ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАДИЕНТНОЙ СТРУКТУРЫ В МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СПЛАВАХ НА АУСТЕНИТНОЙ ОСНОВЕ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ И ХЛАДОСТОЙКОСТИ (заключительный)

Объект исследования – легкие аустенитные стали Fe-21Mn-6Al-1C и Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni. Цель работы – определении закономерностей формирования градиентной структуры легких аустенитных сталей с высокой ЭДУ в ходе деформационно-термической обработки для получения высоких характеристик прочности и хладостойкости. Первый этап Проекта посвящен изучению формирования градиентных структур и текстур при деформационной обработке методом ХРК исследуемых сталей системы Fe-Mn-Al-C-(Ni), что позволило установить механизмы и закономерности данных процессов на основании анализа эволюции размера и морфологии структурных элементов, кристаллографической текстуры и фазового состава. Дополнительно было исследовано механическое поведение и процессы разрушения легких аустенитных сталей системы Fe-Mn-Al-C-(Ni) с градиентной структурой деформационного происхождения. Показано, что в процессе ХРК образуется спектр структурных состояний вдоль радиуса прутка за счет развития процессов формирования деформационных микрополос, механического двойникования и образования полос сдвига с различной интенсивностью из-за накопления большей пластической деформации на краю прутка по сравнению с центром. Дополнительно в прутках исследуемых сталей при ХРК развиваются выраженные текстурные градиенты. Так, в центре прутков наблюдается острая двухкомпонентная аксиальная текстура <111> и <100>, которая размывается к краю. Следует отметить, что на краю прутков после ХРК со степенью 40% и выше формируется сдвиговая текстура аустенита B/-B. После ХРК до 40-85% деформации наибольшая прочность обнаружена в центре прутка по сравнению с краем. В то же время, после ХРК со степенями 60-85% наблюдалось снижение равномерного удлинения до 0,2-0,3% и относительного удлинения ниже 10% в центре. Материал края прутка при этом продемонстрировал равномерное удлинение на уровне 1,2-1,7%, а относительное удлинение порядка 14-17%. Испытания образцов с градиентной структурой деформационного происхождения после ХРК со степенью 80-85% показали, что данные образцы обладают высокими прочностными характеристиками и пониженной пластичностью (для стали Fe-21Mn-6Al-1C: σВ=1903 МПа; σ0,2=1816 МПа; δР=1%; для стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni: σВ=1850 МПа; σ0,2=1620 МПа; δР=0,6%), что является промежуточными значениями между свойствами материала центра и края соответствующих прутков. После ХРК со степенью 80-85% вязкость материала края прутка (для стали Fe-21Mn-6Al-1C: KCV=0,53 МДж/м2; для стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni: KCV=0,23 МДж/м2) выше относительно материала центра прутка (для стали Fe-21Mn-6Al-1C: KCV=0,42 МДж/м2; для стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni: KCV=0,09 МДж/м2). Испытания на ударный изгиб образцов с градиентной структурой деформационного происхождения из прутков после ХРК со степенью 80-85% продемонстрировали, что образцы стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni обладают ударной вязкостью (KCV=0,51 МДж/м2) существенно превышающую значения образцов, вырезанных из сердцевины (KCV=0,09 МДж/м2) или края (KCV=0,23 МДж/м2). На втором этапе Проекта основное внимание было направлено на установление механизмов и закономерностей трансформации градиентной структуры деформационного происхождения в сталях Fe-21Mn-6Al-1C и Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni (вес.%) в процессе термической обработки, а также механического поведения и разрушения полученных градиентных материалов. Установлено, что γ→α+κ превращение в исследованных сталях подавлено в условиях печного нагрева и воздушного охлаждения. Отжиг при 600°С и ниже не вызывает существенных изменений в микроструктуре холоднокованной стали Fe-21Mn-6Al-1C. Однако частичная статическая рекристаллизация наблюдается только при 700°С. В случае стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni частичная рекристаллизация наблюдается в интервале 700-900°С. В обеих сталях наиболее интенсивно рекристаллизация развивается на краю прутка с образованием более дисперсной микроструктуры по сравнению с сердцевиной. Отжиги при более высоких температурах сопровождаются завершением рекристаллизации, ростом аустенитных зерен и получением однородной микроструктуры по сечению. Данные текстурных исследований показывают, что в стали Fe-21Mn-6Al-1C наиболее выраженные текстурные градиенты по компонентам <111> и <100> получены после отжигов при 600-700°С. В сердцевине прутка при этом формируется высокая объемная доля зерен с данными ориентировками, что уменьшается по направлению к краю прутка. В стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni текстурный градиент по компоненте <111> наблюдается во всем интервале температур отжига. Однако градиент по доле зерен с ориентировкой <100> сохраняется только поле отжигов до 900°С. После отжига при 600°С в стали Fe-21Mn-6Al-1C наблюдается повышение прочности и понижение пластичности. Начиная с отжига при 700°С свойства материала сердцевины и края прутка из стали Fe-21Mn-6Al-1C практически совпадают. В случае стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni после отжигов при 600-800°С материал края демонстрирует более высокие механические свойства, т.к. материал сердцевины из-за своей хрупкости при испытаниях разрушался на уровне предела текучести. После отжига при 900°С материал сердцевины приобретает хорошую пластичность, но при этом прочность заметно выше чем у материала края. Градиентные образцы из стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni после отжига при 900°С продемонстрировали наилучшее сочетание прочностных и пластических характеристик, а другие исследованные градиентные состояния наряду с высокой прочностью обладают низкой пластичностью (δ менее 3,5%). Последующий отжиг стали Fe-21Mn-6Al-1C при 600-700°С и стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni при 600-800°С приводит к получению относительно низкого уровня ударной вязкости. Дальнейшее повышение температуры отпуска сопровождается ростом ударной вязкости. По результатам Проектов РНФ № 20-79-10094 и № 20-79-10094-П составлена карта формирования градиентных структур сплавов на аустенитной основе с различным уровнем дефекта упаковки (ЭДУ) в процессе деформационно-термической обработки (ДТО). По результатам экспериментов показано, что в холоднодеформированных сталях Fe-21Mn-6Al-1C и Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni низкотемпературный отжиг существенно повышает пластичность при сохранении высокого уровня прочности. Наилучший уровень механических свойств получен в стали Fe-28Mn-10Al-1C-5Ni после ХРК и последующего отжига при 900°С.