» » Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»
28.01.2015

Ранняя работа Бэкофена по сверхпластичности была опубликована в 1964 г. За исключением работы Филдса, рассматривающей практическое применение этого явления, большинство исследований посвящено выяснению особенностей механизма сверхпластичности. Число работ, рассматривающих различные аспекты этого явления, заметно растет с каждым годом.
Исследованиями в лаборатории авторов выявлены многочисленные, представляющие значительный технический интерес свойства железохромоникелевых сплавов со структурой «микродуплекс», оказавшихся, как выяснилось, сверхпластичными. Практически, некоторые из этих сплавов могут быть использованы в промышленности еще до того, как найдется какое-либо непосредственное применение их способности деформироваться сверхпластично.
Цель статьи — описать способы получения мелкозернистой двухфазной структуры «микродуплекс» и обусловленного ею уровня механических свойств железохромоникелевых сплавов. Показана также возможность преобразования структуры «микродуплекс» в структуру с обычными свойствами.
Железохромоникелевые сплавы, проявляющие сверхпластичное поведение

На диаграмме состояния системы Fe—Cr—Ni (рис. 1) сплавы с такими свойствами располагаются в двухфазных областях: в области α'+γ-никелевые и железоникелевые сплавы; в области α+γ-сплавы на основе железа. Присутствие титана в большинстве сплавов, приведенных на рис. 1, смещает линию превращения γ→γ+γ' в сторону меньших содержаний хрома и железа (смещение отмечено стрелками). При температуре около 1000°C структура сплавов на основе никеля состоит из обогащенной хромом α'-фазы с о.ц.к. решеткой, распределенной в γ-матрице с г.ц.к. решеткой. В этом же температурном диапазоне структура сплавов на основе железа обратна по отношению к предыдущей: γ-фаза (аустенит) с г.ц.к. решеткой распределена в α-матрице (феррите) с о.ц.к. решеткой. Относительные размеры и распределение частиц второй фазы в этих структурах определяются последовательностью операций термомеханических обработок сплава.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Методы получения структуры микродуплекс

Являясь чрезвычайно мелкозернистой, структура микродуплекс в значительной степени способствует проявлению сверхпластичности в указанных сплавах при температурах от 0,6 до 0,8Тпл °K. Такая структура обеспечивает также хорошие технологические свойства сплавов как при умеренно высоких, так и при комнатной и отрицательных температурах. В качестве примера на рис. 2 представлена фотография микроструктуры сплава на никелевой основе. Богатая хромом α'-фаза располагается преимущественно по границам зерен г.ц.к.-матрицы.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Структура микродуплекс получается в результате обработок по различным схемам сплавов с быстро выпадающей второй фазой (сплавы на основе никеля) и сплавов с замедленными процессами выделения (сплавы на основе железа) (рис. 3). Для указанных сплавов можно использовать режимы, включающие как горячую, так и холодную деформации. При горячей деформации этих сплавов вторая фаза вначале растворена в матрице и лишь затем она может выделяться и стабилизировать размер зерна непрерывно рекристаллизующейся матрицы. При режимах, включающих холодную деформацию, вторая фаза выделяется при нагреве холоднодеформированной однофазной матрицы, сдерживая тем самым рост зерен. Структура микродуплекс образуется лишь в том случае, если процесс выделения второй фазы протекает одновременно либо предшествует рекристаллизации. По существу, в указанных сплавах достигается один и тот же порядок измельчения зерна до размера ≤10 мкм, а режимы деформации и термической обработки не сложны и легко осуществимы на уже разработанном технологическом оборудовании.
В работе показано, что соотношение Зинера для предельно минимального размера зерна двухфазных сплавов, видоизмененное Мак Лином, справедливо и для рассматриваемых сплавов и свидетельствует о сдерживающем действии частиц второй фазы на рост зерна матрицы при образовании структуры микродуплекс. Соотношение Зинера—Мак Лина имеет вид:
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

где D — диаметр зерна матрицы;
d1 — средний диаметр частиц второй фазы;
Vf — их объемная доля.
На рис. 4, заимствованном из работы, наклоны двух прямых — пунктирной, построенной по значениям, вычисленным из соотношения (1), и сплошной, построенной по экспериментальным значениям, полученным при количественном металлографическом анализе, отличаются на величину 0,18. Различие это связано, вероятно, с тем, что соотношение Зинера—Мак Лина получено в предположении о сферической форме зерен матрицы и частиц второй фазы, чего не наблюдается в реальных сплавах. Тем не менее, столь близкое совпадение экспериментальных значений величины зерна с теоретическими [из соотношения (1)] свидетельствует о сдерживающем действии дисперсной фазы на рост зерен матрицы в процессе деформации.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

В нержавеющей стали с 26% Cr и 6,5% Ni, получившей название IN-744, структуру микродуплекс можно получить в результате соответствующей обработки слитков массой от 4,5 кг до 10 т. В листе этой стали толщиной — 0,5 мм, изготовленном прокаткой из 10-тонного полупромышленного слитка, получено зерно величиной 0,6 мкм. При проработке данной стали в лабораторных условиях ни в одном случае не удалось получить столь мелкое зерно, вероятно, вследствие того, что промышленный слиток подвергался многократному воздействию циклов «деформация — отжиг» со значительными обжатиями при ковке и прокатке. В большинстве случаев окончательный размер зерна составлял, как минимум, 5—6 мкм. Режим прокатки этой стали при получении структуры микродуплекс подобен режиму, обычно применяемому для существующих нержавеющих сталей и не представляет никаких трудностей для прокатчиков—операторов.
Свойства сплавов со структурой микродуплекс

Основным стимулом для разработки сплавов со структурой микродуплекс послужила их способность выдерживать значительные удлинения при высокотемпературном растяжении. Это сверхпластичное поведение всесторонне исследовано различными экспериментальными методами. В системе Fe—Cr—Ni механизм сверх-пластического течения, по-видимому, полностью совпадает с хорошо известной обычной ползучестью и контролируется в основном новыми состояниями границ, возникающими в результате стабилизации зерна в структуре микродуплекс. В данной статье, вероятно, нет необходимости рассматривать механизм сверхпластичности, тем более, что кроме этого свойства сплавы со структурой микродуплекс обладают множеством других, которые могут принести практическую пользу.
Свойства сплавов при горячем деформировании

Способность сплавов со структурой микродуплекс деформироваться при высоких температурах с относительно высокими скоростями отражает их склонность к сверхпластичности.
На рис. 5 представлена зависимость усилий прокатки от температуры образцов никелевого сплава с двумя различными структурами — мелкозернистой и крупнозернистой. Первая была получена в результате горячей деформации (см. рис. 3), вторая — после предварительного (перед испытаниями) отжига при 1200° С с целью растворения дисперсной α'-фазы и укрупнения зерна матрицы. Из рис. 5 видно, что усилия прокатки существенно меньше для материала с мелкозернистой структурой.
В то же время, как показано в работе, для стали IN-744 различий в усилиях прокатки материала с крупно- и мелкозернистой структурами не наблюдается и прокатка выполняется очень легко. Операторы прокатных станов и прессов отмечают, что сталь IN-744 деформируется без труда и с большой вытяжкой.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Горячекатаные заготовки диаметром 88 мм из сталей трех классов: IN-744, AISI-I304 и AISI-1430 — были экструдированы в прутки диаметром 22 мм и оказалось, что напряжения течения стали IN-744 при всех температурах прессования в интервале 925—1200°С сравнимы с напряжениями течения ферритной стали и много меньше, чем в случае аустенитной нержавеющей стали (см. рис. 6). Заготовки из стали IN-744 полупромышленной выплавки прессуются в сложные профили (рис. 7) и показывают хорошую способность к воспроизведению формы матрицы (заполнению штампа) и достаточно низкие усилия прессования.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

На рис. 8 представлены результаты испытания стали IN-744 на скручивание при температуре 1010°C и скорости 200 об/мин. Видно, что сопротивление кручению стали 25% Сr+4% Ni с обычной структурой вначале возрастает и достигает максимума после нескольких оборотов, тогда как для стали IN-744 этот максимум, во-первых, ниже, а во-вторых, достигается сразу же после начала деформирования. Такой характер зависимости аналогичен ходу кривой «нагрузка — удлинение» при высокотемпературном растяжении сверхпластичных материалов.
Область применения низкоскоростного деформирования сверхпластичных сплавов обычно ограничена испытаниями на растяжение. В настоящее время возможности такого деформирования используются не в полной мере.
Вряд ли широкое применение в технологических процессах сверхпластичного формоизменения найдут сплавы, не обладающие нужным комплексом механических свойств, поэтому целесообразно рассмотреть свойства стали IN-744 и никелевого сплава со структурой микродуплекс при комнатной и повышенных температурах, делающие эти материалы технически интересными и перспективными.
Механические свойства стали IN-744 при комнатной температуре

Обычно предполагают, что измельчение зерна приводит к повышению прочности материала при растяжении, к росту усталостной прочности и увеличению вязкости разрушения. Свойства стали IN-744 подтверждают это предположение. Предел текучести отожженных образцов этой стали, вырезанных из бруска, пластины и листа, равен 490—630 Мн/м2 (49—63 кГ/мм2), в зависимости от температуры отжига и предшествующей технологической операции. Размер зерна оказывает сильное влияние на прочностные свойства этой стали (рис. 9). Повышение предела текучести с 490 (49) до 860 Мн/м2 (86 кГ/мм2) достигнуто за счет измельчения зерна феррита до размера 0,6 мк (такое зерно получили в листе толщиной 0,5 мм — см. выше).
Ход прямой на рис. 9 подчиняется уравнению Холла—Петча:
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

где σ — напряжение;
d — размер зерна феррита.
Наклон прямой (ky) составляет 0,45 Мн/м3/2 (1,45 кГ-мм3/2)) и, как показали Флорин и Хейден, превышает соответствующие коэффициенты для каждой из двух фаз стали IN-744 (ky=0,21 для феррита и 0,31 для аустенита).
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Циклическая прочность стали IN-744, по-видимому, не столь сильно зависит от величины зерна, как предел текучести. Однако она значительно выше прочности известных ферритных и аустенитных сталей. Данные,
полученные Хейденом и Брофи (см. табл. 1), свидетельствуют о том, что предел усталости стали IN-744 несколько увеличивается с уменьшением величины зерна и значительно превышает предел усталости образцов с крупнозернистой полностью ферритной структурой; в последнем случае циклическая прочность сравнима с прочностью обычной стали AISI-430 ферритного класса.
Ударная вязкость стали IN-744 также зависит от размера зерна. При изменении диаметра зерна от 2 до 25 мкм температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому смещается в сторону повышенных температур от -130°С до -45°С (рис. 10). Наблюдающееся различие в свойствах стали обусловлено исключительно различием дисперсности структуры, так как химический состав фаз и мелкозернистого, и крупнозернистого материала был одинаков.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

В определении уровня вязкости разрушения не менее важную роль, чем размер зерна, играет дисперсная аустенитная фаза. Роль частиц аустенитной фазы хорошо иллюстрируют данные, приведенные на рис. 11, на котором ударная вязкость ряда сплавов при нескольких температурах испытаний представлена в зависимости от содержания феррита. Составы этих сплавов соответствуют двухфазной области и лежат на линии, параллельной одной из кривых, ограничивающих эту область. Следовательно, химический состав каждой из фаз для всех сплавов одинаков и потому различия в результатах обусловлены только величиной зерна и соотношением присутствующих фаз. Приведенные данные показывают, что дисперсная аустенитная фаза способствует повышению вязкости сплава. Размер зерна не вносит искажений в эти данные, поскольку, например, в сплавах с 60 и 80% феррита он был почти одинаков.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Микроструктурные исследования разрушенных образцов показали, что в тех случаях, когда на пути распространения трещины встречаются зерна аустенита, трещины задерживаются либо притупляются. Результаты, полученные недавно Хейденом и др., свидетельствуют о том, что именно вязкость аустенита, а не его низкая прочность или деформируемость являются причиной, затрудняющей распространение трещин.
Сталь IN-744 можно подвергать холодной деформации и получать из нее пруток, проволоку или лист, используя уже имеющееся оборудование. При этом усилия обработки близки к тем, которые наблюдаются для обычных нержавеющих сталей. Из представленных на рис. 12 зависимостей пределов текучести сталей IN-744, AISI-430 и AISI-304 при комнатной температуре от степени холодной деформации видно, что на начальной стадии скорость деформационного упрочнения стали IN-744 близка к скорости упрочнения аустенитной стали, при больших же степенях деформации она близка к скорости упрочнения ферритной стали. Флорином и Хейденом показано, что сталь IN-744 по характеристикам деформационного упрочнения ближе к ферритным сталям, чем к аустенитным. На рис. 13 представлена зависимость прочности холоднотянутой на 98,8% проволоки из стали IN-744 диаметром 0,25 мм. Различные значения исходного (перед протяжкой) размера зерна получали варьированием времени, но не температуры отжига, с тем чтобы химический состав фаз остался неизменным. Прирост прочности отожженной стали IN-744, обусловленный измельчением зерна с 6 до 0,6 мкм [примерно на 420 Мн/м2 (42 кГ/мм2 — см. рис. 9)], сохраняется даже после значительной холодной деформации. Подобные же результаты получены Kappe-кером и Хиббардом и они позволяют утверждать, что после нескольких процентов удлинения скорость деформационного упрочнения становится нечувствительной к размеру зерна. Практически, измельчение зерна стали IN-744 с 6 до 0,6 мкм перед волочением повысило прочность холоднотянутой на 98,8% проволоки с 2000 до 2450 Мн/м2 (с 200 до 245 кГ/мм2).
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Свойства сплавов на основе никеля при повышенных температурах

В работе было показано, что, подвергая сплав на никелевой основе термической обработке, укрупняющей зерно, можно заставить его проявить весь диапазон поведения при высокотемпературном растяжении: от сверхпластичного до обыкновенно пластичного.
На рис. 3 схематично показаны режимы термомеханических обработок, необходимых для получения мелкозернистой двухфазной структуры микродуплекс. Для никелевого сплава такая структура представлена фотографией на рис. 2. Используя различные виды термической обработки, в том же сплаве можно получить крупнозернистую двухфазную структуру — так называемую структуру «макродуплекс» (рис. 14). Обе эти структуры обладают полезными свойствами. В табл. 2 сравниваются свойства никелевого сплава 38% Сr+18% Fe+0,6% Ti одной плавки, но в различных структурных состояниях: микро- и макродуплекс. Из результатов, приведенных в таблице, видно, что материал 1, отожженный при 980°С после горячей прокатки, обладал сверхпластичными свойствами. Материал 2, полученный из материала 1 отжигом при 1200° С для получения структуры макродуплекс, оказался не сверхпластичным, но обнаружил известное сопротивление ползучести. В материале 3, полученном из материала со структурой макродуплекс холодной деформацией и отжигом, сверхпластичность проявилась вновь. Такая изменчивость свойств наглядно демонстрирует возможность управления зависимостью «структура — свойства» в этом сплаве. Практически, становится возможным получить сплав, способный деформироваться сверхпластично, подвергнуть его обработке по технологии сверхпластичного формоизменения и затем простой термической обработкой повысить его сопротивление ползучести для службы при повышенных температурах.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Никелевый сплав указанного состава со структурой «макродуплекс» вполне пригоден для службы в условиях ползучести. Из приведенных в табл. 2 результатов испытания на длительную прочность этого сплава и широко используемой в настоящее время жаропрочной нержавеющей стали AISI-310, видно, что при температуре испытания 870° С время до разрушения никелевого сплава значительно больше времени до разрушения нержавеющей стали.
Железохромоникелевые сплавы со структурой «микродуплекс»

Заключение

В некоторых сплавах системы Fe—Cr—Ni можно получить мелкозернистую двухфазную структуру микродуплекс, используя различные режимы термомеханической обработки.
Эти режимы легко выполнимы в промышленных условиях; нержавеющая сталь IN-744 получена в слитках массой до 10 г и в листе этой стали толщиной ~0,5 мм достигнута величина зерна ~0,6 мкм.
Структура микродуплекс способствует повышению технологичности сплавов при высоких температурах, о чем свидетельствуют низкие усилия прессования, горячей прокатки и кручения и высокие значения вытяжки. И это влияние ощутимо даже при относительно высоких скоростях известных промышленных процессов обработки металлов давлением, хотя максимальные эффекты, включая истинное сверхпластичное поведение, проявляются при низких скоростях деформирования.
Механические свойства сплавов на основе железа со структурой микродуплекс характеризуются высоким пределом прочности, высоким пределом усталости и высокой вязкостью разрушения.
Структуру рассматриваемых сплавов можно перевести из состояния «микродуплекс» в состояние «макродуплекс» с помощью термической обработки. Это предоставляет благоприятную возможность сформировать готовое изделие, используя свойство сверхпластичности, а затем термической обработкой перевести его в состояние, устойчивое против ползучести.