ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕКСТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ОЦК И ГЦК РЕШЕТКАМИ ПРИ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2
Научная новизна 4
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 5
Заключение 20
Список литературы 21
Научная новизна 4
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 5
Заключение 20
Список литературы 21
Актуальность темы исследования
Производство листовых конструкционных и функциональных металлических материалов и изделий, как правило, включает в себя стадию термодеформационной обработки. Одним из основных типов термодеформационной обработки является горячая прокатка. В процессе горячей прокатки, помимо изменения геометрических размеров, формируется определенная кристаллографическая текстура материала. Практический интерес к кристаллографическим текстурам связан с тем, что их наличие приводит к анизотропии физических свойств, прочности и пластичности, а также склонности материала к разрушению.
Сформированная в материале на определенном переделе текстура, при последующих обработках (отжигах, деформациях), через механизм структурно-текстурной наследственности, может оказать существенное влияние на ориентационно-зависимые свойства готового изделия. Например, в техническом сплаве Fe-3%Si на стадии горячей прокатки закладываются предпосылки для формирования, ответственной за высокие магнитные свойства готовой продукции, текстуры (110)[001]. При этом собственно макроструктура полосы Fe-3%Si образуется на завершающей стадии ее обработки (высокотемпературном отжиге) при вторичной рекристаллизации.
Решение задач по получению оптимального уровня ориентационно-зависимых физических и механических свойств большой группы металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками, а также управления технологическими процессами на стадии производства из них изделий связано с уровнем понимания закономерностей и механизмов формирования текстуры при пластической деформации, а также при кристаллографически ориентированных структурных и фазовых превращениях.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью выявления закономерностей формирования и эволюции кристаллографической текстуры, с учетом соответствующих изменений физических и механических ориентационно-зависимых свойств, позволяющих оптимизировать существующие и разрабатывать новые технологии производства современных металлических материалов и изделий.
Степень разработанности темы
Результаты исследований и модели формирования кристаллографической текстуры металлических материалов подробно описаны и проанализированы в отечественной и зарубежной литературе. Представления о текстуре в металлических материалах и её влиянии на физические и механические свойства металлов и сплавов с ОЦК и ГЦК решетками в России глубоко исследованы и обобщены следующими авторами: Вишняков Я.Д., Бабарэко А.А., Гольдштейн В.Я., Штремель М.А., Горелик С.С., Вайнблат Ю.М., Соколов Б.К., Губернаторов В.В., Гервасьева И.В., Бецофен С.Я., Арышенский Е.В. и др. Наибольший вклад в развитии данного направления на западе внесли Tailor G.I., Schmid E., Bishop J.F.W., Hill R., Wassermann G., Humphreys F.J., Hatherly M., Grewen J., Raabe D., Lücke K., Engler O., Hirsch J., и др.
К настоящему времени накоплен обширный феноменологический материал, касающийся кристаллографической текстуры. Формирование текстуры деформации металлов может быть описано с позиций классических теорий Закса, Тейлора, Бишопа-Хилла и др. Общим допущением всех этих теорий является предположение о том, что деформация осуществляется только скольжением по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Связь между сдвигами по системам скольжения и поворотами кристаллической решетки осуществляется в соответствии с макроскопической теорией пластичности. В то же время с дислокационных позиций пластическая деформация представляется очень сложным процессом. Описанные в настоящее время типы взаимодействий дислокаций позволяют рассчитать с известной точностью деформацию некоторых монокристаллов. Законченная теория, описывающая изменение текстуры поликристаллов с позиций теории дислокаций, остается открытой для исследований.
Поскольку термодеформационная обработка практически всегда проводится в области высоких температур, на формирование кристаллографической текстуры могут оказывать влияние не только процессы деформации, но и процессы рекристаллизации. Рассмотрение образования текстур рекристаллизации базируется на объединенной теории ориентированных зарождения и роста. Основное положение данной теории сводится к тому, что зародыши первичной рекристаллизации обладают определенной ориентировкой, закономерно связанной с текстурой деформации, при этом растут быстрее всего те зародыши, ориентировка которых относительно текстуры деформированной матрицы соответствует максимальной подвижности их границ. Однако, происхождение текстур рекристаллизации все еще остается предметом дискуссий.
Также в процессе горячей прокатки (ГП) могут протекать не только структурные, но и фазовые превращения (ФП). Огромное количество стальных изделий производится по схемам, включающим горячую деформацию в аустенитной области с последующим охлаждением в процессе, которого реализуется у>а превращение. В результате ФП происходит изменение кристаллографической текстуры материала. При реализации сдвигового превращения (у^а'), оно происходит с выполнением многовариантных ориентационных соотношений (ОС, Курдюмова-Закса, Нишиямы-Вассермана, или др.). В современных работах отмечается, что диффузионно-контролируемые ФП также реализуются в соответствии с ОС, установленными для сдвиговых превращений. При многовариантности ОС случайное образование зародышей новой фазы в процессе ФП не предполагает формирование кристаллографической макротекстуры изделия. Однако ее наличие зафиксировано в большом количестве исследований...
Производство листовых конструкционных и функциональных металлических материалов и изделий, как правило, включает в себя стадию термодеформационной обработки. Одним из основных типов термодеформационной обработки является горячая прокатка. В процессе горячей прокатки, помимо изменения геометрических размеров, формируется определенная кристаллографическая текстура материала. Практический интерес к кристаллографическим текстурам связан с тем, что их наличие приводит к анизотропии физических свойств, прочности и пластичности, а также склонности материала к разрушению.
Сформированная в материале на определенном переделе текстура, при последующих обработках (отжигах, деформациях), через механизм структурно-текстурной наследственности, может оказать существенное влияние на ориентационно-зависимые свойства готового изделия. Например, в техническом сплаве Fe-3%Si на стадии горячей прокатки закладываются предпосылки для формирования, ответственной за высокие магнитные свойства готовой продукции, текстуры (110)[001]. При этом собственно макроструктура полосы Fe-3%Si образуется на завершающей стадии ее обработки (высокотемпературном отжиге) при вторичной рекристаллизации.
Решение задач по получению оптимального уровня ориентационно-зависимых физических и механических свойств большой группы металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками, а также управления технологическими процессами на стадии производства из них изделий связано с уровнем понимания закономерностей и механизмов формирования текстуры при пластической деформации, а также при кристаллографически ориентированных структурных и фазовых превращениях.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью выявления закономерностей формирования и эволюции кристаллографической текстуры, с учетом соответствующих изменений физических и механических ориентационно-зависимых свойств, позволяющих оптимизировать существующие и разрабатывать новые технологии производства современных металлических материалов и изделий.
Степень разработанности темы
Результаты исследований и модели формирования кристаллографической текстуры металлических материалов подробно описаны и проанализированы в отечественной и зарубежной литературе. Представления о текстуре в металлических материалах и её влиянии на физические и механические свойства металлов и сплавов с ОЦК и ГЦК решетками в России глубоко исследованы и обобщены следующими авторами: Вишняков Я.Д., Бабарэко А.А., Гольдштейн В.Я., Штремель М.А., Горелик С.С., Вайнблат Ю.М., Соколов Б.К., Губернаторов В.В., Гервасьева И.В., Бецофен С.Я., Арышенский Е.В. и др. Наибольший вклад в развитии данного направления на западе внесли Tailor G.I., Schmid E., Bishop J.F.W., Hill R., Wassermann G., Humphreys F.J., Hatherly M., Grewen J., Raabe D., Lücke K., Engler O., Hirsch J., и др.
К настоящему времени накоплен обширный феноменологический материал, касающийся кристаллографической текстуры. Формирование текстуры деформации металлов может быть описано с позиций классических теорий Закса, Тейлора, Бишопа-Хилла и др. Общим допущением всех этих теорий является предположение о том, что деформация осуществляется только скольжением по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Связь между сдвигами по системам скольжения и поворотами кристаллической решетки осуществляется в соответствии с макроскопической теорией пластичности. В то же время с дислокационных позиций пластическая деформация представляется очень сложным процессом. Описанные в настоящее время типы взаимодействий дислокаций позволяют рассчитать с известной точностью деформацию некоторых монокристаллов. Законченная теория, описывающая изменение текстуры поликристаллов с позиций теории дислокаций, остается открытой для исследований.
Поскольку термодеформационная обработка практически всегда проводится в области высоких температур, на формирование кристаллографической текстуры могут оказывать влияние не только процессы деформации, но и процессы рекристаллизации. Рассмотрение образования текстур рекристаллизации базируется на объединенной теории ориентированных зарождения и роста. Основное положение данной теории сводится к тому, что зародыши первичной рекристаллизации обладают определенной ориентировкой, закономерно связанной с текстурой деформации, при этом растут быстрее всего те зародыши, ориентировка которых относительно текстуры деформированной матрицы соответствует максимальной подвижности их границ. Однако, происхождение текстур рекристаллизации все еще остается предметом дискуссий.
Также в процессе горячей прокатки (ГП) могут протекать не только структурные, но и фазовые превращения (ФП). Огромное количество стальных изделий производится по схемам, включающим горячую деформацию в аустенитной области с последующим охлаждением в процессе, которого реализуется у>а превращение. В результате ФП происходит изменение кристаллографической текстуры материала. При реализации сдвигового превращения (у^а'), оно происходит с выполнением многовариантных ориентационных соотношений (ОС, Курдюмова-Закса, Нишиямы-Вассермана, или др.). В современных работах отмечается, что диффузионно-контролируемые ФП также реализуются в соответствии с ОС, установленными для сдвиговых превращений. При многовариантности ОС случайное образование зародышей новой фазы в процессе ФП не предполагает формирование кристаллографической макротекстуры изделия. Однако ее наличие зафиксировано в большом количестве исследований...
1. Установлено, что текстура деформации при термодеформационной обработке для
исследуемых металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками формируется в виде стабильных для данного напряжённого состояния ориентировок. Для технического сплава Бе-3%81 и технически чистого молибдена с ОЦК-решетками текстура деформации в центральном слое состоит из набора ориентировок: (001)[110], {112}<110>, {111}<112> и {111}<110>; в поверхностных слоях - (110)[001], {110}<112>, {112}<111> и {110}<111>. Для металлических материалов с ГЦК-решетками
(алюминиевый сплав 6061, аустенит) наблюдается набор стабильных деформационных ориентировок, в центральном слое: {110}<001>, {110}<112>, {112}<111>, {110}<111> и (100)[001], в поверхностных слоях - {010}<101>, {112}<110>, {111}<112>, {111}<110> и (100)[001]. Полученные наборы
преимущественных ориентировок, представляющие текстуру поверхностного слоя, соответствуют, текстуре сдвига и являются развернутой на 90° вокруг поперечного направления текстурой центрального слоя полос исследуемых материалов, соответствующей текстуре холодной прокатки.
2. Установлено, что текстура рекристаллизации, как в поверхностных, так и в центральных слоях горячекатаной полосы металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками преимущественно состоит из тех же наборов дискретных ориентировок, как и текстура деформации, но с большим рассеянием. При этом существенно изменяются ориентировки локальных областей. В техническом сплаве Бе-3%81 и технически чистом молибдене процесс рекристаллизации приводит к изменению интенсивности основных ориентировок текстуры деформации, а в алюминиевых сплавах еще и к увеличению зерен с ориентировкой близкой к (100)[001].
3. На образцах технического сплава Fe-3%Si показано, что при горячей прокатке частичное у^а-превращение интенсифицирует процесс рекристаллизации, в результате которого в подповерхностных слоях полосы текстура деформации {110}<001> заменяется на ориентировки {110}<112>...<113>.
4. Показано, что наличие углерода в твердом растворе позволяет при горячей прокатке технического сплава Fe-3%Si частично сохранить текстуру деформации (110)[001], за счет стабилизации дислокационной структуры.
5. Показано, что анизотропия прочностных механических свойств горячекатаной алюминиевой плиты в основном определяется текстурой материала, показателем которой является усредненный по ориентировкам фактор Тейлора.
6. Показано, что формирование текстуры рекристаллизации можно объяснить исходя из гипотезы о доминирующий роли кристаллографически обусловленных межзеренных границ в процессах структурных превращений, появлению которых предшествовало образование соответствующих специальных разориентаций между компонентами деформационной текстуры. В материалах с ОЦК-решёткой формирование текстуры рекристаллизации может быть объяснено подвижностью межзеренных границ близких к специальной границе Е9, и/или образованием зародышей рекристаллизации на границах Е3 и S11. В материалах с ГЦК-решеткой увеличение количества зерен с ориентировкой близкой к (100)[001], предполагается результатом преимущественного роста зерен за счет движения границ близких к Е25Ь)
7. Установлена текстура по всей толщине листа малоуглеродистой низколегированной трубной стали типа 06Г2МБ после ТМСР и последующих термообработок, включающих двойную фазовую перекристаллизацию атмср ^ Y ^ ато (где ато - бейнит или феррит). Показано, что основной объем материала (90%) после ТМСР характеризуется текстурой состоящей из набора компонент: две сильно выраженные ориентировки из {112}<110>, рассеивающиеся до {113}<110>; сравнительно слабые - две из {111}<110>, две из {111}<112> и (001)[110].
8. Установлено, что в образцах малоуглеродистой низколегированной трубной стали со структурой, сформированной в результате ТМСР, при дальнейшей их термической обработке наблюдается выраженная текстурная наследственность. Механизм данной текстурной наследственности, может быть реализован через воспроизводство при каждом фазовом переходе кристаллографически обусловленных межзеренных границ типа Е3 и S11, которые формированы между стабильными ориентировками аустенитных зерен в процессе горячей прокатки при ТМСР.
9. Установлено, что образование расщеплений при разрушении малоуглеродистых низколегированных трубных сталей с бейнитной структурой, полученных после ТМСР, связано с наличием в материале кристаллографической текстуры, формирующейся в процессе горячей деформации и последующего у>ъ сдвигового превращения. За образование расщеплений ответственными являются, вытянутые в направлении горячей прокатки, области с однородной ориентировкой (001)<110>.
10. Полученная в результате исследования информация о структурно-текстурных состояниях, реализуемых при ТМСР в стали 06Г2МБ, была использована для построения численной модели формирования структуры листов, прокатанных на стане 5000 (ПАО «ММК»). На численную модель получен патент РФ на изобретение RU 2729801 C1.
исследуемых металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками формируется в виде стабильных для данного напряжённого состояния ориентировок. Для технического сплава Бе-3%81 и технически чистого молибдена с ОЦК-решетками текстура деформации в центральном слое состоит из набора ориентировок: (001)[110], {112}<110>, {111}<112> и {111}<110>; в поверхностных слоях - (110)[001], {110}<112>, {112}<111> и {110}<111>. Для металлических материалов с ГЦК-решетками
(алюминиевый сплав 6061, аустенит) наблюдается набор стабильных деформационных ориентировок, в центральном слое: {110}<001>, {110}<112>, {112}<111>, {110}<111> и (100)[001], в поверхностных слоях - {010}<101>, {112}<110>, {111}<112>, {111}<110> и (100)[001]. Полученные наборы
преимущественных ориентировок, представляющие текстуру поверхностного слоя, соответствуют, текстуре сдвига и являются развернутой на 90° вокруг поперечного направления текстурой центрального слоя полос исследуемых материалов, соответствующей текстуре холодной прокатки.
2. Установлено, что текстура рекристаллизации, как в поверхностных, так и в центральных слоях горячекатаной полосы металлических материалов с ОЦК и ГЦК-решетками преимущественно состоит из тех же наборов дискретных ориентировок, как и текстура деформации, но с большим рассеянием. При этом существенно изменяются ориентировки локальных областей. В техническом сплаве Бе-3%81 и технически чистом молибдене процесс рекристаллизации приводит к изменению интенсивности основных ориентировок текстуры деформации, а в алюминиевых сплавах еще и к увеличению зерен с ориентировкой близкой к (100)[001].
3. На образцах технического сплава Fe-3%Si показано, что при горячей прокатке частичное у^а-превращение интенсифицирует процесс рекристаллизации, в результате которого в подповерхностных слоях полосы текстура деформации {110}<001> заменяется на ориентировки {110}<112>...<113>.
4. Показано, что наличие углерода в твердом растворе позволяет при горячей прокатке технического сплава Fe-3%Si частично сохранить текстуру деформации (110)[001], за счет стабилизации дислокационной структуры.
5. Показано, что анизотропия прочностных механических свойств горячекатаной алюминиевой плиты в основном определяется текстурой материала, показателем которой является усредненный по ориентировкам фактор Тейлора.
6. Показано, что формирование текстуры рекристаллизации можно объяснить исходя из гипотезы о доминирующий роли кристаллографически обусловленных межзеренных границ в процессах структурных превращений, появлению которых предшествовало образование соответствующих специальных разориентаций между компонентами деформационной текстуры. В материалах с ОЦК-решёткой формирование текстуры рекристаллизации может быть объяснено подвижностью межзеренных границ близких к специальной границе Е9, и/или образованием зародышей рекристаллизации на границах Е3 и S11. В материалах с ГЦК-решеткой увеличение количества зерен с ориентировкой близкой к (100)[001], предполагается результатом преимущественного роста зерен за счет движения границ близких к Е25Ь)
7. Установлена текстура по всей толщине листа малоуглеродистой низколегированной трубной стали типа 06Г2МБ после ТМСР и последующих термообработок, включающих двойную фазовую перекристаллизацию атмср ^ Y ^ ато (где ато - бейнит или феррит). Показано, что основной объем материала (90%) после ТМСР характеризуется текстурой состоящей из набора компонент: две сильно выраженные ориентировки из {112}<110>, рассеивающиеся до {113}<110>; сравнительно слабые - две из {111}<110>, две из {111}<112> и (001)[110].
8. Установлено, что в образцах малоуглеродистой низколегированной трубной стали со структурой, сформированной в результате ТМСР, при дальнейшей их термической обработке наблюдается выраженная текстурная наследственность. Механизм данной текстурной наследственности, может быть реализован через воспроизводство при каждом фазовом переходе кристаллографически обусловленных межзеренных границ типа Е3 и S11, которые формированы между стабильными ориентировками аустенитных зерен в процессе горячей прокатки при ТМСР.
9. Установлено, что образование расщеплений при разрушении малоуглеродистых низколегированных трубных сталей с бейнитной структурой, полученных после ТМСР, связано с наличием в материале кристаллографической текстуры, формирующейся в процессе горячей деформации и последующего у>ъ сдвигового превращения. За образование расщеплений ответственными являются, вытянутые в направлении горячей прокатки, области с однородной ориентировкой (001)<110>.
10. Полученная в результате исследования информация о структурно-текстурных состояниях, реализуемых при ТМСР в стали 06Г2МБ, была использована для построения численной модели формирования структуры листов, прокатанных на стане 5000 (ПАО «ММК»). На численную модель получен патент РФ на изобретение RU 2729801 C1.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕКСТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ОЦК И ГЦК РЕШЕТКАМИ ПРИ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ
