Диссертация. Магистерская диссертация
 Скачать 4.38 Mb.
|
|
φ 1 Φ Медь, C 112 111 90 35 45 Сера S 123 634 59 37 63 Госс, G 011 100 0 45 90 Латунь, B 011 211 35 45 90 1.2.2 Деформационные текстуры в объемноцентрированных кубических (ОЦК) металлах Деформационные текстуры ОЦК-металлов и сплавов, как правило, более сложные, чем те, что в ГЦК металлах и, несмотря на огромную важность для металлургической отрасли, они значительно меньше исследованы, большинство исследований поступили (были проведены) от групп Hutchinson и Lücke [5]. Текстура прокатки железа и низкоуглеродистой стали в значительной степени не зависит от состава и параметров процесса технологических параметров, и даже такие крупные микроструктурные неоднородности, как полосы сдвига, имеют небольшой распространение слабо выражены. Типичная {200} полюсная фигура показана на рисунке 1.7 а, где позиции четырех известных ориентаций выделены {111}<112>, {110}<011>, {211}<011> и {111}<110>. Таблица 1.2 содержит индексы Миллера и углы Эйлера для важных компонентов ОЦК текстуры прокатки. Таблица 1.2 Компоненты текстуры прокатки ОЦК металлов [5] {hkl} φ 1 Φ φ 2 001 110 45 0 0 211 011 51 66 63 111 011 60 55 45 111 112 90 55 45 11,11,8 4,4,11 90 63 45 110 110 0 90 45 18 а б а – {200} полюсная фигура б – ОПФ Рисунок 1.7 Текстура прокатки в 90% холоднокатаной низкоуглеродистой стали [5] 1.2.3 Текстуры волокна (волокнистые текстуры) Деформационные текстуры материалов, деформированных с помощью одноосных процессов, таких как растяжение, волочение проволоки, экструзии и т.д., всегда волокнистые текстуры и результаты обычно выражаются в виде обратных полюсных фигур. Для ГЦК металлов текстура описывается просто как двойная волокнистая текстура <111> и <100> параллельно оси. Относительные пропорции каждого определяются, прежде всего, γ SFE и варьируются от очень малых количеств <100> компонентов в металлах, таких как алюминий (γ SFE высокий, до почтив материалах с низкими значениями γ SFE , таких как серебро. Для ОЦК металлов оси волокон всегда <110> ив ГПУ металлах преимущественные оси <1010>. Текстуры сжатия текстур несколько отличаются и почти всегда противоположны тем, что только что описаны. Для ГЦК – металлов <110> текстура наиболее часто отмечается, нов некоторых материалах с низким γ SFE <111> компоненты также формируются. Большинство ОЦК металлов развивают текстуры, содержащих смешанные <100> и <111> компоненты [5]. 19 1.3 Текстура рекристаллизации Рекристаллизация представляет собой процесс замены одних зерен данной фазы другими зернами той же фазы, поэтому принципиальное значение приобрел вопрос о механизме этой замены. Было установлено, что основным механизмом роста центров рекристаллизации является миграция высокоугловых границ зерен. Но скорость миграции разных границ оказалась различной. Длительное время существовало ошибочное представление об аморфной структуре границ и коалесценции как основном механизме их укрупнения [5]. В общем, процессы рекристаллизации можно представить, как Диффузия точечных дефектов, их сток на дислокации и границы уменьшение плотности точечных дефектов → уменьшение свободной энергии. Структурных изменений нет. Перераспределение дислокаций скольжения с частичной аннигиляцией уменьшение плотности дислокаций → уменьшение свободной энергии. Слабые структурные изменения. Перераспределение дислокаций переползанием сих дальнейшей частичной аннигиляцией (уменьшение плотности дислокаций → уменьшение свободной энергии. Явных структурных превращений нет. Формирование малоугловых границ (МУГ) (уменьшение плотности дефектов → уменьшение свободной энергии. Возникает новая ячеистая субструктура. Возникновение большеугловых границ (БУГ миграция МУГ и БУГ в сторону деформированной матрицы (уменьшение плотности дефектов уменьшение свободной энергии. Структурное превращение связано с образованием и ростом новых зерен. Миграция новых БУГ (уменьшение плотности дефектов → уменьшение свободной энергии. Структурные изменения связаны с ростом одних новых зерен за счет других. При изучении микроструктуры при увеличениях под световым микроскопом, наблюдаются удлиненные зерна с искаженной формой, вытянутые в направлении холодного деформирования. При более высоких степенях пластической деформации часто наблюдаются линии скольжения, являющиеся расположенными под углом мезоскопическими неоднородностями, возникающими вследствие высокой локальной деформации. При изучении микроструктуры под электронным микроскопом выявляются такие субструктурные элементы как сложные дислокационные построения ячеистой формы и двойники. Последние особенности микроструктуры являются важной характерной особенностью в случае низкой величины энергии дефектов упаковки (порядка 20–40 мДж/м 2 ). В материалах с еще более низкой энергией дефектов упаковки могут происходить вызванные деформацией мартенситные превращения. Для проведения последующих технологических операций в процессе производства металлических материалов, подвергнутых значительной 20 холодной деформации и характеризующихся высокой прочностью и твердостью при одновременном снижении пластичности и вязкости, обычно требуется восстановить их первоначальное пластичное (отожженное) состояние [5]. В этом контексте возврат, рекристаллизация и конкурентный рост зерен являются наиболее важными и эффективными методами термомеханической обработки, позволяющими придать холоднодеформированным металлическим материалам прежнее более пластичное состояние, легче подвергающееся деформированию [5]. Соответственно, до проведения последующих производственных этапов микроструктура, а также механические и электрические свойства кристаллических материалов, наблюдающиеся после сильной пластической деформации, могут быть восстановлены до тех, которыми они обладали в первоначальном состоянии. Статическая первичная рекристаллизация начинается при нагреве деформированных металлов до высокой температуры. На практике это обычно означает выдержку холоднодеформированных материалов при температуре, превышающей 1/3 от их соответствующей абсолютной температуры плавления, в течение определенного времени, равного, как правило, 1 часу. Более высокие температуры рекристаллизации в большинстве случаев требуют более коротких продолжительностей нагрева. Термин динамическая рекристаллизация относится ко всем процессам рекристаллизации, происходящим в процессе пластической деформации [5]. Такие процессы, как правило, происходят при горячей деформации материала при температурах, превышающих половину от абсолютной температуры плавления. В кинетике процесса разупрочнения при таком нагреве (отжиге) можно выделить три основных стадии, а именно возврат, рекристаллизацию и конкурентный рост зерен. Возврат, как правило, происходит при низких температурах и включает в себя термически активируемое движение, уплотнение и аннигиляцию точечных дефектов ив частности, аннигиляцию и перераспределение дислокаций [5]. Благодаря существующей сильной тенденции к самоупорядочению дислокаций возврат приводит к образованию отчетливо выраженных субзеренных структур, состоящих из малоугловых межзеренных наклонных границ и границ кручения. В процессе продолжающегося возврата происходят дальнейшая аннигиляция дислокаций и особенно конкурентный рост субзерен [5]. Этот механизм перекрывается с наступлением рекристаллизации, характеризующейся процессами неоднородного образования зародышей. В некоторых материалах образование зародышей при рекристаллизации может являться следствием неоднородного роста субзерен, при котором в части субзерен аккумулируется достаточно значительная разориентировка относительно деформированной окружающей микроструктуры [5]. 21 В результате возврата топология зерен деформированных кристаллических материалов, как правило, остается незатронутой, поскольку движение высокоугловых границ зерен не происходит. Вместо этого происходят описанные выше перераспределения дислокаций внутри зерен деформированного материала. Относительно небольшие и непрерывные изменения твердости, происходящие при статическом возврате, играют важную роль благодаря плавному снижению упругих искажений материала, которое связывают с уменьшением плотности дислокаций, с образованием дислокационных построений ячеистой формы структур и с ростом этих субзерен. Притом, что возврат включает термически активированное образование и реконфигурацию дислокационных субструктур в деформированном материале, рекристаллизация связана с теми процессами, которые включают в себя образование и последующее движение новых высокоугловых границ зерен. Вновь образующиеся поверхности разделав результате неоднородно протекающего процесса сметают возникшую при деформации субструктуру с образованием разупрочненной поликристаллической микроструктуры. Рекристаллизация начинается тогда, когда величина термической активации является достаточной для того, чтобы создать условия для зарождения и роста недеформированных новых зерен в пластически деформированной матрице [5]. Поскольку вновь образующиеся зерна сметают возникшую при деформации микроструктуру в результате неоднородно протекающего процесса, образование зародышей при рекристаллизации можно описать как процесс, приводящий к возникновению локальных недеформированных зон в деформированной матрице. Эту вновь образующуюся недеформированную область окружают вновь образующиеся или выпуклые подвижные высокоугловые границы зерен. При рекристаллизации одновременно значительно снижаются прочность и твердость и зачастую темп снижения намного превосходит наблюдающийся при возврате. В процессе рекристаллизации первоначальная пластичность, которую металл имел до холодной деформации, восстанавливается. Самая низкая температура, при которой в микроструктуре предварительно пластически деформированного металла появляются вновь образующиеся недеформированные зерна, называется температурой рекристаллизации. Эта температура зависит от величины зерна, степени пластической деформации, траектории деформации и присутствия растворенных атомов или частиц второй фазы. Температура рекристаллизации, как правило, составляет 1/3…1/2 от выраженной в Кельвинах абсолютной температуры плавления материала. Рекристаллизация заканчивается, когда все первоначально деформированные зерна сметены подвижными границами зерен. После этого, а также локально в процессе протекающей рекристаллизации, начинается рост зерен, те. конкурентное, протекающее под воздействием 22 капиллярных процессов огрубление зерен. Этот процесс также приводит к дальнейшему изменению прочности материала благодаря увеличению среднего размера зерна и связанному с этого снижения зернограничного упрочнения Холла-Петча. Термодинамической движущей силой роста зерен является снижение общей площади межзеренных границ [5]. 1.3.1 Текстуры возврата Возвратом называют 1) процесс перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов (вакансий, межузельных атомов) в пределах зерен 2) движение вспять дислокаций, образовавшихся при деформации легким скольжением, и частичная аннигиляция дислокаций противоположных знаков. Данный процесс не сопровождается образованием новых границ, он может протекать в монокристаллах ив пределах отдельных зерен поликристаллов. Механические свойства металлических материалов значительно зависят от их микроструктуры и текстуры, которые определяются как составом этих материалов, таки той термомеханической обработкой, которой их подвергают. Если рекристаллизация характеризуется образованием и движением новых высокоугловых границ, то при возврате сохраняются как существующая зеренная структура, таки исходная текстура деформации, возникшая при холодной деформации. Это означает, что для создания требующейся кристаллографической структуры требуется разработка адекватных режимов рекристаллизации. Следовательно, надлежащее понимание и использование возникающих в результате рекристаллизации характеристик является необходимым условием для разработки кристаллической анизотропии поликристаллического образца. В свою очередь, поскольку при возврате воздействие оказывается только на находящиеся внутри зерен дислокации и на ячеистую субструктуру, тов результате возврата конечная текстура термически обработанного материала может наследовать исходную текстуру холоднодеформированного материала. В этом контексте возможны два сценария возврата. Согласно одному из этих сценариев, все зерна вместо рекристаллизации претерпевают возврат, что происходит, например, в том случае, когда материал с высокой энергией дефектов упаковки после незначительной деформации подвергают термической обработке при низких температурах. Это приведет к ситуации, при которой исходные формы зерен и кристаллографическая текстура сохранятся теми же, какими они являлись до термической обработки, и лишь расположенные внутри зерен дислокации и ячеистая структура претерпят релаксацию согласно описанному выше [5]. Во втором сценарии допускается возможность того, что одни зерна претерпят рекристаллизацию, а другие зерна претерпят возврат. Такой процесс приведет либо к совместному существованию рекристаллизованных и претерпевших возврат зерен, либо к постепенному выметанию 23 последних рекристаллизованными зернами, происходящим, однако, в условиях низких движущих сил. 1.3.2 Текстура первичной рекристаллизации Первичная рекристаллизация - процесс формирования и роста в деформированной матрице новых зерен той же фазы, свободных от структурных несовершенств или значительно совершеннее зерен исходной матрицы и отделенных от других зерен высокоугловыми границами. Основной движущей силой первичной рекристаллизации является уменьшение избыточной объемной энергии, накопленной при пластической деформации. Она, прежде всего, определяется разностью плотности дислокаций дои после деформации. Первичная рекристаллизация представляет собой структурное превращение, протекающее по механизму зарождения и роста центров рекристаллизации, поэтому хорошо описывается в рамках формальных кинетических теорий фазовых превращений. Данное превращение начинается при нагреве после деформации множественным скольжением. Температура ее начала тем ниже, а температурный интервал между началом и концом первичной рекристаллизации для однофазных сплавов тем уже, чем больше степень деформации. Центры рекристаллизации формируются прежде всего в участках кристаллической решетки, которые сильнее всего разориентированы и искажены при наклепе. Процессырекристаллизациимогутпривестикхарактернымизменениямор иентировок, а именно к появлению различных типов кристаллографических текстур. Процессы, которые в основном характеризуются плавной перестройкой и релаксацией внутренней аккумулированной дислокационной субструктуры безучастия движения высокоугловых границ, естественным образом не связаны с серьезными изменениями первоначальных текстур деформации. Это означает, что, например, возникшие при холодной прокатке текстуры, в тех случаях, когда происходит лишь возврат, остаются в основном неизменными. В случае первичной рекристаллизации это не так. Как отмечалось выше, начальная стадия рекристаллизации характеризуется возникновением разных типов процессов образования зародышей. Поскольку образование зародышей описывается как процесс, включающий образование новых подвижных высокоугловых границ зерен, соответствующие изменения при рекристаллизации являются следствием вышеуказанного процесса, особенно если допустить, что зародыши распределены случайным образом и что все границы зерен имеют одинаковую скорость при выметании деформированной микроструктуры [5]. Как правило, эта упрощенная картина в действительности не реализуется, а вместо этого переход от текстуры деформации к конечной текстуре отжига обычно определяется совместным воздействием как 24 конкретного механизма образования зародышей, таки селективного роста, который происходит по механизму конкурентного продвижения границ зерен. Новые ориентационные компоненты, являющиеся характерными для определенных процессов образования зародышей, в большинстве случаев уже существуют в деформированной микроструктуре, однако лишь в очень малой объемной доле. Например, если твердая частица второй фазы окружена локальными градиентами ориентировок в деформированной матрице, то возможно, что в этой области может образоваться зародыш, поскольку в таких областях может быстро аккумулироваться разориентировка с последующим образованием высокоугловых границ зерен [5]. Исходная объемная доля материала, из которого возникает такой зародыш, может быть настолько мала, что ее с трудом удается выявить в статистическом распределении ориентировок деформированного материала, таком, например, как полученном с помощью методов ДРА. В случаях, когда такой зародыш, возникший по механизму СЧОЗ и растущий из этих зон искаженной решетки, представляет преобладающий механизм образования зародышей, и когда все границы зерен имеют одинаковую скорость (как в мысленном эксперименте, конечная текстура рекристаллизации будет существенным образом отличаться от исходной текстуры деформации. Аналогичная ситуация возникает в случае образования зародышей при рекристаллизации в области полос сдвига [5]. В этом процессе зародыш, как правило, образуется у поверхности раздела между внутренней частью полосы сдвига и окружающей матрицей. Эта область соответствует зоне наиболее высокой запасенной энергии и наивысшего искажения решетки. Из этого следует, что в процессе стадии образования зародышей в этой области возможно быстрое аккумулирование больших разориентировок за счет неоднородного роста (огрубления) субзерен. Поэтому такие зародыши часто образуются быстро ив дальнейшем эффективно выметают окружающую их деформированную матрицу. Исходный объем, из которого зародыши возникают и чью ориентировку они наследуют (подобно описанному выше случаю СЧОЗ), как правило, является настолько небольшим, что его с трудом удается выявить в статистическом распределении ориентировок деформации. Однако, эти первоначально очень маленькие ориентационные зоны, являющиеся специфической особенностью деформированной микроструктуры, уже присутствуют, ив конечной текстуре рекристаллизации они могут преобладать. Типичными местами, в которых такие механизмы доминируют, являются полосы деформации, полосы сдвига, переходные полосы, СЧОЗ и деформационные двойники [5]. Во всех указанных случаях унаследованные лежащие в основе субструктуры соответствуют наиболее сильно деформированным, которые зачастую характеризуются ориентационными отклонениями от ориентировок окружающей матрицы. Поэтому в таких местах потенциально могут быстро создаваться подвижные границы относительно окружающих зерен. Это 25 представление в контексте образования текстур рекристаллизации носит название концепции ориентированного образования зародышей. Помимо этих примеров, показывающих как процесс образования зародышей может воздействовать на изменения ориентировок и инициировать эти изменения, также различия в подвижности между разными типами границ зерен могут привести к существенными характерным изменениям текстуры при рекристаллизации. Такие механизмы носят название ориентированный рост. В рамках этой концепции допускается, что на начальном этапе рекристаллизации в структуре материала существуют зародыши всех ориентировок, однако текстура рекристаллизации будет определяться теми ориентировками в деформированной матрице, которые растут быстрее. Ранее Либманом с сотрудниками при проведении экспериментов на монокристаллах уже было установлено, что скорость роста зависит от разориентировки. Как отмечалось выше, в зависимости от чистоты материала некоторые типы границ зерен, например, <111> с углом разориентировки около 40° в металлах и сплавах с гранецентрированной кубической решеткой, могут обладать намного большей подвижностью по сравнению с другими границами зерен [5]. Это преимущество в подвижности также может привести к определенным изменениям в ориентировках, поскольку в спектре ориентировок, существующих при образовании зародышей, лишь некоторые из них будут очень быстро расти за счет компонентов текстуры деформации, а именно те из них, которые имеют наиболее быстрорастущие ориентировки относительно главных ориентировок текстуры деформации. Эти два примера, в которых описаны крайние случаи изменения текстуры при рекристаллизации, относятся к модели ориентированного образования зародышей и к модели селективного роста, соответственно [5]. В этих моделях особо отмечается, что основной характерной чертой процесса первичной рекристаллизации является возможность полного изменения кристаллографической текстуры с переходом от исходной текстуры деформации, возникшей при сильной холодной деформации, к полностью измененной текстуре рекристаллизации, которая может состоять из компонентов текстуры, появление которых связано либо с определенным задействованным механизмом образования зародышей, либо с преимуществом в подвижности некоторых границ зерен. Поэтому анализ кристаллографических текстур всегда являлся важным инструментом статистического (ДРА) и локального (ДОЭ, ТЕМ) анализов, используемым для изучения основных механизмов, лежащих в основе процесса рекристаллизации. В этой связи замечательными являются результаты наблюдений, свидетельствующие о том, что образование полностью случайных распределений ориентировок при холодной деформации и последующей термической обработке металлов, включающей процессы возврата и рекристаллизации, является не правилом, а редким исключением. Другими словами, цель, заключающаяся в получении поликристаллических сплавов со 26 случайными текстурами, как правило, является труднодостижимой. Зачастую лишь умело подобранное сочетание разных действующих механизмов, определяющих процессы возврата, рекристаллизации или случайного образования зародышей, позволяет получать случайные текстуры [5]. Для получения листовых металлических изделий с минимальной анизотропией упругих и пластических свойств, которые используются в аэрокосмической, пищевой (для изготовления упаковки пищевых продуктов) и автомобильной отраслях промышленности, текстуры алюминиевых сплавов и сталей часто разрабатываются такими, чтобы после рекристаллизации анизотропия пластических свойств была бы минимальной. В сталях с объемноцентрированной кубической решеткой для целей листовой штамповки желательными основными компонентами текстуры, как правило, являются {111} |