4.4. Изучение мартенситные превращения в нержавеющей аустенитной стали 12х18н9, облученной альфа частицами

Исследовали две аустенитные нержавеющие стали следующего состава (вес %): 0,1%C, 1,67%Mn, 0,34%Si, 0,032%P, 0,013%S, 17,00%Cr, 9-10,66 % Ni, 0,5% Ti – остальное Fe, несколько различающиеся содержанием никеля. Из стальных заготовок, имеющих форму пластин толщиной 0,25-0,35 мм, с помощью специально разработанного штампа были изготовлены образцы для механических испытаний в виде двойной лопатки с размерами рабочей части 10х3,5 мм и толщиной 0,25-0,30 мм. Образцы отжигали при температуре 1323К (30 мин.) и закаливали в воду. Часть термообработанных образцов была облучена на изохронном циклотроне У-150 ИЯФ НЯЦ РК альфа – частицами с энергией 50 МэВ «на прострел» флюенсом 2·10¹⁷ част/см², другая часть проб была равномерно по объему имплантирована гелием до концентрации 10^-3 ат.%.

Необлученные и облученные стальные образцы испытывали на растяжение со скоростью 0,5 мм/мин на универсальной испытательной машине «Инстрон-1195» при комнатной температуре. В процессе деформирования регистрировали инженерную диаграмму в координатах «нагрузка – удлинение», а также кривую «количество ферромагнитной фазы – удлинение», для построения которой использовали ферритоскоп Fischer MP-30. При этом содержание α -фазы определяли как в шейке деформируемого образца, так в участках, далеко отстоящих от нее.

С целью определения локальных «истинных» напряжений и деформаций был использован разработанный нами метод цифровой оптической экстензометрии [9], наиболее успешно используемый для радиоактивных образцов. В этом методе на каждом шаге деформации с помощью системы технического зрения и специально созданных компьютерных программ анализируется распределение расстояний между отметками, нанесенными на поверхность образца, а также изменение формы отметок.

На рисунке 1а приведены машинная диаграмма растяжения необлученного образца стали 12Х18Н10Т и кривая накопления в нем -мартенсита деформации в области шейки на образце. Из рисунка 1а видно, что -фаза начинает образовываться при деформации ~25%.

а	б
Рис. 21. Инженерная (1) и «истинная» (2) кривые растяжения образцов нержавеющей стали 12Х18Н10Т (а) и облученной альфа-частицами «на прострел» стали Х18Н9 (б). Кривые накопления мартенситной фазы при деформации необлученной стали 12Х18Н10Т (3) и легированной гелием (10-3 ат%) (4).

На рисунке 21б представлена первичная кривая растяжения образца стали Х18Н9, облученного «на прострел» альфа-частицами. Из рисунка 21б следует, что прочностные характеристики облученной хромоникелевой стали типа 18-9 больше, чем у необлученной типа 18-10 в то время как пластичность, характеризуемая величиной относительного удлинения, осталась практически на том же уровне. На рисунке 21а для сравнения приведены инженерная (машинная) и «истинная» диаграмма растяжения необлученной стали 12Х18Н10Т. Последняя кривая была построена с учетом изменения площади сечения образца вследствие его удлинения. В результате анализа «истинных» кривых деформационного упрочнения стальных образцов установлено, что «истинные» критические напряжения образования мартенситной -фазы в необлученной стали 12Х18Н10Т оказались равными 620 МПа, тогда как для облученной «на прострел» стали Х18Н9 они составили 650 МПа.

Обращает на себя внимание тот факт, что в необлученном образце стали Х18Н9, имевшем сравнительно небольшую толщину (0,25 мм) и деформированном при комнатной температуре, -мартенсит образовывался только на заключительной стадии разрушения, а не во время растяжения. Оценки «истинных» значений напряжения разрушения _р показали, что в этом случае _р 600 МПа, т.е. не достигали уровня напряжений, при которых возможно образование -фазы – 620-650 МПа.

На рис. 21 приведены также кривые накопления мартенситной -фазы, индуцированной деформацией. Они показывают как в процессе растяжения изменяется количество -фазы в шейках деформируемых образцов. Видно, что кинетика накопления мартенсита различна в различных образцах. Из рисунка 21б также следует, что к моменту, когда образец растянулся на 40%, в шейке облученной стали типа 18-9 образовалось мартенситной -фазы в два раза больше, чем в необлученной.

Измерения содержания ферромагнитной α’-фазы в стальном деформированном образце показали, что на начальных стадиях растяжения распределение -фазы однородно по всей его рабочей длине. Однако, с началом локализации деформации, скорость образования и накопления α-фазы в области будущей стационарной шейки становится значительно больше, чем в других частях образца. Типичная кривая распределения ферромагнитной α-фазы по длине деформированного образца приведена на рисунке 22. Здесь же показано, как распределены по рабочей длине значения «истинных» напряжений, найденные с использованием метода цифровой оптической экстензометрии. Видно, что обе кривые имеют максимум в области шейки, которая в данном случае образовалась на расстоянии 12 мм от неподвижного захвата. В этой области выпало максимальное количество (0,25 %) мартенситной α - фазы при напряжении 1180 МПа. Обращает на себя внимание тот факт, что образование мартенсита деформации в образце стали Х18Н9, облученной альфа-частицами «на прострел», было также неоднородным на стадии локализации пластического течения (рис. 23).

Рис. 22. Распределение мартенситной α - фазы (1) и «истинных» напряжений (2) по длине деформированного образца стали 12Х18Н10Т

Рис. 23. Кинетические кривые образования мартенситной α - фазы в различных участках деформируемого образца стали Х18Н9, облученной альфа-частицами «на прострел». 1,2 - шейка, ,3,4 – участки на образце, далеко отстоящие от шейки

Установлено, что в процессе растяжения, как необлученной, так и облученной альфа-частицами метастабильных нержавеющих хромоникелевых сталей типа 18-9 и 18-10, мартенситная -фаза зарождается и накапливается неравномерно по длине деформируемого образца, причем протекает интенсивнее в шейке, чем вдали от нее. В результате в области шейки выпадает максимальное количество мартенситной -фазы.

Облучение нержавеющей стали 12Х18Н9 альфа-частицами с энергией 50 МэВ «на прострел» (210¹⁷ част/см², Т_обл 100С) привело к увеличению интенсивности прямого мартенситного превращения при деформации и практически не повлияло на закономерности обратного  превращения при отжиге деформированных облученных образцов.