Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Структура аустенита горячедеформированной стали

24.04.2019

Известно, что основным процессом структурных изменений в ходе самой горячей деформации является формирование субструктуры. Рекристаллизация в условиях горячего деформирования, в частности при последеформационных выдержках, идет преимущественно по механизму коалесценции субзерен. Тогда возникает представление, что обычный металлографический анализ позволяет выявить сетку не только границ, но и субграниц. Причем, если размер субзерен после динамической полигонизации, выявляемый при электронномикроскопическом исследовании на «просвет», составляет 1—3 мкм, то субзерна, выявляемые при обычном металлографическом анализе, имеют размеры ~7—10 мкм.

Можно предположить, что в своеобразных условиях горячей деформации внутри исходных, окаймленных высокоугловыми границами зерен образуется субструктура двух видев: 1) субзерна (фрагменты) размером несколько десятков микрон, 2) в пределах этих фрагментов более мелкие субзерна размером несколько микрон. Возникновение субструктуры двух видов при горячей деформации обусловлено тем, что вместо обычных возврата и полигонизации (при нагреве холоднодеформированного металла) при горячей обработке имеет место динамический возврат и динамическая полигонизация. В этом случае неизбежно наличие и динамической «рекристаллизации на месте». Термин «динамическая» предусматривает протекание «рекристаллизации на месте» в условиях непрерывно сопровождающего этот процесс деформирования с созданием внутри крупных фрагментов более мелкой субструктуры динамической полигонизации.

При непрерывно продолжающемся деформировании внутри выросших в ходе динамической «рекристаллизации на месте» крупных субзерен (7-10 мкм и более) возникают более мелкие субзерна (1-3 мкм), выявляемые при электронномикроскопических исследованиях. Внутри исходного зерна эти процессы идут в течение горячего деформирования, один за другим.

Применение модельных сталей и сплавов с мартенситной точкой ниже 0°C в качестве объектов исследования позволяет адекватно описать высокотемпературное строение аустенита и его влияние на кинетику мартенситного превращения и структуру мартенсита. Быстрое охлаждение до комнатной температуры фиксирует высокотемпературное состояние аустенита и дает возможность изучить его с помощью современных методов физического металловедения. Комплексное, исследование тонкого строения горячедеформированного аустенита и его изменений при последеформационной выдержке проведено на модельных сталях 120X6 и 120Г5 с мартенситной точкой Мн меньше 0° С.

Высокотемпературная деформация увеличивает ширину линии В{311}в аустенита сталей 120X6 и 120Г5 (рис. 228 и 229), что связано с повышением плотности дефектов строения аустенита. Последеформационная выдержка приводит к снижению ширины линии, причем интенсивность разупрочнения (по скорости падения величины В) зависит от состава стали и степени деформации Л.

В стали 120Г5 уменьшение ширины линии заметно уже через 6 с после деформации. Последеформационная выдержка т, равная 60 с, в случае обжатия на 60% вызывает практически полное разупрочнение. После деформации на 40% и такой же выдержки величина В значимо превышает уровень контрольной обработки и сравнивается с ним лишь через 10 мин. Сталь 120X6 при этих же условиях деформации и выдержке более устойчива против разупрочнения: выдержка в течение 60 с после деформации на 60% практически не влияет на величину В, а после деформации на 40% и через 10 мин заметного снижения В не происходит.

Изучение зеренного строения аустенита этих сталей под оптическим микроскопом выявляет корреляцию между изменением ширины линии и микроструктуры аустенита. Во всех случаях падение В связано с появлением новых, равноосных объемов размером 10—20 мкм, которые четко видны на фоне исходных аустенитных зерен размером 200—500 мкм.

Таким образом, деформация на 40% приводит к образованию более устойчивой структуры аустенита, чем на 60%. Важно подчеркнуть, что в обоих случаях при выдержке до 60 с основные структурные изменения стали 120X6 происходят внутри деформированного зерна, на субструктурном уровне.

Более медленное развитие процессов разупрочнения в стали, легированной хромом, связано, видимо, не только с различием диффузионных констант, но и с тормозящим влиянием карбидных выделений, а также с различием в исходной (после деформации) субструктуре, образованной при деформации этих разных аустенитных структур.

В зависимости от состава стали наблюдается различие в поведении периода решетки аустенита aу при деформации и выдержке.
Структура аустенита горячедеформированной стали

При всех режимах BTMO период решетки стали 120Г5 (см. рис. 228) не меняется и имеет такое же значение, что и для недеформировамного состояния, что говорит о неизменности содержания углерода в твердом у-растворе при деформации и выдержке в стабильной аустенитной области.

Температура деформации и выдержки (1025° С) для стали 120X6 соответствует двухфазной области «у+карбид», поэтому с увеличением времени выдержки может происходить обеднение аустенита углеродом. Действительно, выдержка в течение 10 мин заметно снижает ау (см. рис. 229). Тенденция к выделению углерода при выдержке после горячей деформации проявляется сильнее, чем при выдержке недеформированного аустенита. Так, через 600 с после деформации ау падает на 0,003 А (А=40%, нерекристаллизованное состояние) и на 0,002А (А=60%, рекристаллизованное состояние), тогда как в недеформированном аустените даже за 1200 с происходит снижение aу только на 0,001 А.

Таким образом, если по термодинамическим условиям при данной температуре и составе состояние сплава предопределяет сохранение однофазного твердого раствора (например, сталь 120Г5), то горячая деформация не приводит к формированию второй фазы. Если же соотношение термодинамических потенциалов таково, что аустенит претерпевает распад, то приложение деформации может ускорить процессы образования избыточной фазы (сталь 120X6).

Статистическое изучение характеристик тонкого строения горячедеформированного аустенита под электронным микроскопом позволило выявить подробности процессов формирования субструктуры в условиях горячей деформации и при последеформационной выдержке (по данным Л.М. Капуткиной, С.Д. Прокошкина, Н.А. Никишова).

Тонкая структура аустенита после горячей деформации характеризуется как полигонизованная. Наблюдаются четкие субграницы (рис. 230), окаймляющие объемы с довольно высокой (~ 1*10в9 см-2) внутренней плотностью дислокаций (табл. 3). В плоскости фольги видны как участки с удлиненными субзернами, ограниченными кристаллографически направленными субграницами (рис. 230,а), так и с примерно равноосными, часто четырехгранными, полигональными образованиями (рис. 230,б).

Закономерное расположение субграниц обусловлено тем, что полигональные субграницы в аустените образуются на месте плоскостей, по которым проходило скольжение типа {111}, {110}. Чередующийся контраст связан со знакопеременной разориентировкой на соседних субграницах.

Вопрос о причинах появления равноосных субзерен в результате деформации является дискуссионным. Однако более правдоподобным представляется механизм, названный Ионасом «реполигонизацией».

Предполагается, что возникновение равноосных субзерен связано с участием в скольжении нескольких его систем, и это приводит к «разрезанию» вытянутых полигонов субграницами, образующимися по другим системам скольжения в процессе деформации. В дальнейшем происходит перестройка субграниц и скругление субзерен; движущая сила этого процесса — уменьшение поверхностной энергии. Наблюдаемая после деформации «четырехгранная» система субграниц (рис. 230,б) свидетельствует в пользу этого предположения. Представление о формировании равноосных субзерен путем «сфероидизации» вытянутых, видимо, не соответствует действительности, так как в этом случае равноосные субзерна имели бы размер примерно на порядок больший наблюдаемого. Наблюдение равноосных субзерен может быть частично и результатом «разрезания» разных сечений удлиненных субзерен плоскостью фольги.

Средняя величина азимутальной разориентировки между соседними субзернами, измеренная по микроэлектронограммам, составила 2—3° (рис. 231). Максимальная величина азимутальной составляющей разориентировки на площади 12 мкм2, включающая около 15 субзерен (рис. 232), не превышала 8°, а рефлексы на микроэлектронограмме в этом случае разбиты не более чем на 4 фрагмента — свидетельство частичной компенсации разориентировок субзерен.

Результаты определения разориентировок субмикрообъемов аустенита стали 120X6 по методу рентгеновского микропучка, обеспечивающему существенно меньшую локальность анализа, также подтверждают представление о значительной компенсации разориентировок в горячедеформированном аустените (Л.М. Капуткина, А.В. Лютцау, С.Д. Прокошкин). Рефлекс {200} аустенита, полученный с площади в несколько сотен квадратных микрон, сплошной в отсутствие деформации (рис. 233), в результате деформации на 60% разбивается обычно на два (рис. 233,б), иногда на три-четыре (рис. 233, в) довольно четких фрагмента с угловым расстоянием 1—5° между ними. Максимальная же азимутальная разориентировка по такой площадке, на которой умещается несколько сотен субзерен, не превышает 12°.

Размер исходного аустенитного зерна (200—500 мкм) много больше диаметра микропучка, поэтому получаемые отражения обычно характеризуют разориентировки в пределах одного зерна. Редкие случаи наблюдения фрагментированных рефлексов от объемов, разориентированных на большие углы (рис. 233,г), очевидно, являются результатом отражения от соседних деформированных зерен.

Топографическая съемка горячедеформированных сталей 120X6 и 120Г5 по методу Берга—Баррета, позволяющему получить информацию о разориентировках в пределах нескольких дающих отражения зерен аустенита (средняя площадь зерна несколько сотых долей мм2, а площадь облучаемой поверхности 12 мм2), выявляет разбиение рентгеновских топографических изображений деформированных зерен на несколько фрагментов (рис. 234,б, г), разориентированных на 0,5—5°.


Из сопоставления результатов, полученных с помощью электронной дифракции, рентгеновского микропучка и рентгеновской топографии, видно, что горячая деформация в условиях образования полигонизованной субструктуры приводит к фрагментации исходного зерна аустенита на области, разориентированные на малые углы, со скомпенсированной (знакопеременной) разориентировкой субзерен внутри них. Разбиение рефлексов на микрорентгенограммах и топограммах от сравнительно больших областей, включающих сотни, тысячи и более субзерен, всего на несколько четких фрагментов указывает на существование нескольких близко ориентированных комплексов субзерен.

Эти экспериментальные данные позволяют объяснить ряд явлений, наблюдающихся при структурных исследованиях горячедеформированных сталей и сплавов. Во-первых, компенсация разориентировок в значительных по протяженности объемах горячедеформированного аустенита уменьшает стимул к его рекристаллизации при последеформационных выдержках. Действительно, как показано во многих исследованиях (см, выше), строение горячедеформированного аустенита является весьма термически устойчивым, и разупрочняющие процессы в нем протекают сравнительно вяло. Во-вторых, при наличии достаточно больших близкоориентированных комплексов коалесцирующих субзерен нивелируется роль исходных (до горячей деформации) большеугловых границ. И, наконец, в-третьих, эти крупные комплексы коалесцирующих субзерен, которые иногда принимают за зерна, имеют внутри более мелкие субзерна также со скомпенсированными разориентировками. Таким образом, показано существование в горячедеформированном аустените субструктуры двух порядков (рис. 235), особенно четко выявляемой при последеформационных выдержках.

В процессе последеформационной выдержки происходят изменения характеристик субструктуры горячедеформированного аустенита (см. табл. 3). С увеличением времени последеформационной выдержки до 60 с плотность свободных дислокаций р падает, а доля равноосных субзерен в стали 120X6, деформированной на 60%, возрастает с 50 до 70%, очевидно, вследствие формирования новых субграниц за счет свободных дислокаций внутри вытянутых субзерен, при этом остатков структуры горячего наклепа уже нет. Границы равноосных субзерен, возникших в процессе деформации, и новых субзерен скругляются, что приводит их к виду, характерному для сечения зерен (рис. 230,в).

Одновременно с продолжением процесса формирования новых субграниц в ходе выдержки горячедеформированного аустенита протекают процессы перестройки субструктуры, проявляющиеся в изменении расстояния между субграницами. Заметно увеличение среднего расстояния между вытянутыми субграницами D (см. табл. 3): при выдержке после 60%-ной деформации за 60 с D возросло с 0,65 до 0,8 мкм. Причиной увеличения D может быть распад субграниц, приводящий к коалесценции вытянутых субзерен. Наблюдали картины, которые можно интерпретировать как парную (рис. 236) или множественную коалесденцию субзерен (рис. 237); на снимках видны «рассыпающиеся» субграницы. Для коалесценции характерно образование крупных (размером в несколько микрон) субзерен с повышенной плотностью дислокаций и более мелких субзерен внутри крупных — субструктура двух порядков. Средняя величина азимутальной разориентировки таких укрупнившихся субзерен с соседними объемами составляет 4—6°, а максимальная по коалесцирующему комплексу субзерен в пределах 1—3°.

Все эти процессы, по-видимому, протекают также и в ходе самой горячей деформации, так как описанные выше характерные структурные состояния фиксируются и немедленным охлаждением после деформации.

В случае умеренной деформации (на 40%) образуется более устойчивая субструктура, чем при деформаций на 60%, и протекающие при последеформационных выдержках процессы ее перестройки в обеих сталях развиваются медленнее. Например, выдержка стали 120X6 в течение 60 с после деформации на 40% не приводит к значительному изменению расстояния между вытянутыми субграницами, а плотность свободных дислокаций заметно уменьшается только через 60 с после деформации (см. табл. 3). Соответственно заторможено и развитие статической рекристаллизации.

Субструктура горячедеформированного аустенита стали 120Г5 качественно не отличается от субструктуры стали 120X6, а ее изменение при последеформационных выдержках происходит аналогично наблюдаемому в стали 120X6. Однако по сравнению со сталью 120X6 плотность свободных дислокаций в деформированном состоянии в стали 120Г5 больше почти в 2 раза (см. табл. 3), а субграницы менее четкие. Это обусловлено большей склонностью марганцевой стали к деформационному упрочнению, в том числе и при высоких температурах. В одинаковых условиях высокотемпературной деформации скорость статической рекристаллизации аустенита стали 120Г5 значительно выше. Более медленное развитие процессов разупрочнения в одинаковых условиях BTMO в стали, легированной хромом, очевидно, связано не только с различием диффузионных констант и тормозящим влиянием карбидных выделений (судя по уменьшению периода решетки аустенита), но и различием в исходной субструктуре, образующейся при деформации этих разных (например, по энергии дефекта упаковки) аустенитных структур. Это проявляется, в частности, и в разной плотности свободных дислокаций, а следовательно, в накоплении энергии деформации — движущей силе процессов разупрочнения.

Процесс перестройки субструктуры аустенита приводит в конечном счете при больших последеформационных выдержках к рекристаллизации. Размер рекристаллизованных зерен, идентифицируемых под электронным микроскопом по большеугловой разориентировке с соседними областями, составляет 10—20 мкм. Центры рекристаллизации, образующиеся преимущественно путем коалесценции нескольких субзерен, возникают внутри исходного зерна и в приграничных областях. В стали 120X6 наблюдали внутризеренное зарождение, в переходных полосах, у карбидных выделений или вне связи с этими структурными особенностями (рис. 238).

По завершении рекристаллизации контуры исходных границ аустенитных зерен частично сохраняются, что создает ложное впечатление сохранения самих исходных границ. Эти контуры состоят из рассеянных выделений карбидов, и на их фоне видны границы новых, рекристаллизованных зерен. В стали 120Г5 при обеих степенях деформации формирование рекристаллизованных зерен происходит в основном по границам исходных деформированных.

Рекристаллизованные в условиях горячей деформации и последеформационных выдержек объемы уже на ранних стадиях образования могут содержать двойники и быть свободными от дислокаций или содержать большое их количество (рис. 239, 240). Выросшие рекристаллизованные зерна также имеют различную дислокационную структуру. Наряду с практически свободными от дислокаций рекристаллизованными зернами в структуре горячедеформированного аустенита стали 120X6 наблюдали рекристаллизованные зерна с повышенной плотностью дислокаций. Внутри таких зерен видны полигональные дислокационные построения (рис. 240). Наличие субструктуры в некоторых рекристаллизованных зернах может быть результатом динамической рекристаллизации или следствием особенностей механизма зарождения рекристаллизации путем коалесценции субзерен.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: