Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением
Методом интенсивной пластической деформации сдвига под давлением получены поверхностные нанокристаллические структуры в аустените высокоазотистой стали. Исследованы структурно-кинетические процессы формирования и стабильности поверхностных нанокристаллических структур. Surface nanocrystalline struct...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2005 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2005
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70169 |
| 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: | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением / В.Н. Варюхин, Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 4. — С. 37-44. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860015989355184128 |
|---|---|
| author | Варюхин, В.Н. Белоусов, Н.Н. |
| author_facet | Варюхин, В.Н. Белоусов, Н.Н. |
| citation_txt | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением / В.Н. Варюхин, Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 4. — С. 37-44. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Методом интенсивной пластической деформации сдвига под давлением получены поверхностные нанокристаллические структуры в аустените высокоазотистой стали. Исследованы структурно-кинетические процессы формирования и стабильности поверхностных нанокристаллических структур.
Surface nanocrystalline structures in austenitic high-nitrogen steels have been produced by severe plastic deformation. Structure formation kinetics and thermal stability of such structures have been investigated.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:45:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
37
PACS: 62.20.Fe, 81.40.Vw
В.Н. Варюхин, Н.Н. Белоусов
СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
СТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ КОНТРОЛИРОВАННЫМ СДВИГОМ
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 25 июля 2005 года
Методом интенсивной пластической деформации сдвига под давлением получены
поверхностные нанокристаллические структуры в аустените высокоазотистой
стали. Исследованы структурно-кинетические процессы формирования и ста-
бильности поверхностных нанокристаллических структур.
Введение
Формирование поверхностных структур, устойчивых к действию пре-
дельных напряжений, является необходимым условием поверхностного уп-
рочнения материалов и сплавов, способных работать в экстремальных усло-
виях эксплуатации [1,2]. Особенно актуальна проблема, связанная как с изу-
чением условий получения, так и с исследованием структурно-кинетических
изменений в поверхностных структурах. Наиболее перспективным направ-
лением в этой проблеме является разработка in situ технологии сдвига под
давлением для контролированного получения поверхностных нанокристал-
лических структур в условиях интенсивной пластической деформации. Суть
данной технологии заключается в непрерывной регистрации внешних струк-
туроформирующих параметров и внутренних структурно-кинетических из-
менений в поверхностном слое, а также в нахождении функциональной за-
висимости между ними.
Цель работы: получение поверхностных нанокристаллических структур в
условиях интенсивной пластической деформации сдвига под давлением и in
situ исследование процессов их формирования.
Эксперимент
Основы объемного сдвига под давлением и триботехнологии изложены в
[3,4]. Для осуществления in situ технологии получения поверхностных нано-
структурных состояний при сдвиге под давлением разработана и изготовлена
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
38
универсальная структурно-деформационная камера. Она позволяет: а) де-
формировать образец непосредственно в устройствах структурно-
деформационного комплекса с компьютерной записью кривых деформации;
б) контролировать процесс структурообразования резистометрическим и
акустическим методами; в) непосредственно следить за этапами формирова-
ния нанокристаллических структур методами рентгеноструктурного анализа
(XRD), включая малоугловое рассеяние (SAXS) на усовершенствованном
компьютеризированном дифрактометре ДРОН-3 в Kα1 Fe-излучении.
Физико-механические свойства поверхности исследовали методами кине-
тического микроиндентирования и динамической склерометрии на струк-
турно-деформационном комплексе, собранном на базе стандартных разрыв-
ных машин АЛА-ТОО (ИМАШ20−75) и 2167Р-50 с непрерывной компью-
терной регистрацией структуроформирующих параметров. Точность изме-
рения силы 10−4 N, глубины внедрения индентора − 10−4 mm. Скорость при
деформации кручения варьировалась в пределах 0.01−1 rad/s; скорость де-
формации сжатия была постоянной и равнялась 10−3 s−1. Использовали об-
разцы в виде дисков (диаметр образцов 5−10 mm, толщина 0.5−5 mm), кото-
рые вначале подвергали одноосному сжатию, затем − пластической дефор-
мации кручения с заданной скоростью. Устанавливали зависимость угла по-
ворота φ от величины крутящего момента М для различных значений на-
пряжения сжатия. Из моментов вращения рассчитывали напряжение сдвига
и оценивали коэффициент трения контактирующих поверхностей. Акусти-
ческую эмиссию и электросопротивление измеряли непосредственно в про-
цессе поверхностной пластической деформации.
Для осуществления интенсивной поверхностной деформации использова-
ли наковальни [3] в виде усеченных конусов из металлокерамического твер-
дого сплава ВК-6. Основным материалом исследования выбрана высокоазо-
тистая сталь одинакового химического состава, но с различным содержани-
ем азота CN = 0.06−0.6% как наиболее перспективная в экономическом пла-
не вследствие возможности замены дефицитного никеля азотом.
Результаты и обсуждение
Получены поверхностные субмикро- и нанокристаллические структуры в
высокоазотистой стали при интенсивной поверхностной деформации круче-
ния под давлением. Результаты механических исследований (рис. 1) показа-
ли, что кривая зависимости напряжения сдвига от величины поверхностной
деформации кручения имеет достаточно сложный характер.
Предварительные исследования показали отсутствие проскальзывания
между поверхностью образца и наковальней при выбранных сжимающих
напряжениях. Обработка кривых выявила стадийность пластической дефор-
мации и структурообразования. Можно выделить стадии: упругого взаимо-
действия; локальной пластической деформации поверхности, сопровождае-
мой динамической рекристаллизацией и фрагментацией деформированных
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
39
зерен; поверхностного структурно-
фазового и дисперсионного упроч-
нения (в зависимости от концентра-
ции примеси азота).
Обнаружено, что в условиях по-
верхностной деформации происходит
немонотонное изменение уширения
и интенсивности рентгеновских ли-
ний. Для стали с минимальной кон-
центрацией азота (CN = 0.06%) в
данных условиях деформации под
давлением в поверхностном слое
обнаружены вторичные структуры
деформации, связанные с дестаби-
лизацией аустенита и образованием
мартенситной фазы (рис. 2,а). Сле-
дует отметить, что подобные структуры не наблюдаются при деформации объ-
емных (массивных) образцов данной стали, что, вероятно, является проявлени-
ем размерного эффекта. Прекращение деформации кручения сопровождалось:
1) релаксацией напряжений; 2) исчезновением акустической эмиссии; 3) стаби-
лизацией электросопротивления; 4) структурно-фазовым упрочнением.
При давлении, превышающем 1 GPa, дополнительная деформация сдвига
приводила к заметному увеличению фона и величины диффузного рассеяния.
Количественная обработка профилей дифракционных линий в области
больших углов отражения с использованием независимых и взаимодопол-
няющих методов: аппроксимации (с построением графика Холла), момен-
тов, Уоррена−Авербаха, фурье-анализа – показала наличие наноразмерных
а б
Рис. 2. Образование мартенсита в аустените (CN = 0.06%) (а) и выпадение дисперс-
ных нитридных фаз (CN = 0.57%) (б) в условиях поверхностной пластической де-
формации при кручении на угол φ, rad: 1 − 1, 2 − 10, 3 − 100; P = 600 MPa, dφ/dt =
= 0.01 rad/s
Рис. 1. Зависимость напряжения сдвига от
угла поворота наковален при постоянной
скорости кручения (dφ/dt = 0.01 rad/s) и
различных давлениях P, MPa: 1 − 100, 2 −
600
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
40
полидисперсных блоков мозаики в
поверхностной структуре деформа-
ции (рис. 3). Эти блоки размерами
порядка 40−120 nm занимают более
50% от общего количества струк-
турных элементов (определялось по
отношению площадей дифракцион-
ного максимума и диффузного фона).
Обработка угловых зависимостей
интенсивности при малоугловом
рассеянии (на примере стали с CN =
= 0.3%) методом касательных в ко-
ординатах lnI(Θ)−Θ2 (в диапазоне
углов Θ ≤ λ/2πRΘ) позволила опре-
делить размеры неоднородностей
(по радиусу инерции RΘ), их распределение и угловую разориентацию. Дву-
мя методами XRD и SAXS подтверждено, что структура поверхности явля-
ется полидисперсной. Кроме того, обнаружена разориентация блоков мозаи-
ки в большом диапазоне углов (от 8′ до 5° в зависимости от условий дефор-
мации). Экспериментально установлено, что повышение давления (нор-
мальные напряжения) способствует формированию мелкоблочной структу-
ры со значительным ростом микронапряжений, а повышение сдвиговых на-
пряжений вызывает увеличение степени разориентации образованных бло-
ков мозаики. Эта область давлений и сдвиговых деформаций приводит к
структурному упрочнению поверхности. Значительное увеличение дефор-
мации сдвига при постоянном давлении вызывает разрушение сформиро-
ванной поверхностной структуры.
Обнаружено, что для поверхности, имеющей более мелкое зерно в исход-
ном состоянии, процессы разориентации блоков мозаики протекают наибо-
лее интенсивно. Так, для поверхности с исходным размером зерна 50 µm
максимальное значение угла разориентации δ возрастает с 6′ в отожженном
состоянии до 10′ в деформированном, для поверхности с размерами зерен
20 µm − с 15 до 48′, а при 1 µm − с 45′ до 5° при тех же условиях деформа-
ции (Р = 600 MPa, φ = 100 rad, dφ/dt = 0.01 rad/s). Большая степень разориен-
тации блоков вызвана, вероятно, тем, что внутризеренное скольжение, при-
водящее к дезориентации блоков мозаики, интенсивнее протекает в поверх-
ностях с мелкозернистой структурой. Поскольку значения разориентировок
определяются плотностью дислокаций в межблочных границах, мелкоблоч-
ная структура, имеющая больше подобных границ, способствует образова-
нию и более дезориентированной структуры после деформации.
В рамках точности эксперимента получена линейная зависимость между
значениями статической микротвердости Нµ и уровнем разориентации δ
блоков мозаики. При этом установлено, что при одном и том же давлении,
Рис. 3. Количественная обработка ди-
фрактограмм с выделением области
диффузного рассеяния (3): 1 − φ = 36 rad,
2 − φ = 100 rad
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
41
но при разных скоростях деформации сдвига dφ/dt можно получить различ-
ную структуру. Так, деформация при dφ/dt = 0.01 rad/s приводит к более ра-
зориентированной структуре. При одном и том же уровне достигнутого уп-
рочнения деформация при большей скорости dφ/dt = 1 rad/s приводит к ме-
нее развитой мозаичной структуре зерен. Вероятно, это является следствием
того, что при большой скорости деформации главную роль играют зарожде-
ние дефектов кристаллической решетки и рост их плотности, а перемещение
дефектов при больших скоростях деформации затруднено. Ограниченность
в перемещении дефектов кристаллической структуры при скоростной дефор-
мации, по-видимому, есть результат меньшего развития мозаичной структуры
зерен. При малой скорости деформации подводимая энергия успевает почти
полностью затрачиваться на внутризеренные сдвиговые процессы.
Установление линейной зависимости микротвердости от степени разориенти-
ровки блоков мозаики эквивалентно зависимости прочности от густоты дислока-
ционных сеток, образующих границы блоков. Повышение прочности эквива-
лентно уменьшению коэффициента локализации перенапряжения в деформиро-
ванном теле и связано с ростом плотности дислокаций в границах блоков. Распад
зерен на фрагменты (блоки с малоугловыми границами) при высоких нормаль-
ных напряжениях и увеличение их разориентировки при сдвиговых напряжениях
являются взаимосвязанными процессами с критическими значениями парамет-
ров. Превышение этих параметров приводит к отслоению сформированной по-
верхностной структуры, нарушению сплошности, растрескиванию и, в конечном
итоге, к переходу от вязкого разрушения поверхностного слоя к хрупкому.
Практический интерес представляет получение поверхностных структур,
способствующих торможению и даже залечиванию трещин. Установлена экс-
периментальная зависимость между параметрами внутризеренной структуры
(размеры блоков, угол разориентации) и сопротивляемостью поверхностной
структуры зарождению и распространению трещин по оценке величины кри-
тического коэффициента интенсивности напряжений K1с методом микроин-
дентирования. Экспериментально обнаружено, что чем меньше размеры бло-
ков и больше их разориентация, тем выше коэффициент трещиностойкости
K1с. Однако эта зависимость выполняется до определенных значений пара-
метров поверхностной структуры − чем больше величина K1с, тем лучше по-
верхностная структура сопротивляется разрушению и тем при большей длине
трещины и при большем напряжении происходит разрушение. Это открывает
возможности повышения механических свойств объемных материалов путем
формирования поверхностных структур с повышенной трещиностойкостью.
В изотермических условиях размеры блоков мозаики и их разориентация
управляются внешними структуроформирующими параметрами, такими как
напряжения сжатия, сдвига и скорости их изменения, которые являются
наиболее важными факторами формирования поверхностных структур, оп-
ределяющих структурное упрочнение поверхности. По мере формирования
поверхностных нанокристаллических структур в зависимости от концентра-
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
42
ции азота в материале поверхностного слоя осуществляется переход от ме-
ханизма скольжения (для CN = 0.06%) к двойникованию и ротационному
механизму пластической деформации (для CN = 0.3−0.57%). В локальных
зонах фактической площади контакта происходит формирование вторичной
структуры поверхностного слоя с повышенной концентрацией азота (вто-
ричный аустенит для CN = 0.06%) и инициированием прямого и обратного
мартенситного превращения, вызывающего азотнофазовый наклеп.
Обнаруженный эффект не проявляется на массивных образцах при де-
формации в аналогичных условиях. Для стали с CN = 0.3−0.57% масштабный
эффект и образование вторичных струтур при интенсивной поверхностной
деформации связаны с началом выпадения нитридных фаз (см. рис. 2,б) в
поверхностном слое и инициированием дисперсионного упрочнения.
Следует отметить, что мартенситные превращения и выпадение нитрид-
ных фаз не удалось инициировать при объемном деформировании образцов
в аналогичных условиях деформации.
In situ методами кинетического микроиндентирования (рис. 4) и динами-
ческой склерометрии обнаружено, что физико-механические свойства по-
верхностных слоев неоднородны по толщине. Сформированные структуры
являются градиентными.
Для стали с CN = 0.3−0.57% при значительных деформациях структурное
упрочнение поверхности намного больше, чем при малых, а для стали с CN =
= 0.06% − наоборот. Для образцов высокоазотистой стали выбранной тол-
щины (не более 1 mm) и заданной концентрации азота (CN = 0.06−0.6%) су-
ществует оптимальный диапазон значений деформирующих напряжений
сдвига (нормированных на напряжение предела текучести), при которых
формируется определенная поверхностная структура, приводящая к макси-
мальному объемному упрочнению.
0.00 0.02 0.04 0.06
0
50
100
150
200
F
, N
h, mm
0
5
10
15
F,
N
h, 10–2 mm
0.1 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Рис. 4. Кинетическое микроиндентирование деформированной поверхности (CN =
= 0.57%, P = 600 MPa, φ = 10 rad) с выявлением участков пластичности (вставка
вверху)
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
43
Исследованы структурно-кинетические изменения предела текучести и
поверхностной субмикро- и наноструктуры в процессе изотермического и
изохронного отжига в температурной области максимальной диффузионной
подвижности атомов азота. Выявлены три стадии возврата предела текуче-
сти и условия стабилизации поверхностной структуры. Первая стадия харак-
теризуется существенной релаксацией внутренних упругих напряжений,
слабым изменением предела текучести и отсутствием роста зерна, сформи-
рованного в процессе динамической рекристаллизации. На второй стадии
выявлены существенное уменьшение предела текучести и незначительный
равномерный рост зерен. Третья стадия характеризуется дальнейшим более
слабым уменьшением предела текучести и значительным неравномерным
ростом зерен с увеличением дисперсности по размерам. Методом термоак-
тивационного анализа вычислены значения энергии активации на 2-й и 3-й
стадиях, которые равны 50 и 90 kJ/m2 соответственно.
Полученные структуры являются градиентными с нанокристаллическим
поверхностным слоем. Свойства и закономерности формирования поверхно-
стных наноструктур отличны от таковых для структур, получаемых на мас-
сивных образцах при аналогичных условиях деформации. Различие в свой-
ствах планарных и градиентных объемных структур есть результат проявле-
ния размерного эффекта.
1. В. Пшибыльский, Технология поверхностной пластической обработки, Метал-
лургия, Москва (1991).
2. И.М. Любарский, Л.С. Палатник, Металлофизика трения, Металлургия, Москва
(1976).
3. П.В. Бриджмен, Новейшие работы в области высоких давлений, Изд-во иностр.
лит., Москва (1948).
4. Справочник по триботехнике в 3-х томах, М. Хебда, А.В. Чичинадзе (ред.), Ма-
шиностроение, Москва (1989).
V.N. Varyukhin, N.N. Belousov
PROPERTIES OF SURFACE NANOCRYSTALLINE STRUCTURES
PRODUCED BY CONTROLLED SHEAR UNDER PRESSURE
Surface nanocrystalline structures in austenitic high-nitrogen steels have been produced
by severe plastic deformation. Structure formation kinetics and thermal stability of such
structures have been investigated.
Fig. 1. Dependence of shearing strain on angle of die turning for constant rate of twisting
(dφ/dt = 0.01 rad/s) and different pressures P, MPa: 1 − 100, 2 − 600
Fig. 2. Martensite formation in austenite (CN = 0.06%) (а) and precipitation of disperse
nitride phases (CN = 0.57%) (б) under surface plastic shearing strain for twisting by angle
φ, rad: 1 − 1, 2 − 10, 3 − 100; P = 600 MPa, dφ/dt = 0.01 rad/s
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 4
44
Fig. 3. Quantitative processing of diffraction patterns showing the range of diffuse scat-
tering (3): 1 − φ = 36 rad, 2 − φ = 100 rad
Fig. 4. Kinetic microindentation of deformed surface (CN = 0.57%, P = 600 MPa, φ = 10 rad).
The shown are sites of plasticity (upper part of the figure) and crack nucleation
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70169 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:45:04Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Варюхин, В.Н. Белоусов, Н.Н. 2014-10-30T17:46:54Z 2014-10-30T17:46:54Z 2005 Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением / В.Н. Варюхин, Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 4. — С. 37-44. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe, 81.40.Vw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70169 Методом интенсивной пластической деформации сдвига под давлением получены поверхностные нанокристаллические структуры в аустените высокоазотистой стали. Исследованы структурно-кинетические процессы формирования и стабильности поверхностных нанокристаллических структур. Surface nanocrystalline structures in austenitic high-nitrogen steels have been produced by severe plastic deformation. Structure formation kinetics and thermal stability of such structures have been investigated. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением Властивості поверхневих нанокристалічних структур, отриманих контрольованим зсувом під тиском Properties of surface nanocrystalline structures produced by controlled shear under pressure Article published earlier |
| spellingShingle | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением Варюхин, В.Н. Белоусов, Н.Н. |
| title | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| title_alt | Властивості поверхневих нанокристалічних структур, отриманих контрольованим зсувом під тиском Properties of surface nanocrystalline structures produced by controlled shear under pressure |
| title_full | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| title_fullStr | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| title_full_unstemmed | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| title_short | Свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| title_sort | свойства поверхностных нанокристаллических структур, полученных контролированным сдвигом под давлением |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70169 |
| work_keys_str_mv | AT varûhinvn svoistvapoverhnostnyhnanokristalličeskihstrukturpolučennyhkontrolirovannymsdvigompoddavleniem AT belousovnn svoistvapoverhnostnyhnanokristalličeskihstrukturpolučennyhkontrolirovannymsdvigompoddavleniem AT varûhinvn vlastivostípoverhnevihnanokristalíčnihstrukturotrimanihkontrolʹovanimzsuvompídtiskom AT belousovnn vlastivostípoverhnevihnanokristalíčnihstrukturotrimanihkontrolʹovanimzsuvompídtiskom AT varûhinvn propertiesofsurfacenanocrystallinestructuresproducedbycontrolledshearunderpressure AT belousovnn propertiesofsurfacenanocrystallinestructuresproducedbycontrolledshearunderpressure |