Материаловедческие основы прогнозирования структурной эволюции стали при импульсном термосиловом воздействии (13.04.2009)

Автор: Варавка Валерий Николаевич

Учитывая все это, в работе выявлена взаимосвязь между структурной наследственностью в стали и активацией неравновесных ВДВ, которую априори можно сформулировать в виде условий, сопровождающих явление наследования и одновременно обеспечивающих действие ВДВ:

проявление наследственности гарантирует существование в стали постоянных источников вакансий – границ зерен, то есть при наследовании обеспечивается база для ВДВ в виде вакансионных потоков;

быстрый нагрев и охлаждение, при которых происходит наследование, обеспечивают существование необходимых для неравновесных ВДВ градиентов температуры, инициирующих в свою очередь вакансионные потоки;

наследование происходит в предварительно закаленной стали с высокой плотностью дислокаций, то есть для вакансионных потоков в этом случае обеспечивается достаточное количество стоков для локализации неравновесных ВДВ в наноразмерном масштабе.

В этой части работы также рассмотрены данные металлографии сталей различного состава после импульсной лазерной обработки. Стали были представлены полным спектром исходных структур: как равновесных (перлит пластинчатый и зернистый, феррит с перлитом, сорбит), так и неравновесных (мартенсит, мартенсит отпуска, мартенсит с карбидами). Зону лазерной обработки характеризует то, что морфология структуры металлографически не идентифицируется и поверхностный слой на снимках выглядит светлой нетравящейся зоной. Подобные структуры могут быть отнесены к единому типу. Иногда его именуют «белый слой» (БС). Он обладает аномальным уровнем твердости в зоне лазерной закалки. Причем, эффект упрочнения в БС оказывается примерно одного уровня, вне зависимости от марки стали и ее исходной структуры (см. таблицу 1).

Таблица 1 - Сравнительная микротвердость сталей после объемной и лазерной термообработки

Марка стали Микротвердость, ГПа

Лазерная закалка Объемная закалка и отпуск по стандартному режиму Эффект упрочнения, %

38ХН3МФ 7,5 – 8,5 5,9 – 6,2* 21 – 44

У8А 8,9 - 9,5 7,4 - 7,6 17 – 28

У10А 9,2 - 9,7 7,5 - 7,8 18 – 29

У12А 9,0- 9,4 7,6 - 7,8 15 – 24

ШХ15 9,5 – 10,3 7,8 – 8,0 19 – 32

ХВГ 9,8 - 11,5 8,1 - 8,4 17 – 42

Х12М 9,5 - 11,0 7,8 - 8,0 19 – 28

Р6М5 9,8 - 12,0 7,5 - 7,8 26 - 60

* - после закалки проводили низкий отпуск

Строение и свойства БС были объяснены в ранее опубликованных работах Кудрякова О.В., исходя из влияния неравновесных ВДВ на механизм (((–превращения.

Далее в работе анализируется подборка фрагментированных структур, полученных в зонах лазерной обработки (ЛО). Часть из них соответствует высокому перегреву стали при ЛО до температур, близких к солидусу. Другие же из них формируются при ЛО без перегрева с последующим дополнительным отпуском. Результат один – фрагментированная структура. Фрагменты представляет собой ячеистые дислокационные формирования. То есть в том и в другом случае происходит релаксационная перегруппировка дислокаций, причиной которой служат внутренние напряжения в слое лазерной закалки. О деформационных причинах релаксации говорит часто наблюдавшееся появление полос скольжения после отпуска.

Для объяснения причин появление фрагментированной структуры в процессе лазерной закалки предложен следующий механизм. При сверхвысоких скоростях охлаждения (более 104 (С/с) происходит экспериментально установленное повышение точки мартенситного превращения МН. Учитывая существенное замедление охлаждения в области низких температур (как раз ниже МН) при ЛО, вероятность самоотпуска становится весьма обоснованной. Тогда фрагментация, как отпускной релаксационный процесс, может происходить на последней стадии охлаждения ЛО. То, что фрагментация в этом случае связана с перегревом, можно объяснить большим объемом расширения слоя лазерной закалки и высокими напряжениями при охлаждении, которые и инициируют релаксационный процесс в дислокационной структуре (аналог полигонизации). Таким образом, для получения фрагментированных структур необходимо повышение точки МН, которое как раз и наблюдается при феноменологическом фазовом переходе по механизму неравновесных ВДВ.

Представленные в главе 3 данные объединены тем, что основные физические механизмы формирования неравновесных структур стали имеют единую природу и лежат на субструктурном уровне. На это указывают общие моменты в структурах разных сталей и разного исходного состояния, но возникающие в одинаково неравновесных условиях внешнего воздействия КПЭ: «белые слои», наследственность, уровень микротвердости, явления фрагментации.

Для более конкретных выводов необходимо было проведение более тонких исследований неравновесных структур стали, чем металлография, но не допускающих релаксационных явлений и структурных изменений при подготовке образцов, как при ПЭМ. Поэтому в главах 4-6 диссертационной работы широко представлены данные растровой (сканирующей) электронной микроскопии (РЭМ) по изучению неравновесного структурообразования при лазерной обработке в различных сплавах, каждый из которых выбран в качестве модельного для исследования тех или иных процессов, участвующих в формировании структур стали: фазовых переходов в матрице, влияния примесей внедрения в твердом растворе матрицы, влияния легирования (элементами замещения) и карбидообразования, локальной пластической деформации, механизмов упрочнения и др.

В четвертой главе исследовалось техническое железо после импульсной лазерной обработки. Оно представляет собой практически чистый компонент с фазовыми превращениями, на котором удобно наблюдать результаты гипернеравновесных фазовых переходов в металлической матрице при сверхскоростном нагреве и охлаждении, а также на подобных однофазных сплавах целесообразно исследовать деформационные эффекты обработки.

4.1. В образцах технического железа вокруг включений цементита третичного, расположенных случайным образом на границе зон фазовых превращений после ЛО и исходной структуры, зафиксирован диффузионный фронт растворения цементита. На основе решения уравнения одномерной диффузии второго закона Фика для постоянного диффузионного источника (цементит) на поверхности полубесконечного объема (феррит, а с температуры 800-900(С ( аустенит) проведен расчет кинетики растворения цементита на основе равновесной и неравновесной модели. Он показал, что фронт мог продвинуться на фиксируемое расстояние только в том случае, если диффузия углерода от границы включения цементита проходила одновременно по двум механизмам ( межузельному и вакансионному. Последний характерен для неравновесных условий нагрева, в т.ч. лазерного, когда от некогерентной границы включения цементита возникает поток избыточных вакансий (составляющая ВДВ), который «ускоряет» диффузию углерода.

Геометрия фронта указывает на его чисто диффузионный характер, поэтому неравновесность расчетной модели, задавали аддитивным взаимодействием диффузионных потоков – атомов углерода и вакансий. В этом случае концентрация углерода на расстоянии наблюдаемого фронта достигает приемлемых значений (>0,1%С) за время, сравнимое со временем облучения. В рамках равновесной модели на это необходимо время на два порядка большее. Таким образом, в этой части работы показано, что в потоке избыточных вакансий диффузия углерода усиливается и что экспериментальные наблюдения допускают существование неравновесных ВДВ в области некогерентных границ (Fe(-Fe3C).

4.2. Примечательным явлением, зафиксированным в зоне термического влияния лазерной обработки армко-железа является зернограничное проскальзывание (ЗГП). Характерные элементы этого механизма высокотемпературной деформации широко представлены в диссертации в виде РЭМ-изображений: зернограничные ступеньки, узкие области приграничной деформации (зоны аккомодации), разворот зерен, исчезновение линий границ зерен. Температура прогрева этой зоны не достаточна для фазовых превращений и структура представляет собой исходный равновесный феррит, но при деформационных воздействиях со стороны лазерного пятна температура оказывается достаточной для протекания ЗГП. Из многочисленных исследований по сверхпластичности известно, что процессы ЗГП проходят с активным участием избыточных вакансий и являются разновидностью ВДВ, включающих взаимодействие решеточных дислокаций (в объеме зерна), зернограничных дислокаций и вакансий (как диффузии вакансий в границе, так и вакансионных потоков между границей и объемом зерна).

По полученным РЭМ-данным в работе проведен расчет величины общей пластической деформации (общ., которая в зоне термического влияния ЛО армко-железа проходит по механизму ЗГП (характерные структурные признаки других механизмов деформации - линии скольжения, полосы деформации, полосы сброса или перегиба, клиновидные складки, двойники, фасетированные или мигрирующие границы, рекристаллизован-ные зерна - здесь не обнаруживаются), то есть (общ.((згп Расчет проводился на основе прямых измерений ортогональных компонент вектора смещений зернограничных ступенек и зон аккомодации. Разброс полученных значений (згп составил 1,2(5,9 %. Таким образом, величина пластической деформации в зоне импульсного лазерного облучения не превышает 5(6 %.

4.3. С помощью РЭМ-исследований армко-железа в зонах лазерного воздействия выявлено структурное многообразие, обусловленное неравновесными условиями обработки и неоднородностью теплового источника. В рамках рассматриваемых задач наибольший интерес представляют два структурных состояния, зафиксированных в светлой нетравящейся зоне:

1) область с нетривиальной сдвиговой морфологией микрорельефа, состоящая из вытянутых блоков (фрагментов) с поперечным размером 200(400 нм и отношением длины к поперечнику 3(6, в которой наблюдается одинаковая направленность больших групп таких блоков; подобная морфология тонкой структуры (–фазы полностью соответствует феноменологическому гипернеравновесному механизму образования мартенсита, инициированному вакансионным потоком при неравновесных ВДВ и протекающему с образованием квазидиполей и частичных дислокаций а/18(112(А;

2) мелкофрагментированная область с наличием мелких пор (размером менее 0,5 мкм), что можно квалифицировать, как вакансионную пористость, причиной которой является слияние избыточных вакансий (не дошедших до стоков при ВДВ), часто наблюдаемое при обработке металлов, основанной на термоударе и облучении; фрагментация в этой зоне – результат локализации процесса неравновесных ВДВ в виде дислокационной субструктуры, образованной при конфигурационном слиянии и релаксационной перестройке квазидиполей.

Для обоих структурных состояний является отсутствие высокоугловых границ.

Итак, все обнаруженные и исследованные в главе 4 нетривиальные процессы пластической деформации, ускорения диффузии, а также структурные особенности различных зон армко-железа, полученных при лазерной обработке, находят своё объяснение с точки зрения протекания неравновесных ВДВ.

В пятой главе оптическими и РЭМ методами исследовалась низкоотпущенная углеродистая сталь У10А после импульсной лазерной обработки. Она была выбрана в качестве модельного материала с целью изучения влияния углерода, находящегося в твердом растворе, на закономерности неравновесного структурообразования, выявленные в армко-железе (глава 4).

РЭМ исследованиями выявлена различная морфология мартенсита стали У10А в разных зонах лазерного пятна (в центральной, периферийной, переходной, а также в зонах по берегам трещин). Проведено стереологическое компьютерное исследование морфологии мартенсита с использованием ПО «Система КОИ», которое показало следующие основные результаты:

Мартенсит во всех зонах отличается размерами кристаллов (как максимальными, так и усредненными), а также их количеством на единице площади. Например, усредненная длина кристаллов мартенсита изменяется в выявленных зонах следующим образом: 0,4…0,6 мкм в периферийной («белой») зоне пятна ? 0,95…1,0 мкм в центральной зоне пятна ? 1,6…1,7 мкм в переходной зоне.

Полученные при стереологическом анализе гистограмммы длины кристаллов мартенсита имеют дублет (twin-peaks) для мартенсита центральной зоны лазерного пятна и периферийной («белой») зоны – рисунок 1. Это свидетельствует о наличии в каждой зоне более чем одной размерной группы кристаллов мартенсита, а следовательно, протекания

мартенситного превращения в этих зонах по двум механизмам – с расщеплением дислокаций (по феноменологическому механизму в результате неравновесных ВДВ) и без расщепления (по классичес-кому механизму). При этом в «белой» зоне доминирует первый, а в центральной – второй механизм.

По результатам исследований участие углерода в неравновесных фазовых переходах и структурообразовании можно охарактеризовать следующими особенностями.

Рис. 1. Окно программы «Система КОИ» с данными стереологического анализа мартенсита в центральной зоне лазерного пятна

Расчетным путем установлено, что в областях с мощными температурными градиентами ((106 град/м) и градиентами напряжений аномальная диффузия углерода, обусловленная аддитивным действием сопутствующего вакансионного потока, даже за время, соизмеримое с лазерным импульсом, может приводить к формированию объемов, существенно отличающихся концентрацией углерода. При охлаждении это приводит к различному уровню точки МН в этих областях, а, следовательно, и к различной кинетике мартенситного превращения и морфологии мартенсита. При низкой МН автокаталитический характер зарождения мартенсита выражен более ярко из-за более высокой степени наклепа сильно переохлажденного аустенита.


загрузка...