Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода
Методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) проведено исследование градиентной наноструктуры стали 65Г после интенсивной поверхностной пластической деформации. Показано, что в процессе пластической деформации происходят растворение цементита Fe₃C и перераспределение углерода по границам яч...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70462 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода / Н.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 100-104. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859741945920749568 |
|---|---|
| author | Даниленко, Н.И. |
| author_facet | Даниленко, Н.И. |
| citation_txt | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода / Н.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 100-104. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) проведено исследование градиентной наноструктуры стали 65Г после интенсивной поверхностной пластической деформации. Показано, что в процессе пластической деформации происходят растворение цементита Fe₃C и перераспределение углерода по границам ячеек, что подавляет процессы возврата. Размер ячеек в приповерхностном слое 20–30 nm.
Transmission electron microscopy studying of gradient nanostructure of steel 65Г samples after severe surface plastic deformation has been done. Dissolution of cementite Fe₃C and carbon redistribution on cell boundaries occur during the deformation. The carbon on cell boundaries suppresses the recovery processes. Cell size in surface layer is about 20–30 nm.
|
| first_indexed | 2025-12-01T19:12:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
100
PACS: 81.40.f
Н.И. Даниленко
ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ
ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИИ В МАТЕРИАЛАХ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ
УГЛЕРОДА
Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины
ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03680, Украина
E-mail: nick@ipms.kiev.ua
Методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) проведено исследо-
вание градиентной наноструктуры стали 65Г после интенсивной поверхностной
пластической деформации. Показано, что в процессе пластической деформации
происходят растворение цементита Fe3C и перераспределение углерода по грани-
цам ячеек, что подавляет процессы возврата. Размер ячеек в приповерхностном
слое 20–30 nm.
Введение
Для получения сверхмелкозернистой структуры деформационного проис-
хождения широкое применение получили методы интенсивной пластиче-
ской деформации (ИПД), такие как равноканальное угловое прессование
(РКУП) [1,2], винтовая экструзия (ВЭ) [3] и др. Эти методы позволяют соз-
давать деформационную структуру, которая значительно повышает механи-
ческие характеристики материала: прочность, износостойкость, сопротивле-
ние усталости. При этом следует отметить, что методы ИПД могут быть ис-
пользованы только для чистых или однокомпонентных легкодеформируе-
мых материалов, хотя, по мнению авторов [4], более высокие значения
прочности можно получить при деформации, например, высокоуглероди-
стых сталей. В работах [5,6] было показано, что методы поверхностной пла-
стической обработки могут быть применены для формирования градиентной
наноструктуры в сложнолегированных материалах. Поперечный размер яче-
ек при таких обработках достигает 50–10 nm, что значительно меньше, чем
при объемной обработке методами ИПД. Наличие деформационной струк-
туры в приповерхностном слое способствует интенсификации процессов
диффузии примесей внедрения из атмосферы, обеспечивая дополнительное
упрочнение. Этот эффект рассмотрен в работе [7] при упрочнении поверх-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
101
ности железа в процессе высокоскоростного трения в атмосфере аммиака.
При такой обработке в армко-железе образуется слой с мелкодисперсной
структурой (размер зерна 3–5 μm) глубиной 100 μm, который имеет твер-
дость 8000 MPa при твердости исходного материала 2000 MPa. Следует
также отметить высокие (до 10 GPa) значения твердости поверхности же-
лезнодорожных рельсов при формировании наноструктурного слоя [8].
Информация о структурных изменениях в материале может служить ос-
новой для отработки технологических приемов с целью управления процес-
сом создания градиентной структуры в материалах с повышенным содержа-
нием примесей внедрения.
Материалы и методы исследования
Для исследования была выбрана сталь 65Г, химический состав которой,
%: С – 0.55–0.65; Si – 0.17–0.37; Mn – 0.7–1.0 и Cr, Ni меньше 0.3. Поверх-
ность деформировали накаткой: 200 циклов с усилием 200 N при комнатной
температуре. Структуру изучали методом ТЭМ на образцах, приготовлен-
ных «cross-section» [9].
Результаты и их обсуждение
Методы ИПД основаны на реализации продольного сдвига (рис. 1), когда
за один проход в материале накапливается большая деформация без измене-
ния макроразмеров образца [1]. К сожалению, реализация такой схемы де-
формации затруднена из-за невозможности закрепления торцевыми захвата-
ми. На практике эта проблема решена при использовании специальных ме-
тодов деформирования: РКУП, ВЭ, деформации кручением под давлением.
С точки зрения практического применения более перспективными явля-
ются методы поверхностной обработки: осесимметричное протягивание
(рис. 2,а), накатка (рис. 2,б) и др. В процессе обработки в приповерхностном
слое реализуется деформация сдвигом, причем интенсивность сдвиговых
деформаций изменяется при варьировании размера (рис. 2,а), усилий при-
жима (рис. 2,б) и количества проходов инструмента.
Структура исходного материала
представлена на рис. 3,а. Размер пер-
литных зерен составляет 10–15 μm.
После накатки в приповерхностном
слое формируется ячеистая структура
(рис. 3,б). На микрофотографии мож-
но выделить две зоны деформацион-
ной структуры: внутреннюю с разме-
ром структурных элементов ~ 200 nm
и приповерхностную с размером яче-
ек 20–40 nm. Приповерхностная зона
имеет глубину ~ 1 μm.Рис. 1. Схема продольного сдвига [1]
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
102
а б в
Рис. 2. Схема деформирующего протягивания (а), протягивания с вращением (б) и
накатки (в): 1 – образец, 2 – инструмент, 3 – опора
а б
Рис. 3. Структура стали 65Г в исходном состоянии (а) и после накатки (б)
В процессе деформации в приповерхностном слое произошло полное рас-
творение цементитной фазы и сформировалась ячеистая структура. Твер-
дость обработанной поверхности достигает 12 GPa.
Процессам изменений в карбидной фазе при холодной деформации по-
священо много работ. С помощью рентгеноструктурных и магнитных ис-
следований [10], а также эффекта Мёссбауэра [11] было определено, что до
50% цементитной фазы можно растворить в результате холодной деформа-
ции. Современные методы исследований позволяют выявить стадийность
процесса растворения цементитной фазы [12,13].
Следует отметить, что из-за малого размера ячеек суммарная сегрегаци-
онная емкость границ оказывается очень большой [14] и имеющиеся в объе-
ме материала легирующие элементы внедрения, попадая на дефектные уча-
стки (дислокации, границы ячеек, тройные стыки и т.д.) [13], подавляют
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
103
процессы возврата. В этом случае углерод играет роль «полезных примесей»
[15]. Необходимо также отметить, что форма углеродных пиков на оже-
спектрах, полученных вдали от обработанной поверхности, соответствует
карбидам, а в зоне с ячеистой структурой – свободному углероду. Также на-
блюдается повышенное содержание кислорода в приповерхностном слое по
сравнению с недеформированными участками.
Выводы
При интенсивной сдвиговой деформации в приповерхностном слое фор-
мируется градиентная структура, характерная для больших степеней дефор-
мации с размером ячеек 20–30 nm. Растворение цементита в процессе де-
формации приводит к перераспределению углерода, который, попадая на
границы ячеек, играет роль «полезных примесей» и подавляет процессы
возврата.
1. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев, Процессы
пластического структурообразования металлов, Навука и тэхника, Минск
(1994).
2. V.I. Kopylov, Proc. of NATO ARW, Moscow, Russia (1999), p. 23.
3. Y. Beygelzimer, V. Varyukhin, D. Orlov, B. Efros, A. Salimgareyev, V. Stolyarov, Mi-
crostructural Evolution of Titanium under Twist Extrusion Ultrafine Grained Materi-
als: Processing and Structure, Washington (2002), p. 137–142.
4. D.R. Lesuer, C.K. Syn, O.D. Sherby, Investigations and Applications of Severe Plastic
Deformation, Kluwer Academic Publishers, Series 3. High Technology 80, 357
(1999).
5. K. Lu, H. Zhahg, Y. Zhong, H.J. Fecht, J. Mater. Res. 12, 923 (1997).
6. M. Danylenko, V. Gorban, Yu. Podrezov, S. Firstov, O. Rozenberg, S. Sheykin, Y.
Yamabe-Mitarai, F. Morito, Mater. Sci. Forum 503–504, 787 (2006).
7. A. Yurkova, A. Belotsky, A. Byakova, Yu. Podrezov, M. Danylenko, Metallic Materials
with High Structural Efficiency, 113 (2004).
8. W. Lojkowski, Y. Millman, S.I. Chugunova, I.V. Goncharova, M. Djahanbakhsh, G.
Burkle, H.-J. Fecht, Mater. Sci. Eng. A303, 209 (2001).
9. D.B. Williams, C.B. Carter, Transmission Electron Microscopy, Plenum Press, New
York–London (1996).
10. М.В. Белоус, В.Т. Черепин, ФММ 12, 685 (1961).
11. V.N. Gridnev, V.G. Gavrilyuk, I.Ya. Dekhtyar, Yu.Ya. Meshkov, P.S. Nizin, V.G. Proko-
penko, Phys. Stat. Sol. A14, 689 (1972).
12. Yu. Ivanisenko, W. Lojkowski, R.Z. Valiev, H.-J. Fecht, Acta Mater. 51, 5555 (2003).
13. X. Sauvage, Y. Ivanisenko, J. Mater Sci. 42, 1615 (2007).
14. A.V. Krajnikov, V.M. Yurchenko, E.F. Feldman, D.B. Williams, Surface Sci. 515, 36
(2002).
15. С.О. Фірстов, Т.Г. Рогуль, В.Л. Свєчніков, С.М. Дуб, Фіз.-хім. механіка
матеріалів 42, № 1, 113 (2006).
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
104
N.I. Danylenko
GRADIENT NANOSTRUCTURE FORMATION UNDER SEVERE
SURFACE DEFORMATION IN HIGH-CARBON MATERIALS
Transmission electron microscopy studying of gradient nanostructure of steel 65Г sam-
ples after severe surface plastic deformation has been done. Dissolution of cementite
Fe3C and carbon redistribution on cell boundaries occur during the deformation. The car-
bon on cell boundaries suppresses the recovery processes. Cell size in surface layer is
about 20–30 nm.
Fig. 1. A scheme of longitudinal shear [1]
Fig. 2. A scheme of broaching (a), broaching with rotation (б) and roll forming (в): 1 –
sample, 2 – tool, 3 – support
Fig. 3. Structure of steel 65Г: initial state (a), after roll forming (б)
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70462 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T19:12:47Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Даниленко, Н.И. 2014-11-06T18:08:00Z 2014-11-06T18:08:00Z 2008 Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода / Н.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 100-104. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.f https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70462 Методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) проведено исследование градиентной наноструктуры стали 65Г после интенсивной поверхностной пластической деформации. Показано, что в процессе пластической деформации происходят растворение цементита Fe₃C и перераспределение углерода по границам ячеек, что подавляет процессы возврата. Размер ячеек в приповерхностном слое 20–30 nm. Transmission electron microscopy studying of gradient nanostructure of steel 65Г samples after severe surface plastic deformation has been done. Dissolution of cementite Fe₃C and carbon redistribution on cell boundaries occur during the deformation. The carbon on cell boundaries suppresses the recovery processes. Cell size in surface layer is about 20–30 nm. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода Формування градієнтної наноструктури при інтенсивній поверхневій пластичній деформації в матеріалах з підвищеним вмістом вуглецю Gradient nanostructure formation under severe surface deformation in high-carbon materials Article published earlier |
| spellingShingle | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода Даниленко, Н.И. |
| title | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| title_alt | Формування градієнтної наноструктури при інтенсивній поверхневій пластичній деформації в матеріалах з підвищеним вмістом вуглецю Gradient nanostructure formation under severe surface deformation in high-carbon materials |
| title_full | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| title_fullStr | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| title_full_unstemmed | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| title_short | Формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| title_sort | формирование градиентной наноструктуры при интенсивной поверхностной пластической деформации в материалах с повышенным содержанием углерода |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70462 |
| work_keys_str_mv | AT danilenkoni formirovaniegradientnoinanostrukturypriintensivnoipoverhnostnoiplastičeskoideformaciivmaterialahspovyšennymsoderžaniemugleroda AT danilenkoni formuvannâgradíêntnoínanostrukturipriíntensivníipoverhnevíiplastičníideformacíívmateríalahzpídviŝenimvmístomvuglecû AT danilenkoni gradientnanostructureformationunderseveresurfacedeformationinhighcarbonmaterials |