли. Для кристаллов "мягких" ориентация, где расщепление дислокаций сильное, получено несоответствие теории Флейшера с экспериментом.

На рис. 2 приведены результаты исследования температурной зависимости <001> кристаллов сталей с низкой уду при растяжении и сжатии. Видно, что в высокоазотистых кристаллах сталей наблюдается явление асимметрии, т.е. т*2с<001> при растяяении всэгда

ГХ■ '

выше т^<001> при сжатии во всем исследуемом температурном- интервале 77-573 К. Слеяссателько.в высокоазотистых монокристаллах аустеншгой нерЕавещей стали с низкой гкр зависят от способа испытания (растяжения/сжатия). При исследовании <111- крис-

/

таплов таете наблюдается явление асимметрии, т.е. т^с<Ш> при растяжении всегда.нижа т£*<Ш> при сжатии. Электрокноыикроско-пичесюши исследованиями показано, что в кристаллах <001 > при

4,1'- О

8,2' - о.*

173 373 573 ПЗ 375 5/3 Т,«

Рис. 2. Асимметрия т^ в сталях с разной . сжатии наблюдается типичная для сплавов с низкой г ¡¡у дислокационная структура (дефекты упаковки, двойники деформация) в отличие от дислокационной структуры в этих на кристаллах' <001> при растяжении.

В кристаллах сталей с высокой г^у при легировании азотом до 0.3 вес. у. ориентационной зависимости и асшшетрки т^ не обнару-хено (рис. 2 6).

Тагаш образом, лепфованив азотом кристаллов сталей с такой энергией дефекта упаковки приводит к появлению ориентационной зависимости и асимметрии а такге ориентационной зави-

ву

синости типа возникаицей дислокационной структуры.

Влвотьеу-ЕЗЗйелэ.гтавн приведены результаты по исследованию закономерностей смены нехашгзга дефг "¡мании от скользения к двойниковаш®. •

В высокоазотистых монокристаллах ((^=0.4-0.7 вес.-/) аусте-1ПГГНОЙ нержавеющей стали с низкой гпу и оркентациях. отвечавших увеличению расщепления дислокаций а/2<110> в поле внешних напряжений. при деформациях в условгах Т<300 К развивается механическое двойникованго. С увеличением концентрации азота степень деформации, при которой появляется механическое двойникование снижается и при С, ,-0.7 вес. кристаллы, гаггенсизно двойзпжуются с предела текучести. При этом существенно ослабляется температурная зависимость г№ (рис 3 6).

В области температур Т<123 К на начальных стадиях лефориа-ции (е<9:0 обнаруживается упругсв двойиикозотаа с эффектами све-рхэластичностя, огвочглзгаш при е«3-5 •/. практически полному вое-

стаиовлвнш) размеров дефорыфоваиных образцов (рис. 3 а.кривые

1-3). Развиты соображения об изменении сшшетрии решетки в ре-&

та

000 600 зао

т эта sn %к

Рис. 3. а. Кривые деформации при сжатии кристаллов стали Х18Ш6П0 с СЫ«Ю.7 вес.*; б. Температурная зависимость ткр при сжатии стали Х18Ш6П0. зультате перехода атомов азота из октаэдрических междоузлий в тетраэдрическиа в дефектах упаковки и микродвойншсах как основной причины их обратимости при разгрузке.

Иэ получанной петли механического гистерезиса сделана оценка дополнительной поверхностной энергии, которая связана с переходи» атомов азота из октаэдрических междоузлий в тетраэдричес-кив.

В кристаллах сталей с высокой^ оценка .¡-^ при CN-0. 7 вес.% в зависимости от ориентации дает заметное различие, так чтов <001 > кристаллах при растякении Гдфф увеличивается, а в <III> кристаллах - уменьшается, что приводит к ориентационной зависимости ткр При этом ткр[0013 при растяжении оказываются выше ткрс1П>. лткр=ткр{000-т [1113 изменяется от 90 МПа при Т-77 К до 50 ЫПа при Т=3001673 К.

Таким образом, высокие концентрации атомов азота приводят к появлению в кристаллах сталей с низкой двойникования с предела текучести и сверхэластичности, в кристаллах сталей с высокой г ¡¡у к ..оявленщ) ориентациокной зависимости гкр.

Здтвевхгя.сдава. Закономерности пластической деформации и разрушение монокристаллов аустенигной нержавеющей стали с азотом.

приводятся экспериментальные результаты по исследованию закономерностей механизма пластической деформации монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с разной Уду в зависимости от ориентации кристаллов и концентрации азота. Деформация осуществлялась растяжением при температурах испытания ~ 77-573 К.

В <Ш > кристаллах сталей с низкой' г ¡¡у легирование азотом Сн«0.4 вес.* приводит к преимущественному развитию деформации в одной системе скольжения, возникновению зуба текучести, понияе-щго коэффициента дефсразцпонного упрочнения (рис.4 а. кривые 2.3). Показано; что вырождение шюзэстсошюго скольтега-я обусловлено изменением характера дислокационной структуры - наблида-ется сильное расщепление дислокаций с широкими.дофектаки упаковки. При С ,-0.5 вес.* закономерности пластического теченга икеот

N

щятципиапышз отличия от тпкогтр очных азотированных кристаллов:

Рис. 4. Кривые течения при растяжении кристаллов стали Х18Ш2М2. деформация происходит с высскш коэффициентом, деформационного упрочнв1ШЯ э. сопровождается звуковыми'Щелчками и пилообразными особенностями на диаграммах (рис. 4 а. кривая' 4). которые отсутствуют в кристаллах други.. ориентация с близким содержанием азота. Исследование дислокационной • руктуры показали, что динает-

20 L 4Q

"sô—1 40

ческие эффекты на кривых течения и резкое увеличение е. снижение пластичности связаны с интенсивный двойниковакиеи.

В (001> кристаллах, легирование азотоы не приводит к изменению вида кривых течения (рис.' 4 6). Пластичность с ростом уровня напряжений уменьшается незначительно. При CN=0.5 вес.% возникает небольшой участок с е близким к кулю, а последующая при £>4* деформация связана с развитием деформации одновременно в нескольких (четырех) системах скольжения, прецессия оси кристалла не меняется, дислокационная структура и коэффициент деформационного упрочнения в с концентрацией азота не меняются. Независимость в в <001> кристаллах от содержания азота связано с подобием дислокационной структуры.

Легирование азотом gn«0-0.7 вес.* кристаллов стали с высокой г ¡¡у не приводил к принципиальному изменению вида кривых течения относительно кристаллов без азота, но наблюдается монотонное увеличение коэффициента деформационного упрочнения и снижение пластичности.

Таким образом, в кристаллах сталей с низкой гЯу легирование азотом приводит к появлению ориентационной зависимости вина кривых течения, коэффициента деформационного упрочнения, механизма деформации, дислокационной структуры. В кристаллах сталей с высокой гЛу легирование азотом не приводит к появлению ориентационной зависимости коэффициента деформационного упрочнения, а лишь понижает пластичность.

Во_втодоы.вазделе_главы приводятся экспериментальные данные по исследованию закономерностей механизма деформации при сжатии монокристаллов аустенигных нержавеющих сталей с разной гДу в зависимости от концентрации азота, температуры испытания и ориентации кристалла.

Обнаружено влияние знака приложенных напряжений при переходе от растяжения к сжатию на механизм деформации в кристаллах одной ориентации. Гак для кристаллов сталей с низкой ? при легировании азотом до С, =0.4-0.5 вес.« обнаружены следующие особенности при сжатии.

При деформации сжатием (001; кристаллы является "мягкими". Пластические'течение до £=8/. происходит с небольшим е; его увеличением при £) 8-/. и развитием линейной стадии упрочнения. При этом значения е близки к найденным при растяжении <111; кристаллов при тех же условиях испытания iконцентрация азота.^ темпера-

тура), хотя характер кривых б(е) при сжатии существенно^ отличен от найденных при растяжении. Исследование дислокационной структуры показало, что в высокоазотистых (CN-0.4-0.5 вес.*, Т-77 К) <001 > кристаллах деформация при сжатии реализуется двойникованй-ем в нескольких системах. Высокая эффективность деформационного упрочнения обусловлена не только каркасным эффектом пересечения двойников нескольких систем . но и переводон атоиов азота из октаэдрическкх междоузлий в тетраэдрическиэ.

При деформации сжатием <111> кристаллы являются "яесткииш". При исследовании закономерностей пластической деформации <III> кристаллов обнаружены некоторые особенности пластического течения. При небольших концентрациях азота CN<0.3 вес.* деформация <1П> кристаллов при сяатш развивалась аналогично установленной для <001 > кристаллов при растяжении. Однако при CN^0.4 вес.-/- н Т-77 К с самого ¡ичала пластического течения наблюдается его неустойчивость - отрицательный коэффициент дсфсрнзцИошгого упрочнения в наблюдается до 17-20-/. Далее течение становится устойчивым. Деформация в <Ш> кристаллах осуществляется только скольяештем, вследствие уменьшения расцепления дислокаций в поле внешшк напряяений. что подтверждается псследовагаотяи дислокаци-огаюй структуры. '

Кристаллы стали с высокой rRy двух српшггат'й без азота при сгатии деформируются аналогично Лишь в кристаллах ориентации <001) стадия I. меньше по продолжительности, чем у кристаллов <Ш>.

. Легирование азотом кристаллов с вы с ж ой до С^-О.З ерс. х

ПРИВОДИТ К ПОВЫЕСНИВ УРОВНЯ СИЛ трзшп. при ЗТС! В <111 > ТфИС-

таллах даже в условиях сгатш при Т=300 К обиаруашаотся неус-тойчгаости пластического течении и деформация протекаэт с отрицательным коэффициентов упрочнения до £-10*. При Т"77 К неустойчивость пласттеского течете внражнз болэо ярко, чем при Т=300 К и деформация протекает с отрицательные о до е-10-15*, после чего развивается с высоки о. Сопоставлэгаэ коэффнцИзнтсз дефер-гацпошгого упрочнетп при снатии кристаплсп с азото"! и без 'него показывает, что дефор'йциошюе упрочнегага 1фпсталлов разных ориентация протекает с близпзл! в при состветствуюпдз тегщзратурах 8_1в§1ьем_р<эзл5лэ_глады прэдставлс:м эксл!?ри:л?нталы1к9 результаты по исследование «„¿канизга разрушения в монокристаллах сталей с разной >-„,, в зависимости от концентрации азота и сриен-

/

тации кристалла.

Показано, что кристаллы <01Ь. <Ш> сталей с низкой гду без азота разрушаются вязко срезом по двум системам скольжения (III). К моменту образования шейки происходит локализация сдвига в двух системах скольженш по которым и происходит срез кристаллов с образованием двойного клина. Специальные рентгеновские исследования показали, что материал в полосах скольжения разори-ентирован относительно матрицы на 6-9° и является 'геометрически разупрочненным",

Легирование азотом CN<0.4 вес.* приводит к увеличению однородного удлинения <01I> кристаллов и появлению на поверхностях разрушен® хрупкой составляющей, поверхностная доля которой при 77 К нарастает с ростом концентрации азота. В высокопрочных состояниях при CN>0.4 вес.* уменьшение пластичности коррелирует с переходом от вязкого к смешанному характеру разрушения - до 50% площади сечения образца составляет квазискол..

В <III> кристаллах при См<0.4 вес.-/, разрушении вязкое, по плоскостям, близким к (III) без образования шейки. В высокопрочных состояниях (Cn-0.4-0.5 вес.-л. Тисп-77 К) разрушение происходит по механизму квазискола. Црещина квазискола распространяется по нескольким эквивалентным плоскостям, близким к (III), образуя характерную зубчатую структур У. на которой вионы выходы следов локализованной деформации. ; ' .:■'

В <001 > кристаллах при 4 вес. % разрушение происходит вязко срезом по плоскостям близким к (III), а при CN=0.5 вес.« на поверхности разрушения появляются элементы хрупкого разрушения. ■ . '

Сцзическая причина обнаруженной ориентационной зависимости механизма разрушения в высокоазотистых (CfJ>0.4-0.5 bgc7jO кристаллах сталей .: низкой связана с ориентационной зависимостью деформационного упрочнения, возникающей дислокационной структуры и механизма деформа'даи. .

Кристаллы <Ш>, <001 > стали с высокой гду без азота разругаются вязко с образованием шейки. В высокопрочных (С =0.7

п

вес.-л) <00Ь . <Ш> кристаллах при Т=77 К уровень напряжений на пределе ть..учести, обусловленный твердорастворным, упрочнением азота оказывается близким к напряжении разрушения. Если в кристаллах без азота для достижения условий разрушения в частности, необходимого уровня напряжений требуется значительная пластичес-

кая деформация - 20%. то в упрочненных азотом кристаллах критический уровень напряжений разрушения достигается при. £-4-0/. и пластичность снижается в 2-4 раза по сравнения с кизкопрочньетг. Разрушение кристаллов происходит без, образования вейки, а йа поверхностях разрушения наблюдаются хрупкие составляющие. •

Таким образом, достижение высокопрочного состояния в результате легирования азотом в аустеюггных^ ¡юрпвсвдих сталях независимо от энергии дефекта упаковки и ориентации кристаллз приводит к разввигип хрупкого-разрушения.

" ВЫВОДЫ

IIa основании проведешшх в работе исследований сделаны следующие выводы:

1. Легирование азотом сталей независимо от величины гау. ориен-. тации кристаллов и знака приложенных налрягвний приводит к усилению зависимости т^СТ). концентрациошгая зависимость терничес-

кг-актизнруемой т_ и атернпческой т„ компонент напряжений опксы-

s 1

вается теорией ФлеПшера т^-С^ . Зависмость т^. энтальпии и объема активации от температуры иепыташта," концентрации азота, степени деформации свидетельствует о ториическн-актпвируейой природе взаимодействия скользящих дислокаций с атомами внедро-ния. л ..

2. Впервые показано, что в монокристаллах аустетгпшх нерязввв-qrtx сталей с энергией дефекта упаковки ray~Q.02-0.2 Дд/.'/боз азота т^СП не зависят от ориентации кристалла, знает прилотен-ных лапряяещЯ при Т=77-773 К. Оркентационнзя зависимость и аси-ккэтрна TJcp определяются величиной содержанием азота, температурой испытания. В кристаллах с низкой ^-0.02 Дз/ы2 сбга-руготго два типа оркэнтационной зависимости и асимметрии: а) связанный с взаимодействием с атомам! внедрения расщепленных внеа-шгш напряжениями дислокаций в кристаллах "мягких" ориентация (растяжение <111 >. сжатиэ <001 >) и полных а/2 <110> дислокаций в кристаллах "жестких" ориентация (растягениэ <00Ь . схатпэ <IГI >) при CtJ'-0.5 вес.»: б) обусловленный сиеной механизма деформации от скользшша к двойниксакию при CN?0.6 вес.» пргг изменении ориентации кристаллов или вида ¡г,"сужения от растязгения к сга-тюэ.

3. Повышение энергии дефекта упакетхи г в аустенитных нержаве-

ющих сталях до 0.2 Дх/i^ приводит к увеличению критических концентраций азота, при которых появляются нешыидовские явления.

4. В высокоазотистых (Сы«0.4-0.5 вес.«) монокристаллах аустенит-ной нержавеющей стали с низкой • гду и ориентациях. отвечающих увеличению расщепления дислокаций а/2 <П0> в поле внешних напряжений при Т<300 К развивается механическое двойникование. Е области температур деформации Т<123 К на начальных стадиях деформации (е<9к) обнаруживается упругое двойникование с эффектами сверхэластичности, отвечающими при е <3-5% практически полному востановлени» размеров деформированных образцов.

5. Установлена зависимость типа формирующейся при деформацю дислокационной структуры от ориентации и знака приложенных нал-ряжений кристаллов исследуемых сталей с низкой *-ду. В кристалла] (III> при растяжении и <001> при сжатии низкие значения связаны с развитием плоских скоплений расщепленных дислокаций, дефектов упаковки и двойников, тогда как в кристаллах с высоким

значениями т,_ расщепления полных дислокаций а/2<110> на частично

ные Шоклн а/6<112> не наблюдается.

6. Твердорастворное упрочнение азотом монокристаллов сталей < низкой энергией дефекта упаковки гду~0.02 Дж/м1- приводит к ори ентационкой зависимости стадийности кривых течения, обусловлен ных ориентационной зависимостью типа возникающей дислокационно] ■структуры и механизма деформации. В -<001 > кристаллах сохранени множественности сдвига нерасщепленными дислокациями и сохранепи' подобия дислокационной структуры при CN=0.2-0.5 вес.-/, определяв' слабую зависимость в от содержания азота и температуры испыта кия. В <Ш> кристаллах при С «0.4 вес.-/- ориентировашдя дл множественного скольжения, высокий уровень сил трения и подав ление поперечного скольжения приводит к скольжешсо расщеплении ■дислокация в опной системе скольжения. Сиена механизма дефораа щш от скольжения к двойшжовании при С, £0.5 вес.-/- и развити

14

двойниковашя одногременно в нескольких системах приводит к вы соким- значениям в из-за каркасного эффекта упрочнения от двойни ковых границ.

7. Легирование азотом кристаллов аустенитных нержавеющих стали приводит к развитию неустойчивостей пластического течения и лс кализации деформации. Упрочнение азотом (С -0.2-0.5 вес.-О крк сталлов <Ш>, .(001 > ориентированных для множественного скольжь ния связано.с появлением неустойчивости пластического течеш

на ранних стадиях деформации £<5-10-/. В высокопрочных состояниях (С^Ю.5-0.7 вес.-/ ) неустойчивости пластического течения наблюдаются на ранних стадиях деформации £<1-3*. 3. Показано, что механизм разрушения и величина однородного удлинения (пластичность) определяются уровней дофорюрущих напряжений Tj^, концентрацией азота CN, величиной эноргии дефекта упаковки и механизмом деформации скользешгец или двойнихозанкеа. В кристаллах без азота разрушение происходит срезоа по какроско-пическиу полосам сдвига во всем интервала T-77-S73 К независто от ориентации кристалла <III>, <001>. При достижении высокопрочного состояния" за счет легирования азстоа до CN> 0.5 вес. •/. и по-гс^ешя теипературы испытания обнаруживаются новые особенности разрушения: сближение продела текучести 6Q j и-иапрязекня разрушена, укеньгагнио пластичности, появление хрупкого разрупоша сколом по плоскостям Ш1>. Хрупкое разрупенпо кристаллов <Ш>,. <011 > с низкой и высоким содеряшптсм азота связано с измена-¡пгс.ч иехагасиз деФоргации от скольяешгя к дзегашковашзз, при этом зароядешга трепцш происходит на пероссчипетх, а iя распространите - по границам двойников.

9. Дсстишпю высокопрочного состояния при легпрсватш азотоя См?0.5-0.7 вое.-/ и Т<123 К прхтводиг. независимо от величии эно--ргип дефекта упаковки гду=0.02-0.2 Дл/ri2 и ориентации кр^стал-лсв, к хрушсс!,г/ разрусенгл и снижению плзстнчности. Рредполозе-ло. что езяик*!, фзеторо'» гошюнкя иохшшзнз разрушошя и перо-ход "зфулкссть-епзкость" сизаш! с достшгшгсп сисокопрочкого cocrcairnn и' подавлением прсцссссз рэг. -жеации папрязешл при Т<Т^, локагашцпой дсфергацлц о шкрсполосы сдвига и двойщегп депортации.

Основные результаты диссертации опубликованы s следующих работах;

1. Чуппшсов Ю.И.. Кирсева И.В., Ксрстаев А. Д. Пластпчоскал деформация конокристалдов аустегаггнсй норглвестей стали, упрочнен-ней аз от см. 1, Оркентацпошгая я ттнратуркэя зависимость гфоти-чэских скалывающих напряжений // i!!M.- 19Э2,- 13 Л,- с: 153-160.

2. Чу^таков О.И., Киреева И.В.. Ксротаев А.Д., /Шарова Л.С. Пластическая деформация кон^крксталлоз аустонагноа нерзавеюпей стали. упрочненной азоте«. 2. Ортантацлетшая зависимость коэффициента деформационного упрочкенга // <ШМ,- 1393.- Т.75.- Еда. 2,-с. 150-157,

3. Чуиляков Ю.И.. Киреева И.Б.. Коротаев 4.Д.. Апарова Л.С. Пластическая деформация нонокристаллов аустекитной нержавеющей стали. упрочненной азотом // Высокоазотистые стали. Труды 2-ой Всес. конф.. Киев.- Украина,- 1992.- с. 1-6.

4. Chumlyakov Yu.I.. Kireyeva I.V.. Korotayev A.O.. Aparova L.S. Plastic deformation in austenltlc stairless steel single crystals with high nitrogen content // High nitrogen steels. Proc. of the 3 Inter. Conf.. Kiev. Ukraine. September 14-16 1993,- Kiev.- 1993,- Part 1,- pp. 215-220.

5. Chumlyakov Yu.I.. Klreeva I.V.. Ivanova O.V..Korotaev A.D. Superelastlclty In an austenltlc stainless steel single crystal: with the high nitrogen content // Shape memory materials 94. Proc. of the Inter. "Symposium on shape mtmory materials. September 25-28. Beijing. China- Beijing.- 1994.- pp 511-514.

6. Киреева И. В.. Чумня^ Ю. И., Коротаев А. Д. и др. Закономерности пластического течения и разрушения высокопрочных монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей с азотом // V Всес. сов. "Структура и свойства немагнитных сталей". Тез. докл.- II-IE шрта 1991. - Свердловск, - 1991,- с. 29.

7. Чуиляков Ю.И.. Киреева И.В., Коротаев А.Д.. Апарова Л.С. Пластическая деформация монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей. упрочненных азотом // Высокоазотистые стали. Тез. докл. 2-ой Всес. конф. Киев. 21-23 апреля 1992..- Киов,- 1992,- с. 8-9.

8. Чушшков' ¡0. И.. Коротаев А.Д.. Киреева И. В. и др. Низкоэнергетические дислокационные структуры при пластической дефориаци монокристаллов аустешгтной нержавеющей стали с различной подвижностью индивидуальной дислокации // Эволюция дефектных структл в металлах и сплавах-/' I Мэждунар. семинар, Барнаул. 8-12 сентя бря 1992.- Барнаул.- 1992,- с. 119-120.

О