ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 1, с. 93-102
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1574-194:539.89:548.53
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ АРМКО-ЖЕЛЕЗА
И СТАЛИ 30Г2Р
© 2004 г. Л. М. Воронова, М. В. Дегтярев, Т. И. Чащухина
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 08.12.2003 г.; в окончательном варианте - 12.01.2004 г.
Исследована низкотемпературная рекристаллизация армко-железа и стали 30Г2Р с субмикрокристаллической (СМК) структурой, созданной большой пластической деформацией. Низкотемпературная рекристаллизация в улучшенной конструкционной стали протекает одновременно во всем объеме материала в соответствии с кинетикой нормального роста, так же, как это было ранее показано в железе чистотой 99.97% и закаленной стали. Карбидные частицы, сохранившиеся после деформации в исследованной стали, не меняют кинетику и энергию активации низкотемпературной рекристаллизации СМК-структуры конструкционной стали. В армко-железе не все микрокристаллиты одновременно способны к росту при нагреве до температуры рекристаллизации вследствие закрепления части границ примесями, прежде всего углеродом. Обнаружено образование термически активированных зародышей рекристаллизации, приводящее к немонотонному изменению твердости и среднего размера зерна в ходе изотермической выдержки при температуре начала рекристаллизации армко-железа с СМК-структурой.
В литературе показано [1, 2], что при отжиге материала с субмикрокристаллической (СМК) структурой может наблюдаться различная кинетика рекристаллизации. В ряде работ при некоторых температурах отжига отмечен аномальный рост части зерен, который приводит к огрублению структуры и значительной разнозернистости [2]. В других случаях [1] во всем температурном интервале зеренная структура совершенствуется в условиях низкой скорости роста в соответствии с кинетикой нормального роста зерна.
По нашему мнению, это различие может быть обусловлено типом структуры, созданной в процессе деформации. В работах [3-6] было показано, что развитие структуры железа и конструкционной стали при деформации сдвигом под давлением последовательно проходит несколько стадий: дислокационной ячеистой структуры; смешанной структуры, в которой присутствуют ячейки и микрокристаллиты; однородной структуры, состоящей только из микрокристаллитов. Микрокристаллиты, в отличие от ячеек, характеризуются высокоугловой разориентировкой с окружающей матрицей, а их внутренний объем свободен от дислокаций [7]. На стадии смешанной структуры составляющие ее ячейки и микрокристаллиты имеют размер порядка 0.1-0.5 мкм. Такая структура в соответствии с классификацией по размерному признаку, данной, например, в работе [8], может быть отнесена к субмикрокристаллической. По мнению авторов работы [9], более значимой является физическая классификация, когда
характерные размеры не привязаны жестко к метрической шкале, а связаны с принципиальным изменением поведения материала.
Различные материалы, например железо с однородной СМК и конструкционная сталь со смешанной структурой, характеризуются близким размером структурных составляющих, но демонстрируют различную кинетику рекристаллизации при нагреве [4]. Первичная рекристаллизация смешанной структуры начинается с роста отдельных зерен, зародышами которых служат сформированные при деформации микрокристаллиты. При этом в ходе рекристаллизации выявлено бимодальное распределение структурных составляющих по размерам. По завершении первичной рекристаллизации распределение становится од-номодальным.
При нагреве структуры, состоящей только из микрокристаллитов, отдельные микрокристаллиты не имеют возможности для преимущественного роста, рекристаллизация развивается равномерно во всем объеме и при более низкой температуре, чем в материале с ячеистой и смешанной структурой. Снижение температуры рекристаллизации позволяет называть ее низкотемпературной [10]. На стадии первичной рекристаллизации совершенствование границ и формы микрокристаллитов сопровождается непрерывным увеличением их размеров, происходящим в соответствии с кинетикой нормального роста [1, 4, 11]. В этом случае распределение микрокристаллитов и рекри-
Таблица 1. Химический состав исследованных материалов
Марка Содержание элементов, вес. %
С Мп Си В Б Р
Армко-железо 0.009 0.18 0.13 0.10 - 0.019 0.010
30Г2Р 0.3 1.7 0.28 - 0.003 0.012 0.012
сталлизованных зерен по размерам всегда остается одномодальным.
Приведенные результаты показывают, что при классификации следует учитывать не только размер структурных составляющих, но также тип структуры и механизм ее формирования. В дальнейшем в работе субмикрокристаллической -СМК - будет называться именно однородная структура, состоящая только из микрокристаллитов.
На рекристаллизацию помимо типа структуры оказывает влияние присутствие примесных атомов и частиц второй фазы. Это влияние хорошо изучено после относительно небольших деформаций, когда в крупнокристаллических материалах создана ячеистая субструктура [12, 13]. Малая концентрация примесных атомов приводит к задержке формирования центров рекристаллизации и их роста и повышению температуры начала рекристаллизации [12]. Частицы второй фазы, с одной стороны, облегчают зарождение, а с другой - тормозят миграцию границ зерен. Наибольшее торможение достигается при большой объемной доле равномерно распределенных мелких частиц [13].
При исследовании рекристаллизации СМК-структуры в железе чистотой 99.97% и стали 20Г2Р, деформированной в мартенситном состоянии, показано, что наличие в стали атомарного углерода обусловило повышение на 200°С температуры рекристаллизации, но не изменило ее кинетику [1, 4]. В закаленной стали 20Г2Р при деформационном образовании СМК-структуры происходит полное растворение карбидных частиц, содержание атомарного углерода в матрице достигает 0.2%. Влияние значительно меньшего количества растворенных примесей и дисперсных частиц второй фазы на рекристаллизацию СМК-структуры исследовано недостаточно.
Целью настоящей работы было выяснить, как сравнительно небольшое содержание примесных атомов, прежде всего углерода, и частиц второй фазы повлияет на развитие низкотемпературной рекристаллизации при нагреве СМК-структуры, созданной при большой пластической деформации. Для исследования были выбраны сталь 30Г2Р с глобулярным цементитом и армко-желе-зо, содержащее 0.009% углерода.
Химический состав исследованных сплавов приведен в табл. 1. Образцы диаметром 5 мм и
толщиной 0.3 мм деформировали методом сдвига под давлением 6 гПа (армко-железо) и 10 ГПа (сталь 30Г2Р) на 1 и 5 оборотов наковальни. Деформацию рассчитывали, как в работе [6]:
е = «сдвиги + «осадки = 1п(1 + фЯ /Й)2)05 + 1П(Й0/Й,),
где ф - угол поворота наковальни; Я - расстояние от оси вращения; й0 и И, - толщина образца до и после деформации на соответствующем Я,.
Умеренную деформацию с е = 0.6 получали осадкой образцов под соответствующим давлением без поворота наковальни. Деформированные образцы отжигали в запаянных ампулах при давлении 10-2 МПа с выдержками различной длительности.
Измерение твердости проводили как после деформации, так и последующего отжига по радиусу образцов на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.5 Н. Нагрузку подбирали таким образом, чтобы после деформации и отжига диагональ отпечатка не превышала 1/3 толщины образца, т.е. 25 мкм. Погрешность измерений с учетом повторяемости результатов не превышала 7%. Структуру исследовали на электронном микроскопе ШМ-200СХ. Размер структурных составляющих рассчитывали по результатам более 200 измерений с погрешностью менее 10% [14]. По результатам электронно-микроскопических исследований строили гистограммы распределения микрокристаллитов и рекристаллизованных зерен по размерам после отжига различной продолжительности и анализировали параметры полученных распределений: средний размер, наиболее вероятный размер, соответствующий максимуму на кривой распределения, наименьший и наибольший размеры, а также ширину кривой распределения на половине максимальной высоты (полуширину максимума распределения).
Для определения доли рекристаллизованной структуры и объемной доли карбидных частиц использовали планиметрический метод. Долю рекристаллизованной структуры определяли методом М. Далеса [14]. Долю частиц определяли по площади сечения, занимаемой карбидами. Расчет проводили по данным 20-30 электронно-микроскопических полей, снятых при увеличении 30000-50000 с различных участков фольги. Относительная вероятная ошибка измерения составляла не более 10%.
Таблица 2. Параметры СМК-структуры и твердость армко-железа и стали 30Г2Р после деформации
Материал Исходное состояние Н, ГПа ¿с„, мкм 4вер, мкм мкм Полуширина, мкм
Армко-железо СМК-1 (е = 5.5) 4.2 0.17 0.10 0.5 0.15
СМК-2 (е = 6.7) 4.8 0.11 0.06 0.6 0.10
30Г2Р СМК-1 (е = 4.7) 5.5 0.09 0.04 0.46 0.08
СМК-2 (е = 7.3) 7.7 0.05 0.01 0.44 0.04
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Известно [3-5], что эволюция структуры в ходе деформации имеет стадийный характер. В исследованных в настоящей работе улучшенной стали 30Г2Р и армко-железе при истинной логарифмической деформации е > 3.5 и е > 5.5 соответственно происходит переход от стадии смешанной структуры, образованной дислокационными ячейками и микрокристаллитами, к стадии структуры, состоящей только из микрокристаллитов. Средний размер микрокристаллитов после такой деформации составляет 0.15 и 0.17 мкм соответственно. При увеличении степени деформации СМК-структура в железе и конструкционной стали не остается неизменной: непрерывное деформационное измельчение микрокристаллитов, приводящее к росту твердости и повышению размерной однородности структуры, сопровождается разрушением текстуры, созданной на предыдущих стадиях деформации [3]. Поэтому в настоящей работе исследовали СМК-структуру с различными параметрами (табл. 2). Кроме того, СМК-1-структура, полученная при меньших степенях деформации, характеризовалась наличием преимущественной ориентировки микрокристаллито
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.