научная статья по теме РАЗВИТИЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРЕ РАЗЛИЧНОГО ТИПА, СФОРМИРОВАННОЙ ПРИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЖЕЛЕЗА Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРЕ РАЗЛИЧНОГО ТИПА, СФОРМИРОВАННОЙ ПРИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЖЕЛЕЗА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 2, с. 251-253

УДК 669.12:539.89:548.53

РАЗВИТИЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРЕ РАЗЛИЧНОГО ТИПА, СФОРМИРОВАННОЙ ПРИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЖЕЛЕЗА

© 2007 г. М. В. Дегтярев, Л. М. Воронова, Т. И. Чащухина

Институт физики металлов УрО РАИ, Екатеринбург E-mail: highpress@imp.uran.ru

Показано, что поведение при нагреве ультрадисперсной структуры, сформированной при деформации железа сдвигом под давлением, определяется ее типом, связанным со стадийным развитием деформации.

Считается, что ультрадисперсные структуры деформационного происхождения характеризуются невысокой термической стабильностью: при нагреве в них всегда растет зерно. В ряде случаев наблюдали быстрый рост отдельных центров и формирование крупнозернистой структуры [1]. В других происходит одновременное совершенствование элементов структуры, и последняя сохраняет субмикрозернистость [2]. Можно связать различную кинетику роста зерна при нагреве со стадийным развитием структуры при деформации, поэтому целью работы было исследование роста зерна в железе с ультрадисперсной структурой различного типа.

Железо чистотой 99.97% деформировали сдвигом под давлением 6 ГПа в наковальнях Бриджме-на при комнатной температуре. В этих условиях в железе барическое фазовое превращение и динамическая рекристаллизация не развиваются, а происходит непрерывный наклеп и измельчение элементов структуры [3]. При деформации е < 4 наблюдается структура ячеистого типа. Размер ячеек уменьшается до ё = 0.4 мкм. Дальнейшее измельчение элементов структуры проходит в две стадии и связано с ротационными модами деформации, приводящими к высокоугловым разворотам соседних элементов структуры. Сначала формируется структура смешанного типа, в которой с увеличением степени деформации доля малоугловых границ уменьшается, а высокоугловых растет. Затем образуется субмикрокристаллическая (СМК) структура с высокоугловыми разориен-тировками соседних элементов - микрокристаллитов [4]. Часто в литературе эти две стадии развития ультрадисперсной структуры не различают. Граница перехода к стадии СМК-структуры в исследованном железе определена при е = 6 [3]. Известно, что подвижность высокоугловых границ на два-три порядка выше, чем малоугловых [5], поэтому поведение при нагреве материала со структурой, соответствующей разным стадиям деформации,

должно различаться. Кроме того, микрокристаллиты - это готовые зародыши рекристаллизации, и данный процесс может протекать при более низкой, чем обычно, температуре, поскольку не требует стадии зарождения [6].

Исследовали рост зерна в структуре следующих типов: смешанной, полученной при деформации с е = 4 и содержащей около 5% микрокристаллитов, СМК-1 структуре, соответствующей началу стадии (е = 6), в которой сохраняется текстура и СМК-2 (е = 8) с меньшим размером и отсутствием преимущественной ориентировки микрокристаллитов [3]. Сравнивали развитие рекристаллизации при отжиге этих ультрадисперсных структур и структуры ячеистого типа, полученной при деформации с е = 0.5 осадкой в наковальнях Бриджмена под давлением 6 ГПа. Изотермические нагревы проводили при температуре от 350 до 750°С с выдержкой в течение 1 ч и при 300°С с выдержкой до 16 ч.

Смешанная, СМК-1 и СМК-2 структуры характеризуются однотипным логнормальным распределением образующих элементов по размерам. Параметры распределения закономерно уменьшаются с увеличением степени деформации. Средний размер составляет 0.35, 0.19 и 0.15 мкм соответственно, а наибольший даже в смешанной структуре не превышает 1 мкм. Таким образом, по размеру элементов все эти структуры можно классифицировать как субмикрокристаллические.

Отжиг при 300°С и ниже не приводит к рекристаллизации железа со структурой ячеистого типа. Эта температура недостаточна для формирования термоактивируемых зародышей рекристаллизации. СМК-структура рекристаллизуется при 200°С в течение 64 ч [2]. В смешанной структуре рекристаллизация при 200°С не проходит до конца. При 300°С первичная рекристаллизация СМК-структу-ры железа завершается за 30 мин [2]. Она заключается в одновременном совершенствовании границ и формы микрокристаллитов. Размер рекри-

251

7*

252

ДЕГТЯРЕВ и др.

d, мкм 3

2

д

1

¿0.5 ч0.5

Рис. 1. Влияние типа структуры на рост зерна при 300°С; Л - структура смешанного типа (е = 4), □ -СМК-1 (е = 6), ♦ - СМК-2 (е = 8).

% 30

20

10

12 0

d, мкм

Рис. 2. Микроструктура и распределение по размерам ее элементов после деформации и отжига при 300°С, 4 ч; а, б - структура смешанного типа (е = 4), в, г -СМК-1 структура (е = 6).

сталлизованного зерна и скорость его роста при изотермическом нагреве зависят не только от степени деформации (рис. 1). Преимущественная ориентировка микрокристаллитов в структуре СМК-1 обусловливает возможность роста по механизму коалесценции [2], поэтому зерно растет быстрее, чем в СМК-2. Отжиг СМК-структуры при 300°С более 30 мин приводит к формированию совершенной зеренной структуры (рис. 2в, г). На всех этапах рекристаллизации СМК-структуры наблюдается одномодальное распределение зерен по размерам [2].

Первичная рекристаллизация смешанной структуры имеет ряд отличий. Она начинается с роста отдельных центров, объемная доля которых (около 5%) соответствует исходной доле микрокристаллитов. Как и в умеренно деформированном материале, процесс характеризуется долей ре-кристаллизованной структуры (таблица). После выдержки в течение 4-8 ч структура неоднородна по типу и размеру. Столкновение рекристаллизо-ванных зерен приводит к образованию между ними прямых границ и тройных стыков с углами, близкими к 120° (рис. 2а). Обособленные рекри-сталлизованные зерна имеют границы неправильной формы. Кроме того, наблюдаются полигони-зованные субзерна с дислокационными стенками, а также сохраняется ячеистая структура. На распределении появляется второй максимум, соответствующий рекристаллизованным зернам (рис. 26). После выдержки в течение 16 ч, когда доля рекри-сталлизованной структуры достигает 95%, распределение снова становится одномодальным.

В смешанной структуре одиночные микрокристаллиты окружены высокоугловыми границами и имеют возможность для быстрого роста в наклепанную матрицу с ячеистой структурой. Таким образом, первичная рекристаллизация смешанной структуры протекает путем роста отдельных зерен, что приводит на промежуточных стадиях (порядка 50% рекристаллизации) к бимодальному распределению элементов структуры по размерам. В этом заключается принципиальное отличие смешанной от СМК-структуры, в которой микрокристаллиты соприкасаются и не получают преимущества в росте.

При повышении температуры нагрева различие в поведении смешанной и СМК-структуры еще заметнее. Приведенные на рис. 3 результаты позволяют оценить влияние типа структуры на рост зерна в температурном интервале рекристаллизации ячеистой структуры. Наименьший размер зерна получается при отжиге СМК-2 структуры, в СМК-1 зерно в 2-3 раза крупнее, но в то же время в несколько раз мельче, чем в ячеистой. Наиболее крупное зерно вырастает в структуре смешанного типа. Можно заключить, что быстрый рост микрокристаллитов в смешанной структуре подавляет

РАЗВИТИЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРЕ 253

Изменение параметров структуры в ходе отжига при 300°С чистого железа, деформированного с е = 4

Параметры

структуры 15 мин 4 ч 8 ч 16 ч

Доля рекристаллизованной структуры, % 5 50 90 95

Средний размер элементов структуры, мкм 0.6 2 3 3

Время выдержки

d, мкм 60

Завершение

первичной

рекристаллизации

40

20

200

400

600

800 T, °C

Рис. 3. Влияние типа структуры на рост зерна в температурном интервале рекристаллизации ячеистой структуры; • - ячеистая структура (е = 0.5), Л - структура смешанного типа (е = 4), □ - СМК-1 (е = 6), ♦ -СМК-2 (е = 8).

образование термоактивируемых зародышей рекристаллизации.

Важность разделения по типам ультрадисперсных структур деформационного происхождения определяется их принципиально различной термической стабильностью. Однородная СМК-струк-тура характеризуется наименьшей склонностью к росту зерна, а структура смешанного типа, содержащая мало- и высокоугловые границы, напротив, наименее стабильна.

Полученные в настоящей работе результаты позволяют объяснить наблюдаемую в разных работах различную термическую стабильность ультрадисперсных структур, полученных при большой деформации сдвигом под давлением и равно-канальным угловым прессованием.

Работа выполнена при поддержке гранта поддержки научных школ НШ-778.2003.3. Электронно-микроскопическое исследование выполнено в ЦКПЭМ ИФМ УрО РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амирханов И.М., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. // ФММ. 1998. Т. 86. Вып. 3. С. 99.

2. Дегтярев М.В., Воронова Л.М., Чащухина Т.И. // ФММ. 2004. Т. 97. № 1. С. 78.

3. Дегтярев М.В., Воронова Л.М., Чащухина Т.И. и др. // ФММ. 2003. Т. 96. № 6. С. 100.

4. Смирнова И.А, Левит В.И., Пилюгин В.П. и др. // ФММ. 1986. Т. 61. № 6. С. 1170.

5. Doherty R.D., Hughes D.A., Humphreys F.J. et al. // Mat. Sci. and Eng. A. 1997. V. 238. № 2. P. 219.

6. Воронова Л.М., Левит В.И., Смирнова И.А. // ФММ. 1990. № 4. С. 109.

0

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.

Показать целиком