УДК 621.039.53: 620.179.118 (075)
ИССЛЕДОВАНИЕ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ УПРОЧНЕНИИ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ КОНТАКТНОЙ ПОТЕНЦИОМЕТРИИ
Баранов М.И, Гаптрахманов Р.Р., Константинов И.П., Сурин В.И.
При испытаниях на растяжение аустенитной стали in situ исследован процесс образования мартенситной фазы методом сканирующей контактной потенциометрии (СКП). Образец из стали ЭИ847 был испытан на растяжение при комнатной температуре в широком интервале нагрузок (50-650 МПа) в течение нескольких недель с интервалами от одного до пяти дней, в течение которых образец находился в ненагруженном состоянии. Обнаружены три стадии формирования мартенситной фазы. Построены и проанализированы потенциограммы в интервале напряжений от 150 до 650 МПа.
Впервые процесс образования мартенситной фазы в аустенитной стали 12Х18Н10Т был исследован методом СКП и дифракции тепловых нейтронов в работах [1,2].
Методика проведения эксперимента на растяжение стали ЭИ847, аппаратура исследования и методы обработки результатов подробно описаны в работах [3-6].
В докладе представлены результаты исследования стадий формирования мартенситной фазы в аустенитной стали ЭИ847 на уровне фиксации S=2,523.
Первая стадия соответствует интервалу напряжений 150-375 МПа (рисунок 1). Данной стадии предшествовала процедура начального упрочнения, которая была связана с нагружением образца по прямоугольному профилю и полной разгрузкой перед выходом на более высокий уровень нагрузки. Кроме этого интервалу нагрузок 150-375 МПа предшествовали два периода старения в течение одной недели каждый, после цикла испытаний при нагрузках 12-40 МПа и 46-150 МПа соответственно.
Первые признаки мартенсита деформации появляются уже при напряжении 150 МПа на уровне фиксации SLS=2,456 и 2,523. При этой нагрузке шестиугольные концентрические рефлексы заполняют поле потенциограммы практически однородно. Амплитуда регистрируемого сигнала имеет достаточно высокое значение. Поскольку данная нагрузка соответствует упругой деформации, скольжение дислокаций начинается в отдельных зернах по первичным системам скольжения, которые предпочтительно ориентированы относительно направления нагрузки. Таким образом, уже на этой стадии запускается механизм деформационного упрочнения, приводящий к возникновению в отдельных зернах достаточного по величине напряжения для начала образования мартенсита деформации.
При напряжении 150 МПа на потенциограмме видны рефлексы в виде правильных шестиугольников, большая диагональ которых ориентирована в направлении действующего напряжения (суперпозиция нормального и касательного напряжений). В центре шестиугольников располагается область высокой деформации (синий цвет), которую окружает область с меньшим значением деформации (салатовый цвет). Процесс образования смешанной (негомогенной) деформации носит эстафетный характер. В соседнюю область деформационные сдвиги проникают через границу двух областей. На потенциограммах (рисунок 1) участки с образующимся мартенситом деформации окрашены в салатовый цвет.
Когда шестиугольников на потенциограмме становится много, происходит их объединение в полосы (начало уже при 170 МПа). При дальнейшем увеличении нагрузки продолжается рост числа шестиугольников, а также их объединение в полосы (180 МПа).
Сформированная полосовая структура мартенсита особенно заметна при напряжении 190 МПа. Полосы ориентированы под углом 45 градусов относительно направления приложенной нагрузки. Механизм образования пластической деформации и мартенситной фазы тесно взаимосвязаны, что отмечается в работе [7]. Мартенситное превращение происходит под действием упругой деформации. Зародышами мартенсита служат области дислокационных ядер, в которых значение механических напряжений близко к теоретическому пределу прочности. Мартенситное превращение чувствительно к изменению внешнего напряжения: резкое изменение нагрузки в сторону повышения или ее уменьшения может остановить данный процесс, привести к распаду образующейся структуры, что и представлено на рисунке 1 при напряжении 200 МПа.
Другие стадии формирования мартенсита деформации наблюдаются при более высокой нагрузке от 420 МПа до разрушения образца при напряжении 630 МПа.
Рисунок 1 – Потенциограммы, полученные при растяжении стали ЭИ847 на уровне фиксации SLS=2,523 в интервале напряжений 150-375 МПа
На языке Python была написана программа, позволяющая определить процентное соотношение различных фаз (цветов) на потенциограмме (рисунок 2).
Рисунок 2 – Процентное содержание структурных фаз в стали ЭИ847 при растяжении в зависимости от напряжения (А – аустенитная и М – мартенситная фазы)
Из рисунка 2 видно, что изменение процентного соотношения различных фаз носит некоторый периодический характер, что может представлять научный интерес для дальнейшего исследования этого явления.
Данная работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований и выделенным грантом по договору №19-08-00266/20 от 10.01.2019.
Список литературы
1. Абу Газал А.А., Сурин В.И., Бокучава Г.Д., Папушкин И.В. Исследование структурных превращений в сталях с помощью методов сканирующей контактной потенциометрии и дифракции тепловых нейтронов// VII Международная научная школа-конференция (Современные проблемы физики и технологии). Тезисы докладов, ч.2. – М.: НИЯУ МИФИ, 2018. c.179-180.
2. Abu Ghazal A.A., Bokuchava G.D., Papushkin I.V., Surin V.I., Shef E.A. The application of scanning contact potentiometry method and diffraction of thermal neutrons at physico-mechanical tests of materials// KnE Engineering, XIII International Youth Scientific and Practical Conference "FUTURE OF ATOMIC ENERGY - AtomFuture 2017" – Materials of innovative energy.– Dubai, UAE, 2018 («Knowlegde E»), pp. 109-126 (https://knepublishing.com/index.php/KnE-Engineering/article/view/1611/3814).
3. Сурин В.И., Польский В.И., Осинцев А.В., Джумаев П.С. Применение метода сканирующей контактной потенциометрии для регистрации образования зародышевой трещины в сталях/ Дефектоскопия, №1, 2019, с. 53-60.
4. Абу Газал А.А., Джумаев П.С., Осинцев А.В., Польский В.И., Сурин В.И. Экспериментальное исследование процесса разрушения стали ЭИ847 методами структурного анализа// Письма о материалах, 2019, выпуск 1, №9, с. 33-38.
5. Алвахеба А.И., Сурин В.И., Иванова Т.Е., Иванов О.В., Бекетов В.Г., Беленок С.К. Результаты обнаружения структурных неоднородностей в сварных соединениях электрофизическим методом в условиях воздействия внешних факторов/ Информационные технологии в проектировании и производстве, М.: ФГУП ВИМИ, выпуск № 1, 2020.
6. Alwaheba A.I., Surin V.I., Ivanova T.E., Ivanov O.V., Beketov V.G., Goshkoderov V.A. Detection of defects in welded joint by scanning contact potentiometry/ Nondestructive Testing and Evaluation, 2020.
7. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. М.: МИСИС, 1997.
