УДК 620.18: 669-419: 621.771

Анализ бимодального распределения микротвердости в многослойных металлических материалах

 

ANALYSIS OF BIMODAL DISTRIBUTION OF MICROHARDNESS IN MULTILAYER METAL MATERIALS

 

Власова Д.В., Плохих А.И., Минаков А.А.

(Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Москва, РФ)

Vlasova D.V., Plokhikh A.I., Minakov A.A.

(Bauman Moscow state technical university, Moscow, Russian Federation)

 

В работе изложены результаты исследований послойного распределения значений микротвердости в многослойных материалах на основе сталей.

The paper presents the results of investigations of layerwise distribution of the microhardness values in multilayered materials based on steels.

 

Ключевые слова: многослойные материалы, микротвердость, диффузия

Key words: multilayered materials, microhardness, diffusion

 

Использование многослойных материалов дает существенное преимущество перед монометаллическими при создании перспективных образцов техники. К числу таких материалов можно отнести конструкционные металлические материалы, получаемые путем синтеза многослойных композитных заготовок [1]. Проведенные исследования показали, что получение такой структуры в материале, созданном на основе одного металла, возможно, если при температуре прокатки сплавы имеют различное кристаллической строение. Однако синтез подобных материалов является задачей достаточно сложной, так как проводится при высокой температуре в условиях значительного термодеформационного воздействия. Поэтому эти факторы оказывают существенное влияние, в том числе на перераспределение легирующих элементов между слоями.

В качестве основных объектов исследования были выбраны четыре композиции многослойных заготовок, состоящие из 100 попеременно чередующихся между собой слоёв сталей толщиной 0.5 мм каждый: 08кп+08Х18, 08кп+08Х18Н10, У8+08Х18, У8+08Х18Н10. По технологическому маршруту [2], включающему мерную резку заготовок из листов, обработку их поверхности, сборку нарезанных листов в пакет, вакуумирование пакета и его последующую горячую прокатку, изготовлены заготовки листового сортамента толщиной 2 мм.

Поскольку показателем неоднородности свойств является нарушение нормального закона распределения, был изучен массив значений микротвердости каждого слоя бинарной композиции многослойных материалов. Микротвердость отдельных структурных составляющих измеряли на приборе ПМТ-3 путем статического вдавливания в испытуемую полированную поверхность шлифа алмазной четырехгранной пирамиды с нагрузкой 10 грамм (ГОСТ 9450-76). Микротвердость каждого слоя определялась с постановкой не менее 100 отпечатков. По полученным значениям была проведена математическая обработка полученных массивов данных с построением гистограмм распределения вероятностей [3].

В качестве исходного состояния были взяты образцы толщиной 2 мм с количеством слоев 100, с толщиной слоя 20 мкм в исходном горячекатаном состоянии.

Результаты исследования

В слое стали 08кп исследуемой композиции 08кп+08Х18 наблюдается ярко выраженное бимодальное распределение значений микротвердости (двухвершинное распределение вероятностей, характеризуемое существованием у кривой плотности двух максимумов, которые определяются двумя значениями моды) в отличие от нормального ассиметричного распределения в слое 08Х18 (рис. 1). Такая бимодальность нормального закона распределения свидетельствует о наличии двухфазной структуры.

а)

б)

Рисунок 1 – Гистограмма распределения микротвердости в композиции 08кп+08Х18 после горячей прокатки при температуре 1000º С:

а) – в слое стали 08кп, б) – в слое стали 08Х18

 

При исследовании микротвердости в слоях композиции У8+08Х18 в исходном состоянии было установлено, что распределение микротвердости в слое стали У8 после горячей прокатки при температуре 1000 ºС имеет ярко выраженную бимодальность нормального закона распределения с максимумами при твердости в интервале 40-50 HV и 70-80 HV (рис. 2а). При этом количество измерений, попадающих в первый интервал в два раза больше, чем во второй.

В слое стали 08Х18 в исходном состоянии распределение значений микротвердости является нормальным с некоторой правосторонней ассиметрией с максимумом при твердости 140 HV (рис. 2б).

а)

б)

Рисунок 2 – Гистограмма распределения микротвердости в композиции У8+08Х18 после горячей прокатки при температуре 1000º С:

а) – в слое стали У8, б) – в слое стали 08Х18

        

Учитывая, что часть композиций было составлено таким образом, что при горячей прокатке соседние слои сталей имеют одинаковые кристаллические решетки, была проведена оценка влиянии диффузии легирующих элементов в композициях У8+08Х18Н10 и 08кп+08Х18Н10. Эти композиции в соответствии с выбранными режимами пластической деформации были прокатаны в изоморфном состоянии, когда оба слоя находились в аустенитном состоянии, и на перераспределение легирующих элементов влияние оказывали только характеристики термодинамической активности легирующих элементов.

При исследовании микротвердости в слоях сталей композиции У8+08Х18Н10 в исходном состоянии было установлено, что в слое стали 08Х18Н10 распределение микротвердости имеет нормальный характер с левой ассиметрией с пиком на 155 HV.

В слое У8 в исходном состоянии наблюдается нормальное распределение значений микротвердости с незначительной правосторонней ассиметрией с пиком на 75 HV.

Было установлено, что выдержка в течение трех часов при температуре 1000 ºС приводит к снижению среднего значения микротвердости в стали 08Х18Н10 до 80 HV и значительному сужению диапазона микротвердости, что служит показателем формирования более однородного и менее насыщенного твердого раствора по сравнению с исходным состоянием. Учитывая термодинамическую активности углерода в аустенитном состоянии [4], можно предположить, что из слоя стали 08Х18Н10 происходит направленный диффузионный поток хрома в слой стали У8.

В отличие от слоев стали 08Х18Н10, в слоях стали У8 после выдержки в течение трех часов при температуре 1000 ºС ассиметричность распределения микротвердости сохраняется с незначительным сужением ширины распределения и снижением средних значений микротвердости до 55 HV.

В исходном состоянии композиции 08кп+08Х18Н10 в слое стали 08Х18Н10 наблюдается отклонение от нормального закона распределения в сторону правосторонней ассиметрии (рис. 3а). Выдержка в течение трех часов при температуре 1000ºС показывает, что в слое стали 08Х18Н10 в отличие от композиции У8+08Х18Н10 наблюдается более значительное сужение интервала значений микротвердости с их одновременным снижением, что говорит о менее насыщенном твердом растворе, а следовательно, о более активной диффузии элементов замещения в слой стали 08кп (рис. 3б).

а)

б)

Рисунок 3 – Гистограмма распределения микротвердости в слое стали 08Х18Н10 в композиции 08кп+08Х18Н10: а) – после горячей прокатки при температуре 1000 ºС, б) – после выдержки в течение трех часов при температуре 1000 ºС

 

При этом в слое стали 08кп наблюдается отклонение от нормального закона распределения как в исходном состоянии, так и после выдержки в течении трех часов, что говорит о неравномерном распределении легирующих элементов в этом слое.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что присутствие углерода в соседнем слое затрудняет диффузию легирующих элементов из слоев сталей 08Х18 и 08Х18Н10.

Выводы

1.                     Установлено, что в исследуемых композициях многослойных металлических материалов наблюдается отклонение от нормального закона распределения значений микротвердости, что говорит неоднородном распределении легирующих элементов в слоях.

2.                     Проведение дополнительной термической обработки при температуре 1000 ºС показывает, что в исследуемых композициях наблюдается значительное изменение диапазона значений микротвердости, с одновременным уменьшением абсолютных значений, что может говорить протекании гомогенизации твердого раствора.

3.                     Характер обнаруженного распределения микротвердости показал существование областей с более высокими значениями по сравнению со значениями материалов в исходном состоянии, что свидетельствует о протекании межслойной диффузии легирующих элементов.

Список использованных источников

1.     Трыков Ю.П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов: монография/ Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Шморгун В.Г.  М.: Металлургиздат, 2004. 230 с.

2.     Колесников А.Г., Плохих А.И., Комисарчук Ю.С., Михальцевич И.Ю.  Исследование особенностей формирования субмикро- и наноразмерной структуры в многослойных материалах методом горячей прокатки // МиТОМ. 2010. № 6. С. 44-49. 

3.     Методы статистического анализа механических испытаний: Спр. Изд. /Л.В. Агамиров.  М.: Интермет Инжиниринг, 2004. 128 с.

4.     Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. М.: Металлургия, 1985. 408 с.