Диссертация. Магистерская диссертация
 Скачать 4.38 Mb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Институт новых материалов и технологий Кафедра термообработки и физики металлов ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ Завкафедрой (подпись) (Ф.И.О.) «______»________________2018 г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРЫ В СТАЛЬНЫХ БЕСШОВНЫХ ТРУБАХ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Пояснительная записка 2018 22.04.01 Д ПЗ Руководитель профессор д.т.н Лобанов МЛ. Консультант аспирант Данилов СВ. Нормоконтролер доцент, к.т.н. Майсурадзе МВ. Студент гр.НМТМ-262003 Макарова Е.А. Екатеринбург 2018 2 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Институт новых материалов и технологий Кафедра Термообработки и физики металлов Направление (специальность) 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов УТВЕРЖДАЮ Завкафедрой Попов А.А. (Ф.И.О.) дата, подпись) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы студента Макаровой Евгении Андреевны группы НМТМ-262003 фамилия, имя, отчество студента. Тема ВКР Особенности формирования кристаллографической текстуры в стальных бесшовных трубах при горячей деформации и термической обработке ____________________________________________________________________________ Утверждена распоряжением по факультету от _________20___ г. № _______ 2. Руководитель Лобанов Михаил Львович, профессор, доцент, д.т.н. ______________ (Ф.И.О., должность, ученое звание, ученая степень) 3. Исходные данные к работе Образцы трубных сталей различных марок после горячей прокатки и термической обработки. Литература Монографии 1) Humphreys F.J., Hatherly M. Recrystallization and related Annealing Phenomen. ELSEVIER Ltd, Oxford, 2004. 574 p.; 2)Эфрон ЛИ. Металловедение в большой металлургии. Трубные стали. М.:Металлургиздат, 2012. – с монографическая и периодическая журнальная литература по тематике работы. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) Провести анализ литературы по структуре и текстуре низкоуглеродистых трубных сталей. Исследование структурной и текстурной эволюции трубных сталей после горячей деформации и термической обработки с использованием металлографии, и метода ориентационной микроскопии (EBSD): ориентационных карт и прямых полюсных фигур. Перечень демонстрационных материалов Данные о структуре и фазовом составе стали после различных обработок. Результаты металлографического анализа, результаты ориентационной микроскопии в виде ориентационных карт и ППФ________________________________________________________________________________ ___________________________________ ______ _____________________________________ 3 6. Консультанты по проекту (работе) с указанием относящихся к ним разделов проекта Раздел Консультант Подпись, дата задание выдал задание принял Результаты и их обсуждение аспирант Данилов СВ. Календарный план Наименование этапов выполнения работы Срок выполнения этапов работы Отметка о выполнении Аналитический обзор литературы 31.03.2018 Проведение эксперимента 10.04.2018 Анализ полученных результатов 11.05.2018 Оформление дипломной записки 20.05.2018 Подготовка иллюстраций к защите 01.06.2018 Руководитель ________________________ _______________________________ подпись) Ф.И.О. Задание принял к исполнению _______________________________________ подпись) 8. Выпускная работа закончена «_____» ___________________ 20 г. Пояснительная записка и все материалы просмотрены Оценка консультантов * а) ________________________ б) ________________________ в) ________________________ г) ________________________ Считаю возможным допустить ________________________________________________ к защите его выпускной квалификационной работы в экзаменационной комиссии. Руководитель ___________________________ 9. Допустить ___Макарову Евгению Андреевну к защите выпускной квалификационной работы в экзаменационной комиссии (протокол заседания кафедры № ________ от «_______» ____________ 20 г) Завкафедрой раздел, необходимый только для выполнения дипломной работы (проекта) специалиста 4 РЕФЕРАТ Пояснительная записка содержит 70 страниц, 31 рисунков, 7 таблиц, 36 литературных источников. НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ ТРУБНЫЕ СТАЛИ, ГОРЯЧАЯ ПРОКАТКА, ТЕРМООБРАБОТКА, БЕЙНИТ, МАРТЕНСИТ, ФЕРРИТ, ОРИЕНТАЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, ТЕКСТУРА, ОРИЕНТАЦИОННЫЕ СООТНОШЕНИЯ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАЗОРИЕНТАЦИИ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГРАНИЦЫ Методом ориентационной микроскопии (EBSD) исследованы структурно-текстурные состояния бесшовных труб из сталей 08ХМФЧА, 25ХМФБ,10Х13Н3МФБ, после горячей прокатки и термических обработок. Установлено, что все структуры (феррит, бейнит, мартенсит) в изделиях как после горячей деформации, таки после термических обработок, характеризуются наличием выраженной кристаллографической текстуры, которую наиболее точно можно определить, как аксиальную, ось которой <111> является параллельной касательной к диаметру трубы. Показано, что процесс формирования текстуры также, как и наблюдающаяся в процессе термической обработки текстурная наследственность, определяются следующими правилами отбора определенных ориентаций фазы при превращении 1) наличием стабильных деформационных ориентировок аустенитных зерен 2) специальными разориентациями (границами) между зернами фазы, на которых начинается превращение 3) ориентационными соотношениями, реализующимися при превращении 4) термическими напряжениями, возникающими в изделии при его охлаждении. Последние являются ответственными за формирование специфической кристаллографической текстуры превращения в бесшовных стальных трубах. 5 ABSTRACT Explanatory note contains: 70 pages, 31 figures, 7 tables, 36 literary sources. LOW CARBON PIPE STEEL, HOT ROLLING, HEAT TREATMENT, BAINITE, MARTENSITE, FERRITE, ORIENTATION MICROSCOPY, TEXTURE, ORIENTATION RATIO, CSL ORIENTATION, CSL BOUNDARIES Microstructure and texture in seamless 0.08C–Cr–Mo–V; 0.25C–Cr–Mo–V– Nb; 0.08–13Cr–3Ni–Mo–V–Nb steel pipes were studied in as rolled and heat treated states using orientation EBSD microscopy. It was found that all types of microstructure (ferrite, martensite, bainite) as well as after hot rolling and after heat treatment have well defined axial crystallographic texture where <111> direction is predominately perpendicular to pipe surface. It was shown that texture formation in heat treated states is inherited due to following factors important for rules of orientation selection during γ to α phase transformation: 1) occurrence of stable orientation of austenite grains resulted from straining; 2) special misorientation (boundaries) of austenite grains where transformation starts; 3) orientation relationships known for phase transformation; 4) thermal stresses in product formed during cooling. The last can be considered as factor defining special texture in steel seamless pipes. 6 СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ ................................................................................................................. 4 ABSTRACT .............................................................................................................. 5 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................................... 7 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 8 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ..................................................... 9 Текстура в металлических агрегатах ............................................................ 9 1.2 Текстура деформации .................................................................................. 15 1.2.1 Текстуры деформации в ГЦК металлах .............................................. 16 1.2.2 Деформационные текстуры в ОЦК металлах ..................................... 17 1.2.3 Текстуры волокна (волокнистые текстуры) ....................................... 18 1.3 Текстура рекристаллизации ........................................................................ 19 1.3.1 Текстуры возврата ................................................................................. 22 1.3.2 Текстура первичной рекристаллизации .............................................. 23 1.4 Текстура фазовых α-γ превращений .......................................................... 29 1.5 Методы описания текстур материалов ...................................................... 34 1.6 Текстурная наследственность ..................................................................... 37 1.7 Постановка задачи исследования ............................................................... 40 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ .......................................... 42 2.1 Материал исследования ............................................................................... 42 2.2 Методика исследования .............................................................................. 43 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ........................... 46 3.1 Эволюция структуры и текстуры при производстве бесшовной трубы из стали 08ХМФЧА ................................................................................................ 46 3.2 Эволюция структуры и текстуры при производстве бесшовной трубы из стали 25ХМФБ ................................................................................................... 52 3.3 Эволюция структуры и текстуры при производстве бесшовной трубы из стали 10Х13Н3МФБ .......................................................................................... 55 3.4 Роль термических напряжений в трубных изделиях ................................ 61 3.5 Основные закономерности формирования текстуры трубных изделийпосле различных типов обработки ..................................................... 62 3.6 Выводы .......................................................................................................... 65 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 66 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 68 7 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ПН (TD) – перпендикулярное направление (transverse direction); НП (RD) – направление прокатки (rolling direction); НН (ND) – направление нормали к плоскости прокатки (normald irection); ФРО (ODF) – функция распределения ориентации (orientation distribution function); ППФ (DPF) – прямая полюсная фигура (direct pole figure); МУГ – малоугловые границы ВУГ – высокоугловые границы ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка ОЦК – объёмно-центрированная кубическая решетка ОС – ориентационные соотношения между кристаллическими решетками, выполняющиеся при фазовых превращениях Σn (где n=3, 5, 7, …) – обозначение разориентаций – РСУ-границ (где РСУ - трехмерная решетка совпадающих узлов, между двумя соседними зернами. При некоторых взаимных расположениях двух кристаллических решеток, совмещенных в общем узле, возникает РСУ. Отношение объемов элементарных ячеек решетки совпадающих узлов и исходной решетки характеризуется параметром Σn – обратной пространственной плотностью совпадающих узлов, где n принимает значение 3, 5, 7, 9 и т.д., те. совпадает каждый третий, пятый и т.д. узел кристаллических решеток. 8 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время необходимость получения в трубных изделиях ответственного назначения (магистральные трубопроводы, трубопроводы для авиационной и ядерной промышленности, трубки тепловыделяющих элементов - ТВЭЛов ядерных реакторов) уникальных комплексов механических и химических свойств (в зависимости от условий их эксплуатации, а также необходимость повышения конструктивной прочности материалов и снижения их себестоимости являются важным аспектом в металлургическом производстве. Например, снижение стоимости транспортировки углеводородов по трубопроводам нового поколения за счет повышения их пропускной способности и экономии материалов при строительстве. Производство любых конструкционных и функциональных металлических материалов, и изделий, как правило, реализующееся в виде направленных деформационных и термических воздействий, приводит к формированию в них кристаллографической текстуры. Наличие текстуры придает изделиям определенный уровень ориентационно-зависимых физико- механических свойства учет ее возникновения и развития позволяет оптимизировать известные и разрабатывать новые технологии производства данных материалов. Научной новизной и оригинальностью исследований в данном направлении является использование подхода о первостепенной роли кристаллографически обусловленных границ включая межфазные, двойниковые, специальные и полуспециальные) в формировании текстур при структурных и сдвиговых фазовых превращениях в металлах и сплавах. Данная работа направлена на развитие физических представлений о взаимосвязи процессов формирования текстуры, структуры и свойств материалов. Целью исследования является создание научно-обоснованной концепции управления процессами формирования текстуры металлических материалов в результате кристаллографически ориентированных фазовых и структурных превращений на мезо- и наноуровнях для получения необходимого комплекса функциональных свойств изделий. 9 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ Текстура в металлических агрегатах Ориентация кристаллитов в поликристаллах не всегда хаотична, как в порошках чаще наблюдается обратное явление. При различной обработке материалов (получение, термообработка и т.д.) большинство металлов характеризуются одной или несколькими предпочтительными ориентациями кристаллитов, или кристаллографической текстурой. Нехаотическое распределение ориентаций кристаллитов приводит к неоднородному распределению интенсивности в окружностях Дебая-Шеррера (рисунок) [1]. а б а – хаотическая ориентация б – текстура прокатанного и перекристаллизованного алюминия Рисунок 1.1 Схема распределений ориентаций и типичные дебаеграммы [1] 10 Для количественного определения текстуры традиционно используется рентгеновский гониометр. В нем используются монохроматические рентгеновские лучи, и геометрия взаимного расположения источника и детектора фиксируется в соответствии с брэгговским углом (2Θ) исследуемой кристаллографической плоскости. Образец помещается на держатель, который может вращаться относительно двух взаимно перпендикулярных осей и ориентировать образец практически любым образом по отношению к падающему пучку. Из-за фиксированного расположения источника и детектора дифракция регистрируется, если определенное семейство кристаллографических плоскостей {hkl}, например, {111} удовлетворяет условию (1.1). n λ = 2dsinΘ, (1.1) Переводом образца в отражающее положение выводят различные плоскости (полюса) {hkl}. Если в кубическом кристалле грани параллельны осям образца, тов прокатанном образце получаются полюсные фигуры {200}, показанные на рисунке 1.2. а б а – оси {200} перпендикулярны плоскостям решетки, чаще всего ориентируются параллельно направлениям прокатки, поперечному и нормальному направлениям б – соответствующие ориентации полюсов {111} Рисунок 1.2 Проявление кубической текстуры в полюсных [1] 11 В поликристаллических образцах измеряется соответствующие распределение полюсов {hkl}, например, после сильной деформации меди или латуни, вызванной прокаткой (рисунок 1.3). Однако распределение полюсов {hkl} не позволяет определить соответствующие ориентации кристаллов, поскольку ориентация дается тремя полюсами {100} или четырьмя {111}, связь которых в полюсной фигуре поликристалла, в отличие от монокристалла, неясна. Поданным измерениям нескольких полюсных фигур, применяя соответствующие методы расчетов, можно вычислить функцию распределения ориентаций (ФРО) [1]. а б а – 99,99% медь б – латунь (70 Cu, 30 Zn) Рисунок 1.3 Экспериментально определенные полюсные фигуры {111} и {200} прокатанных при комнатной температуре [1] 12 Ее представлением служит пространство, в котором каждой ориентации соответствует определенная точка (пространство ориентаций. Ориентацию кристалла можно определить как ориентацию одной элементарной ячейки, те. ориентацию системы координат кристалла по отношению к системе координат образца. Для совмещения этих двух систем достаточно простой операции вращения. Вращение можно описать как совокупность оси и угла вращения по уравнению, но также и тремя углами, например, эйлеровыми углами φ 1 , Фи, как принято в инженерной практике. Одно из возможных, и наиболее часто используемое пространство ориентаций определяется тремя ортогональными координатными осями, каждая из которых соответствует одному эйлеровому углу (эйлерово пространство. ФРО полюсной фигуры прокатной меди, приведенной на рисунке 1.3, и трехмерное эйлерово пространство представлено на рисунке 1.4, а. Для двумерного представления трехмерного распределения обычно используют сечения эйлерова пространства через интервалы 5° по углу рисунок 1.4, б. Для современных материалов текстурирование становится все более важным, так как вследствие него возникает анизотропия. В качестве примера можно привести образование ушек в текстурированных металлических образцах, полученных при автоматизированной прокатке металлов. Образование ушек при глубокой вытяжке является следствием текстуры [1]. а б а – трехмерное представление распределения ориентаций в прокатанной высокочистой меди в эйлеровом пространстве б – сечения этого распределения перпендикулярно φ 2 , через каждые 5° Рисунок 1.4 Представление распределения ориентации в эйлеровом пространстве [1] 13 Оно приводит к неоднородностям в толщине листов и требует дополнительного производственного этапа гомогенизации, что делает невозможным высокоскоростное производство. В этом случае текстура крайне нежелательна. В других случаях ярко выраженная текстура, напротив, крайне необходима, например, для листов в обкладках электрических конденсаторов для минимизации потерь вследствие перемагничивания. Текстура необходима ив производстве сверхпроводящих лент из высокотемпературных сверхпроводников. Поскольку критическое значение силы тока в сверхпроводнике быстро падает с увеличением угла межзеренных границ, то для практического применения сверхпроводников необходимо получать высокотекстурированные образцы. Анизотропия прочности, обусловленная кристаллографической текстурой, играет важную роль в формировании комплекса свойств труб большого диаметра [2]. Задавшись системами скольжения, можно рассчитать изменение величины предела текучести в зависимости от направления в листе для конкретной ориентировки (рисунок 1.7). Считается, что анизотропия предела текучести в сталях после контролируемой прокатки пропорциональна интенсивности компоненты {113}<110>, которую по некоторым данным можно уменьшить, снизив температуру нагрева сляба и/или температуру окончания деформации при контролируемой прокатке [3]. Анизотропия ударной вязкости также напрямую зависит от текстуры. Плоскость скола в феррите – {100}, следовательно, склонность материала трубы к хрупкому разрушению зависит от частоты встречаемости этих плоскостей в плоскости разрушения. С другой стороны, склонность к вязкому разрушению будет определяться распределением плоскостей скольжения относительно плоскости разрушения. В работе [4] анизотропию ударной вязкости при температурах выше температуры хрупко-вязкого перехода связали с интенсивностью текстурных компонент, обуславливающих наличие плоскостей {110}, расположенных под углом 45º к плоскости разрушения, то есть благоприятно расположенных для реализации процесса скольжения. Рентгеновские текстурные гониометры измеряют отражение от большого количества кристаллитов (обычно 10 5 для промышленных материалов. Соответствующая текстура является, по сути, макротекстурой. Напротив, микротекстура определяется по измерению ориентации отдельных частиц в поликристалле. Это требует измерения ориентации очень малых областей и может быть выполнено с использованием дифракции рассеянных электронов в сканирующем электронном микроскопе. Современное оборудование позволяет изучать ориентацию областей размером до 50 нм при количестве измерений более 10 000 в час. При сканировании поликристаллической микроструктуры можно получить карты распределения ориентаций (рисунок 1.5). Этот процесс называется ориентационной микроскопией. Кроме данных о локальной ориентации, это позволяет изучать разориентацию вдоль межзеренных границ, те. распределение типов межзеренных границ. Эти данные очень важны для изучения межзеренных 14 границ, например, сопротивления вследствие коррозии высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими токами. а б в га принцип образования линий Кикучи при дифракции отраженных электронов б – дифракционная картина монокристалла алюминия в – карта ориентации 41мас. % холодно прокатанного и отожженного (70 с при С) поликристалла Al – 4,5% Mg – 0,14% Mn; г) рекристаллизованный инвар (Fe – 36% Ni) Рисунок 1.5 Принцип образования линий Кикучи при дифракции отраженных электронов [1] 15 1.2 Текстура деформации Многие механические и физические свойства кристаллов анизотропны, и поэтому свойства поликристаллической структуры (агрегата, состава, совокупности, будет зависеть оттого, что отдельные зерна или субзерна, которые включает в себя образец, сориентированы случайным образом или, как правило, имеют некоторые преимущественные кристаллографические ориентации. Сумма кристаллографических ориентаций кристаллитов в поликристаллической структуре (совокупности, агрегата, состава) называется текстурой материала. Обычно текстуры и микроструктуры материала рассматриваются отдельно [5]. Изменения ориентации, которые происходят в процессе деформации, не являются случайными. Они следствие того, что деформация происходит в самых благоприятно ориентированных системах скольжения или двойникования и из этого следует, что деформированный металл приобретает преимущественную ориентацию или текстуру. Если металл затем перекристаллизовывают, зарождение ядра происходит преимущественно в связи с особенностями микроструктуры, тес регионами определенной ориентации. С технологической точки зрения глубокую пластическую деформацию в холодном состоянии, как правило, проводят для изменения формы металлической заготовки. Сточки зрения физического металловедения холодная деформация приводит к увеличению внутренней запасенной энергии. Это увеличение запасенной энергии на микроструктурном уровне связано с накоплением дефектов в кристаллической решетке. Конкретнее, большую часть внутренней энергии, которая накапливается при холодной деформации, можно связать с дислокациями [5]. Точечные дефекты, такие как вакансии и дефекты внедрения, а также поверхности раздела, возникающие в результате процессов без применения внешнего нагрева, таких, например, как деформационное двойникование или образование мартенсита, вносят лишь незначительный вклад в величину запасенной энергии При пластическом деформировании лишь относительно небольшая часть приложенной через воздействующий инструмент полной энергии деформации остается в виде запасенной энергии в материале. Основная часть этой энергии рассеивается при холодной пластической деформации в виде тепла. Это также является причиной того, почему подвергнутые сильной холодной деформации металлические сплавы могут быть очень горячими, достигая при этом температур в несколько сотен Кельвинов при их деформировании с высокими степенями. При этом плотность дефектов, остающихся накопленными в металлах, подвергнутых значительной холодной деформации, по-прежнему остается достаточно высокой для того, чтобы служить в качестве движущей силы для ряда неравновесных процессов превращения, которые, как правило, в обобщенном виде представляются как возврат, рекристаллизация и рост зерен [ 5 ]. Как правило, 16 для протекания этих процессов полная степень холодной деформации должна превышать определенную пороговую величину, а именно обычно 30…50% от обжатия по толщине или выше. 1.2.1 Текстуры деформации в гранецентрированных кубических (ГЦК) металлах Большинство данных о текстурах, имеющихся в литературе, и почти все ФРО данные относятся к рулонным материалам (материалам, подвергнутым прокатке. По этой причине, последующее краткое изложение касается, в основном, текстур прокатки. Текстуры деформации ГЦК металлов определяются в первую очередь по энергии дефекта упаковки (γ SFE ). С одной стороны, на примере алюминия с γ SFE 170 Дж/м 2 и меди с γ SFE 80 Дж/м 2 , скольжение, как режим деформации и текстуры прокатки, после больших сжатий, очень похожи, что видно на рисунке 1.6 С другой стороны, в металлах и сплавах с низкой энергией дефекта упаковки, таких как 70:30 латунь, аустенитная нержавеющая сталь или серебро, развиваются совершенно разные текстуры, которые аналогичны изображенным на рисунке 1.6 б. Термин переходная текстура широко используется для описания изменений, которые происходят в промежуточном диапазоне Общепринято рассматривать текстуры металлов с высокими значениями как текстуры чистого металла, чтобы отличить их от текстур типа сплавов, характерных для материалов с низкими значениями γ SFE [5]. а б а – 99,99% медь б – латунь (70 Cu, 30 Zn) Рисунок 1.6 Полюсные фигуры 111 95% холоднокатаных ГЦК металлов [5] 17 Ряд общих компонентов текстуры приобрели простые имена и символы, приведенные в таблице 1.1, которая также дает подробную информацию углов Эйлера основных компонентов текстуры прокатанных ГЦК металлов. Таблица Текстура компонентов в прокатанных ГЦК металлах [5] Компонент, символ {hkl} |