автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Кинетические и структурные особенности превращений в конституционных сталях при большой пластической деформации и последующием нагреве

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

На правах рукописи

ЧАЩУХИНА ТАТЬЯНА ИГОРЕВНА

КИНЕТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРЕВРАЩЕНИЙ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ ПРИ БОЛЬШОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ НАГРЕВЕ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая

обработка металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

член-корреспондент РАН В.М. Счастливцев

кандидат технических, наук М.В. Дегтярев

Екатеринбург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение........................................................................................................................................................................................................................................................4

1. Литературный обзор..............................................................................................................................................................................................8

1.1 Структура металлов и сплавов после больших пластических деформаций..........................8

1.1.1 Зависимость прочности от параметра субструктуры деформированного материала..........................................................................................................................................................................................................................................11

1.1.2 Факторы, влияющие на величину элементов субструктуры......................................................................14

1.1.3 Влияние схемы деформирования на структуру и механические свойства металлов и сплавов..............................................................................................................................................................................................................17

1.2 Особенности рекристаллизации в материалах, подвергнутых большим пластическим деформациям....................................................................................................................................................................................19

1.2.1 Влияние различных факторов на температуру рекристаллизации..................................................21

1.2.2 Размер зерна после рекристаллизации....................................................................................................................................24

1.3 Влияние несовершенств структуры на образование аустенита при нагреве........................26

1.3.1 Места преимущественного зарождения аустедиТа/ири-нагреве сталей

с феррито-карбидной структурой..........................................................................................27

1.3.2 Влияние холодной пластической деформации на кинетику

образования аустенита..................................................................................................................................................................................................29

1.3.3 Влияние дефектности структуры на положение критических точек Аа и Асз ■••• 33

Постановка задачи исследования..................................................................................................................................................36

2. Материал, методика эксперимента и методы исследования............................37

2.1 Исследованные стали и режимы термической обработки....................................................................................37

2.2 Деформирование исследованных материалов..........................................................................................................................39

2.2.1 Деформирование методом сдвига под квазигидростатическим давлением....................39

2.2.2 Деформирование перекрестной прокаткой...................................................................................................................40

2.3 Методики исследования.....................................................................................................................................................40

3. Упрочнение ОЦК сплавов железа после большой деформации................42

3.1 Изменение твердости при деформировании методом сдвига под давлением....................42

3.2 Влияние способа деформирования на структуру и твердость сплавов

железа с различным содержанием углерода..............................................................................................................................53

3.3 Зависимость микротвердости от параметра субструктуры

ОЦК сплавов железа............................................................................................................................................................................................................61

ВЫВОДЫ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ....................................................................................................................................................................65

4. Эволюция структуры при отжиге ОЦК сплавов железа, подвергнутых большой пластической деформации............................... 66

4.1 Влияние схемы деформации на изменение твердости и структуры

армко-железа при отжиге............................................................................................. 66

4.2 Влияние содержания углерода на характер рекристаллизованной

структуры конструкционных сталей, деформированных прокаткой...................... 74

4.3 Влияние способа деформирования на изменение твердости и структуры

при отжиге конструкционной стали........................................................................... 88

4.4 Влияние исходной структуры на рекристаллизацию конструкционной

стали, деформированной методом сдвига под давлением....................................... 95

ВЫВОДЫ К ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.............................................................................. 110

5. Образование аустенита при нагреве конструкционной

стали, подвергнутой большой пластической деформации................................112

5.1 Влияние дефектности структуры на образование аустенита в конструкционной стали в межкритическом интервале температур..............................................113

5.2 Влияние дефектности структуры на кинетику а-у превращения

в конструкционной стали вблизи температуры Аа................................................................................................137

ВЫВОДЫ К ПЯТОЙ ГЛАВЕ...................................................................................... 143

Общие выводы............................................................................................................ 144

Список литературы

146

Введение

Многообразие свойств, которому сплавы железа обязаны своим широким применением, обеспечивается способностью этих сплавов претерпевать под влиянием внешних воздействий разнообразные фазовые и структурные превращения [1]. В рамки сложившихся представлений, ставших уже классическими [2-5], не всегда укладываются результаты, к которым приводит интенсифицирование внешних воздействий (температуры, давления, деформации и т.д.). Интенсивные воздействия часто лежат в основе экологически безопасных ресурсосберегающих современных технологий. Это определяет не только научную, но и практическую значимость исследования поведения железных сплавов в новых, ранее не реализуемых условиях.

Важно не только разрабатывать режимы обработки, обеспечивающие получение заданных свойств, но и прогнозировать свойства, которые могут быть достигнуты при экстремальном изменении технологических параметров. При создании перспективных технологий, сочетающих формоизменение и деформационно-термическую обработку, необходимо выяснить особенности протекания фазовых и структурных превращений в сплавах на основе железа, подвергнутых экстремально высоким степеням пластической деформации. Решению этого вопроса и посвящена настоящая работа.

Холодная пластическая деформация является одним из наиболее действенных способов повышения плотности дефектов структуры металлов и сплавов. Увеличение плотности дефектов ведет с одной стороны непосредственно к возрастанию прочностных свойств и снижению пластичности и вязкости, а с другой воздействует на свойства опосредованно через влияние на фазовые и структурные превращения, изменяя их темпера-турно-кинетические параметры и морфологию образующихся фаз [5].

Один из наиболее важных структурных параметров сплавов железа - величина зерна. Известно [6], что измельчение зерна служит уникальным способом, позволяющим одновременно повышать прочность и пластичность, а для сплавов с ОЦК решеткой - снижать температурный порог хладноломкости. К моменту постановки настоящей работы, применяя такие способы, как сверхбыстрый лазерный нагрев [7] или деформацию прокаткой в температурном интервале динамической рекристаллизации [8], удалось измельчить зерно в конструкционной стали до 1-3 мкм. В то же время в конце 80-х - начале 90-х годов появились работы [9-13], авторам которых удалось при деформировании ГЦК сплавов

достичь рекордно высоких степеней деформации и установить их влияние на основные особенности деформационного упрочнения, рекристаллизации и выделения вторых фаз, в том числе, получить в результате последующей статической рекристаллизации зерно порядка 1 мкм [11]. Кроме того, несколько ранее были опубликованы результаты [14], показывающие, что высокая плотность дефектов структуры, созданная при холодной пластической деформации в конструкционной стали, значительно ускоряет образование аустени-та при нагреве и в некоторых случаях может понизить температурный интервал превращения. Хотя по ряду методических причин прямое наблюдение структуры в этих работах не проводили, полученные результаты позволяют предположить, что таким путем возможно измельчить аустенитное зерно в конструкционной стали. Именно эти результаты явились гносеологическими предпосылками настоящей работы. Практическая и методическая основа определяется технологиями холодной деформации, развиваемыми в отделе высоких давлений ИФМ УрО РАН [15-18].

Цель данной работы состояла в создании в конструкционной стали посредством деформации предельно искаженной кристаллической структуры, а также в выяснении закономерностей структурообразования как при больших пластических деформациях, так и в ходе последующего нагрева до температур рекристаллизации и фазовой перекристаллизации.

Основные методы исследования - просвечивающая электронная микроскопия и измерение микротвердости. Кроме того, использовался метод оптической металлографии.

На основании исследования превращений, происходящих при деформации, рекри-сталлизационном отжиге и фазовой перекристаллизации армко-железа, мало- и среднеуг-леродистых конструкционных сталей, получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Установленные закономерности упрочнения армко-железа и конструкционных мало- и среднеуглеродистых легированных сталей при холодной пластической деформации в интервале степеней до е=7-10:

-Отсутствие установившейся стадии деформации.

-Сохранение закономерности деформационного упрочнения при смене типа субструктуры.

2. Выявленные зависимости параметров рекристаллизованной структуры от химического состава, исходной структуры стали и степени холодной пластической деформации.

3. Экспериментально доказанная роль большеугловых границ, как мест зарождения аустенита при нагреве сильнодеформированной стали в межкритическом интервале температур.

4. Независимость температуры начала образования аустенита Аа при изотермической выдержке от степени предварительной деформации.

Актуальность и новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование фазовых и структурных превращений в конструкционных сталях, в которых за счет большой пластической деформации создана предельно искаженная ультрадисперсная структура.

Рассчитаны значения параметров зависимости Холла-Петча в области размеров элементов субструктуры менее 0,1 мкм.

Получены новые экспериментальные данные о влиянии углерода на формирование рекристаллизованной структуры при отжиге сильнодеформированной стали.

Показана роль плотности большеугловых границ при образовании аустенита в межкритическом интервале температур.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке режимов получения сверхмелкого зерна (менее 1 мкм) в конструкционных сталях.

Уточнена методика определения степени деформации образцов при сдвиге под квазигидростатическим давлением.

Настоящая работа была выполнена в соответствии с плановыми исследованиями в отделе высоких давлений Института физики металлов УрО РАН по теме «Физика твердого тела при высоких давлениях» (код «Обработка», № г.р. 01.96.0003497).

По результатм проведенных исследований опубликовано 4 печатных работы. Основные результаты работы доложены на:

1. VI, VII, VIII Международных семинарах «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 1993,1996,1999гг).

2. IX Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997).

3. Международном семинаре «On new approaches to Н1-ТЕСН-98» (С.Петербург, 1998).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 157 стр., включая 56 рисунков и 6 таблиц. Список использованной литературы содержит 173 наименования.

1. Литературный обзор

1.1 Структура металлов и сплавов после больших пластических деформаций

В физике прочности и пластичности особое место занимает проблема больших пластических деформаций, которые находят применение во многих интенсивных технологиях обработки металлов давлением и вызывают ряд структурных и фазовых превращений, проводимых с целью придания материалам особых механических и служебных свойств. При всех применяемых в промышленности способах формоизменения, при резании, истирании, в пластической зоне трещины, как правило, имеют дело с большими пластическими деформациями [19]. В числе причин, стимулирующих исследовательский интерес к данной теме, немаловажную роль играют успехи методического совершенствования в изучении тонкой структуры твердого тела [20] и методик физики высокого давления [21].

Специфика структурообразования и деформационного упрочнения при переходе к большим пластическим деформациям, по-видимому, впервые была отмечена и систематически изучена в работах В.И.Трефилова, Ю.В.Мильмана, С.А.Фирстова [22, 23], В.В. Рыбина [24], В.А.Павлова [25]. При электронно-микроскопическом анализе хрома, прокатанного до разных степеней обжатия, В.И. Трефилов и С.А.Фирстов с сотрудниками обнаружили, что с ростом степени деформации (е) в материале формируется качественно новый вид дислокационной структуры - сильно разориентированные ячейки. Основная их особенность - это непрерывное с деформацией увеличение углов разориентировки при слабом уменьшении поперечных размеров. Дальнейшие исследования показали, что подобная эволюция структуры присуща и другим металлам и сплавам [19, 26-30].

Для характеристики деформации, вызывающей качественные изменения в структурном состоянии материала по сравнению с состоянием, отвечающему условному пределу текучести, В.В.Рыбин [19] ввел понятие «развитой пластической деформации». На стадии развитой пластической деформации увеличение е вызывает появление крупномасштабных по сравнению с размером ячеек неоднородностей кристаллографической ориентации. Они связаны с образованием границ нового типа, которые располагаются вдоль ранее сформировавшихся субграниц и вызывают разориентировку прилегающих областей на углы более 1° [31]. Авторы работы [31 ] показали, что формирование большеугловых границ разориентации - закономерный процесс, завершающий естественный ход эволюции дислокационной структуры кристаллов на стадии развитой пластической деформации. Величина угла разориентировки и доля большеугловых границ деформационного происхождения монотонно возрастает с увеличением е. Это приводит к фрагментации кристалла, т.е. к разбиению его на микрообласти,

разориентированные на углы порядка нескольких градусов. В общем случае, чем больше е, тем мельче должны становиться фрагменты и тем сильнее они должны разворачиваться один относительно другого [19]. Авторы [19, 32-34] ввели представление о ротационных модах деформации, носителями которых являются частичные дисклинации, распространяющиеся по границам фрагментов и формирующие в конечном счете пространственную сетку больше-угловых границ. На основании этого в [35] сделан вывод о связи смены стадий деформационного упрочнения металлов со сменой механизмов взаимодействия дефектов структуры. Упрочнение на стадии зарождения ротационной пластичности связано с движением дислокаций в упругих полях дисклинационных дефектов. На стадии активной ротационной деформации упрочнение вызвано междисклинационным взаимодействием. Фрагментированное состояние можно получить в любых металлах и сплавах, но переход к нему, в зависимости от значения энергии упаковки (ЭДУ) материала, идет различными путями.

Наиболее подробно процесс перехода к фрагментированной структуре изучен на ГЦК металлах [9, 10, 12, 26, 28-30, 36-40]. Установлено, что в материалах с высокой ЭДУ он осуществляется через возникновение и развитие ячеистой субструктуры. В монокристаллах никеля и меди [10, 30] ячеистая субструктура формируется при истинной деформации порядка 1, а в интервале е =1-3 происходит накопление дислокаций в границах ячеек, не сопровождающееся упрочнением материала. Малоугловые границы насыщаются дислокациями, когда разворот на границе достигает 8-15°. В дальнейшем дислокации накапливаются внутри ячеек, что вызывает сильное деформационное упрочнение в интервале е=3,5-4,5. Затем проявляется ротационная неустойчивость, отдельные границы ячеек превращаются в большеугловые, поглощая большое количество дислокаций, и формируются свободные от дислокаций микрокристаллиты.

В монокристаллах с низкой ЭДУ формирование субмикроструктуры идет путем возникновения полос сдвига. Когда они заполняют весь объем образца, переход к фрагментированной структуре заканчивается. В монокристалле спла