ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 447, № 4, с. 387-390
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 669.15-194:539.24
ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИ-ОРИЕНТИРОВАННОМ КОЛОНИИ ПРОДУКТОВ ЭВТЕКТОИДНОГО РАСПАДА В ПРОЦЕССЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТАЛИ ВОЛОЧЕНИЕМ © 2012 г. Академик В. М. Счастливцев, И. Л. Яковлева, Н. А. Терещенко, М. В. Чукин
Поступило в редакцию 14 августа 2012 г
В процессе пластической деформации металлов и сплавов возникает преимущественная ориентация отдельных микрообъемов относительно внешней нагрузки (текстура), что приводит к анизотропии свойств поликристаллических материалов. Характер текстуры определяется многими факторами, связанными с условиями деформационного воздействия и особенностями структуры самого материала [1].
Сплавы железа эвтектоидного состава можно рассматривать как естественный композит. Они обладают специфической структурой, состоящей из колоний параллельных пластинок двух фаз [2]. Это значительно усложняет процесс переориентации кристаллитов при деформации по сравнению с однофазным состоянием, что может существенно влиять на технологические и эксплуатационные свойства изделий [3]. Например, на начальных этапах волочения эвтектоидная сталь с хаотичным расположением перлитных колоний характеризуется неустойчивым течением. В дальнейшем по мере увеличения суммарных обжатий пластичность улучшается благодаря формированию аксиальной текстуры, при которой параллельно направлению волочения устанавливается направление (110) ОЦК-железа, а перпендикулярно оси проволоки лежат плоскости додекаэдра {110}. Но обычно после некоторой критической степени обжатия достигается технологический предел деформируемости стали и осуществлять дальнейшее волочение становится невозможным.
В настоящей работе описана эволюция структуры эвтектоидной стали в процессе пластической деформации волочением. Установлено, что причина охрупчивания стали заключается в формировании в масштабе бывшего зерна высокотемпературной фазы специфического элемента структуры — кристаллографически-ориентиро-
Институт физики металлов
Уральского отделения Российской Академии наук,
Екатеринбург
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
ванной колонии из продуктов эвтектоидного распада, включающей конгломерат морфологических колоний с единой ориентировкой вдоль плоскости скола.
Материалом для исследования служила проволока, изготовленная из стали промышленной выплавки типа 80 (0.89 мас. % С, 0.44 мас. % Мп, 0.21 мас. % 81), близкой по составу к эвтектоид-ной. Структуру стали изучали на тонких фольгах методом просвечивающей электронной микроскопии с применением электронографического анализа на микроскопе 1БМ-200СХ. Использовали также сканирующий электронный микроскоп 8ирегргоЪ 1СХА-733. Ориентировки кристаллитов определяли с помощью дифракции обратно отраженных электронов (ЕБ8Э-метод).
В исходном, т.е. горячекатаном состоянии, в результате охлаждения аустенита, деформированного в широком интервале повышенных температур, в стали сформировалась перлитная структура. Средний размер перлитной колонии составляет 10—12 мкм. Основной морфологической формой цементита в перлитных колониях являются протяженные пластины. Межпластиночное расстояние колеблется от 0.15 до 0.2 мкм.
Окончательная обработка проволоки состояла из патентирования (нагрева до 980°С и изотермической выдержки при 544—550°С в свинцовой ванне) и последующего волочения. Патентирование явилось эффективным средством измельчения структуры. За счет переохлаждения аустенита размер перлитных колоний уменьшился до 4—2 мкм, межпластиночное расстояние сократилось до 0.15— 0.10 мкм. Дифракционный контраст на электронно-микроскопических изображениях отражает тот факт, что в пределах перлитной ячейки присутствует единая ориентация ферритной составляющей. В соседних колониях перлита, образовавшихся в пределах одного бывшего аустенитного зерна, ориентировка ферритной составляющей другая. Поэтому в исходном аустенитном зерне содержится множество колоний перлита различной ориентировки.
387
3*
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры деформированной стали Ст. 80.
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение
структуры патентированной стали Ст. 80.
Для тонкой структуры патентированной стали характерно правильное, регулярное строение перлитных колоний с параллельным расположением ферритных и цементитных пластин внутри одной колонии (рис. 1). Межфазная граница феррит-цементит эквидистантная и плоская. Плотность дислокаций в феррите низкая. Внутреннее строение пластин цементита достаточно совершенное. Картина электронной дифракции содержит острые, точечные рефлексы кристаллической ОЦК-решетки феррита и орторомбической решетки цементита Fe3C. Электронографический анализ показывает, что между кристаллическими решетками двух фаз могут выполняться как ориентаци-онные соотношения Петча-Питча, так и ориен-тационные соотношения Багаряцкого.
Закономерное взаимное расположение цементита и феррита определяет условия совместной деформации обеих фаз тонкопластинчатого перлита на начальных этапах пластической деформации волочением, но по достижении истинной деформации е = 0.88 наблюдаются многочисленные порывы проволоки.
При электронно-микроскопическом изучении структуры деформированной стали установлено, что в зависимости от расположения цементитных пластин относительно направления волочения пластическая деформация отдельных колоний осуществляется различными механизмами. В перлитных колониях, в которых пластины обеих фаз расположены вдоль оси волочения, реализуется деформация скольжением. Для таких участков структуры при деформации часто сохраняется морфологическое подобие с патентированным состоянием. Внутри перлитной колонии наблюдается параллельность и эквидистантность межфазных границ, карбидная фаза сохраняет пластинчатую форму. Последствия пластической деформации в таких колониях проявляются в
уменьшении межпластиночного расстояния до 0.06 мкм за счет пропорционального утонения ферритных и цементитных пластин, увеличении плотности дислокаций в ферритной составляющей, формировании блочной субструктуры в карбидной фазе.
Благоприятное расположение части перлитных колоний относительно оси волочения позволяет реализовать в локальных микрообъемах относительно большие степени деформации за счет скольжения, но не изменяет их ориентации. Однако для обеспечения сплошности металла и непрерывности процесса волочения требуется эстафетная передача пластической деформации в окружающие микрообъемы с отличной ориентацией перлитных ячеек. Поэтому в перлитных колониях с наклонным расположением цементит-ных пластин относительно оси проволоки появляется стимул к переориентации под действием внешней нагрузки. Пластическая деформация в них осуществляется путем сдвига, ферритная фаза деформируется без затруднений, при этом морфология карбидной фазы изменяется — пластины цементита изгибаются и затем разрушаются. Если напряжения вблизи осколков цементитных пластин не достигают значений, необходимых для зарождения трещины критического размера, они релаксируют в локальных объемах за счет пластической деформации, о протекании которой можно судить по смещению осколков на расстояния, сопоставимые с толщиной цементитных прослоек. Довольно часто деформация сдвигом приводит к нарушению сплошности в локальных участках материала. На рис. 2 цепочка микротрещин проходит вдоль границы перлитной колонии, трещины расположены периодически на концах выхода цементитных пластин к границе. Кроме того, многочисленные микротрещины возникли
ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИ-ОРИЕНТИРОВАННОЙ КОЛОНИИ
389
Рис. 4. Карта ориентаций плоскостей {100} а-железа в отдельно взятом бывшем аустенитном зерне деформированной стали Ст. 80.
Рис. 3. Поверхность деформированной стали Ст. 80 в
сканирующем электронном микроскопе.
внутри перлитной колонии на межфазной границе в местах изгиба цементитных пластин.
Картина на рис. 3, созданная потоком обратно отраженных электронов в сканирующем электронном микроскопе, подчеркивает контраст отдельных участков структуры на полированной поверхности массивного образца деформированной стали, обусловленный различием ориентировки соседних элементов структуры. При относительно небольшом увеличении на ней визуализируются равноосные образования со средним диаметром, близким к 60 мкм. Геометрические параметры, описывающие их форму, соответствуют минимуму свободной энергии системы: угол в тройных стыках составляет примерно 120°, а границы имеют форму дуг с большим радиусом кривизны. Элементом структуры, адекватным по форме и размеру таким глобулям, в исследуемой стали являются "бывшие" зерна аустенита, оформившиеся в достаточно равновесных условиях при высоких температурах. Внутри таких зерен присутствуют бывшие двойники отжига, они рассекают тело глобуля большеугловыми границами на параллельные области шириной около 10 мкм. Широкий спектр оттенков серого цвета в соседних зернах аустенита обусловлен различной пропорцией между долей цементита и феррита на поверхности шлифа и отражает различие в ориентировке перлитных колоний относительно направления волочения.
Применение ББ8Э-метода позволило определить ориентацию ферритной составляющей перлита внутри отдельных элементов структуры, представленных на рис. 3. Пространственное распределение полюсов плоскости типа {110} свидетельствует о том, что типичная для ОЦК-метал-лов осевая структура в исследуемой стали не сформировалась, но имеется локальная преиму-
щественная ориентация плоскостей типа {100}. На рис. 4 приведена карта ориентаций плоскостей {100} а-железа в отдельно взятом бывшем аустенитном зерне. На ней присутствует две ориентировки ферритной составляющей перлита, одна из которых характерна для тела зерна, а вторая — для областей, воспроизводящих форму двойников отжига. На соответствующей полюсной фигуре каждая монокристальная ориентировка представлена тройкой кристаллографически эквивалентных плоскостей, находящихся в двойникованном положении друг относительно друга. Величина бывших аустенитных зерен многократно превышает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.