Введение к работе
Актуальность проблемы. Механические свойства металлических материалов, как технологические, так и эксплуатационные, в значительной степени определяются внутренним строением или структурой металла или сплава. Получение изделий и полуфабрикатов с заданным уровнем свойств предполагает четкий контроль формирующейся в процессе обработки микроструктуры. Обычно, говоря о микроструктуре, в первую очередь имеют в виду форму и размер зерен, как наиболее важные характеристики структуры, влияющие на механические свойства изделий. В последнее время проблемы повышения прочности металлических материалов благодаря структурному упрочнению стали особенно актуальны в связи с разработкой способов получения полуфабрикатов сталей и сплавов с субмикрокристаллической (размер зерен 0,1-1 мкм) и нанокристаллической (размер зерен менее 100 нм) структурой. Результаты исследований металлов и сплавов субмикрокристаллической и нанокристаллической структурой (например, серия работ Горынина и Рыбина с соавторами) однозначно указывают на уникальное сочетание механических свойств, присущее такому классу металлических материалов. С одной стороны, субмикрокристаллические сплавы демонстрируют пониженные напряжения течения в процессе деформации при повышенных температурах, что открывает дополнительные возможности для совершенствования и разработки новых технологических процессов. С другой стороны, уменьшение среднего значения размера зерна во многих случаях ведет к повышению прочностных характеристик изделия, причем как при статических, так и при динамических испытаниях. Таким образом, исследования влияния различных способов и условий деформационно-термической обработки на процессы структурообразования, как и анализ микромеханизмов, лежащих в основе формирования зерен, представляют собой одну из наиболее интересных задач, решаемых на стыке металловедения и физики прочности и пластичности.
Формирование новых зерен в металлах и сплавах при горячей пластической обработке связывают с развитием динамической рекристаллизации. Исследованию закономерностей динамической рекристаллизации посвящено большое количество работ Селларса, Джонаса, Горелика, Добаткина и др. Феноменологически различают два механизма рекристаллизации. Прерывистая рекристаллизация, в основе которой лежит миграция отдельных участков границ зерен, развивается в металлических материалах с пониженной энергией дефектов упаковки (ЭДУ). Движущей
силой процесса является накопленная в процессе деформации внутренняя энергия в виде повышенной плотности дефектов кристаллического строения. Миграция (выпучивание) участков границ зерен приводит к появлению зародышей рекристаллизации, которые растут, поглощая при этом деформированную матрицу, что сопровождается разупрочнением материала в процессе деформации. Прерывистая динамическая рекристаллизация носит циклический характер, т.е. после достаточно больших степеней деформации в ранее рекристаллизованных и затем деформированных зернах формируются новые зародыши рекристаллизации, способные к росту. Другой механизм динамической рекристаллизации - непрерывную динамическую рекристаллизацию - наблюдали в материалах с высокой энергией дефектов упаковки. Формирование новых зерен происходит в результате увеличения разориентировки отдельных субграниц по мере накопления в них дислокаций в процессе деформации, что ведет к трансформации субграниц в обычные высокоугловые границы зерен. Уровень напряжений течения в этом случае определяется интенсивностью динамического возврата.
Наиболее перспективные способы получения субмикрокристаллических и
нанокристаллических материалов основаны на использовании интенсивной
пластической обработки или мегапластической деформации (например, серия
обзорных статей и монографий Валиева Р.З. с соавторами), при которой
достигается истинная степень деформации более ~4. Для получения
микроструктуры с размером зерен менее микрона обработку следует проводить
при температурах ниже температуры рекристаллизации. Соответственно,
ограниченная пластичность металлических материалов при пониженных
температурах вынуждает применять особые методы пластической обработки. К
настоящему времени усилиями представителей отечественных научных
центров Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Москвы, Уфы и др. разработаны
режимы и методы обработки, позволяющие получить
субмикрокристаллическую и нанокристаллическую структуру в различных металлических материалах. К наиболее распространенным методам интенсивной пластической деформации можно отнести кручение в условиях гидростатического сжатия, равноканальное угловое прессование и всестороннюю ковку. Однако, если механизмы эволюции микроструктуры при горячей деформации изучены достаточно хорошо, то закономерности структурных изменений при температурах порядка 0,2 - 0,5 температуры плавления на момент постановки данной работы были изучены недостаточно подробно.
Кроме того, сильно деформированные материалы характеризуются высокими внутренними остаточными напряжениями, что затрудняет изготовление изделий из полуфабрикатов с субмикрокристаллической структурой без промежуточной термообработки, эффективность которой, с точки зрения снятия внутренних напряжений, возрастает с увеличением температуры. Однако с повышением температуры отжига возрастает вероятность существенного укрупнения зерен, что может привести к потере субмикрокристаллического состояния. Таким образом, эффективное использование больших пластических деформаций, т.е. выбор оптимальных для данного материала способа и режимов обработки, подготовка исходной заготовки, невозможно без систематического анализа закономерностей формирования нано- и субмикрокристаллических структур в процессе больших пластических деформаций различных металлов и сплавов, а также исследования механизмов эволюции структуры сильнодеформированных материалов при нагреве.
Цель работы состояла в установлении закономерностей структурных изменений в процессе пластической деформации и последующей термической обработки широкого класса конструкционных металлических материалов с кубической решеткой; выявлении механизмов формирования и эволюции структуры с размером кристаллитов менее одного микрона при деформационной обработке и в процессе последующих рекристаллизационных отжигов. Для достижения общей цели в работе решались следующие задачи:
-
Установить влияние температуры, скорости и степени интенсивной пластической деформации на структуру сталей ферритного и аустенитного классов, а также меди и сплава на ее основе.
-
Установить влияние исходного структурного состояния, фазового состава и способа обработки, на кинетику структурных изменений при больших пластических деформациях.
-
На основе полученных экспериментальных данных проанализировать механизмы формирования субмикрокристаллической структуры в процессе интенсивной пластической деформации.
-
Изучить особенности структурных изменений в сильнодеформированных материалах при отжиге, проанализировать влияние внутренних напряжений на механизмы статического возврата и рекристаллизации при нагреве субмикрокристаллических структур деформационного происхождения.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что в работах, вошедших в диссертацию, впервые
-
Показано бимодальное соотношение между средним размером динамически рекристаллизованных зерен и напряжениями течения, что связано с изменением механизмов динамической рекристаллизации. Напряжения течения и размер зерен связаны между собой степенной функцией с показателем степени при размере зерен около -0,7 в случае прерывистой рекристаллизации или -0,35 для непрерывной.
-
Установлено, что прерывистый механизм рекристаллизации превалирует в условиях горячей деформации при напряжениях течения ниже 5x10" G (G - модуль сдвига), тогда как при более высоких напряжениях в условиях теплой деформации развивается непрерывная динамическая рекристаллизация (НДР).
-
Показано, что развитие НДР в процессе интенсивной пластической деформации при температурах 0,2-0,5 Тпл приводит к формированию субмикрокристаллической структуры. Кинетика НДР ускоряется при развитии деформационного двойникования, локализации пластического течения в полосах сдвига и вблизи границ зерен.
-
Установлено, что уменьшение размера зерна в исходном состоянии приводит к ускорению кинетики НДР. Многократная пластическая деформация с понижением температуры обработки из начальной области горячей деформации в область теплой деформации (порядка 0.5 Тпл и ниже) является эффективным способом получения полуфабрикатов с субмикрокристаллической структурой.
-
Наличие дисперсных частиц вторичных фаз в металлической матрице ускоряет НДР. Показана корреляция кинетики НДР дисперсионно-упрочненного сплава с его твердостью и способностью к деформационному упрочнению. Размер зерен, формирующийся в дисперсно-упрочненных сплавах, определяется размером и объемной долей дисперсных частиц.
-
Изучено влияние схемы пластической деформации на закономерности формирования субмикрокристаллических структур в процессе интенсивной пластической обработки. Показано, что поперечный размер зерен на установившейся стадии деформации определяется напряжениями течения материала и не зависит от способа обработки.
-
Изучено распределение остаточных напряжений внутри отдельных зерен в субмикрокристаллических структурах, полученных интенсивной пластической обработкой. Показана связь внутренних напряжений с границами зерен деформационного происхождения и механизм аномального уменьшения плотности внутризеренных дислокаций после больших пластических деформаций.
-
Установлено влияние степени пластической деформации на механизмы статической рекристаллизации. Предложен механизм непрерывной статической рекристаллизации, обеспечивающий формирование однородной структуры с размером зерен менее 1 мкм.
-
Изучены механизмы роста зерен при нагреве субмикрокристаллических однофазных и дисперсно-упрочненных сталей после больших пластических деформаций. Показано, что статический возврат играет решающую роль в подавлении первичной рекристаллизации и повышении термической стабильности субмикрокристаллических структур.
Практическая значимость обусловлена возможностью применения результатов исследования для разработки технологий получения сталей и сплавов на основе меди с субмикрокристаллической структурой.
-
Установлены оптимальные режимы всесторонней ковки нержавеющих сталей аустентного и ферритного классов и меди, позволяющие получить микроструктуру с размером зерен 200-250 нм.
-
Определены оптимальные режимы термообработки и прокатки сплава Cu-Ni-P, позволяющие получить в листовых полуфабрикатах твердость 2400 МПа при сохранении электропроводности выше 50% IACS за счет формирования микроструктуры с поперечным размером зерен менее 100 нм.
-
Показана принципиальная возможность получения сортового проката сплава Fe-Fe203 с субмикрокристаллической структурой, обеспечивающей предел прочности выше 1700 МПа.
-
Установлено влияние режимов прокатки, ротационной ковки и последующей термообработки на формирование субмикрокристаллической структуры и механические свойства нержавеющих сталей ферритного и аустенитного классов.
1. Зависимость структурных механизмов динамической рекристаллизации и механизмов пластической деформации от условий обработки металлических материалов с низкой и средней ЭДУ. Уменьшение вклада прерывистой динамической рекристаллизации и увеличение вклада непрерывной в формирование новой зеренной структуры при понижении температуры деформации. Закономерности формирования нанокристаллических и субмикрокристаллических структур в процессе интенсивной пластической деформации в условиях теплой и холодной обработки. Зависимость размера динамически рекристаллизованных зерен от напряжений течения. Влияние способа обработки и степени деформации на упрочнение, плотность
внутризеренных и зернограничных дислокаций, удельную долю высокоугловых границ зерен. Ускорение кинетики динамической рекристаллизации при повышении плотности границ зерен в исходном состоянии, влияние дисперсных частиц вторых фаз.
-
Высокие внутренние напряжения в нанокристаллических и субмикрокристаллических металлических материалах, полученных в результате интенсивной пластической деформации. Искривления кристаллической решетки в результате неоднородного распределения дислокаций несоответствия на границах зерен деформационного происхождения.
-
Механизмы эволюции субмикрокристаллических материалов с кубической решеткой, полученных интенсивной пластической деформацией, при нагреве; влияние дисперсных выделений вторых фаз. Повышение однородности и ускорение статического возврата при увеличении степени предыдущей холодной или теплой пластической деформации. Условия реализации механизмов прерывистой и непрерывной статической рекристаллизации, их влияние на размер рекристаллизованных зерен.
Личный вклад соискателя состоит в выборе направления исследований, постановке задач и разработке плана работ, обработке и анализе полученных результатов. Все этапы экспериментальных исследований выполнены лично соискателем или при его активном участии.
Апробация. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на ежегодных конференциях японского научного общества металловедения, научного общества железа и сталей, на регулярных научно-практических семинарах центра исследования сталей института материаловедения (Цукуба, Япония), на семинарах центра исследования сверхпластичности университета Ибараки (Хитачи, Япония), лаборатории материалловедения и техники Токийского технологического университета, а также на международных конференциях, в частности,
International Conference on Interface Science and Materials Interconnections, Toyama (Japan), July 1-3, 1996.
International Conference on Thermomechanical Processing of Steels and Other Materials, Wollongong (Australia), July 7-11, 1997.
International Conference on Recrystallization and Related Phenomena, Tsukuba (Japan), July 13-16, 1999.
The I Oth Iketani Conference on Materials Research Toward the 21st Centure, Karuizawa (Japan), June 26-30, 2000.
International Conference on the Strength of Materials, Asilomar (USA), August 27 - September 1, 2000.
International Conference on Current Status of Theory and Practice of Superplasticity in Materials, Ufa (Russia), November 21-23, 2000.
International Conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials, Las Vegas (USA), December 4-8, 2000.
The First Joint International Conference on Recrystallization and Grain Growth, Aachen (Germany), August 27-31, 2001.
International Symposium on Ultrafine Grained Steels, Fukuoka (Japan), September 20-22, 2001.
International Conference on Advanced Structural Steel, Tsukuba (Japan), May 22-24, 2002.
International Conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials, Madrid (Spain), July 7-11, 2003.
International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, Vienna (Austria), December 9-13, 2002.
International Symposium on Ultrafine Grained Structures, Geelong (Australia), November, 2004.
Second International Conference on Advanced Structural Steels (ICASS 2004), Shanghai (China), April 14-16, 2004.
International Conference on Recrystallization and Grain Growth, Annecy (France), August 30 - September 3, 2004.
Riso International Symposium on Materials Science: Evolution of Deformation Microstructures in 3D. Roskilde (Denmark), September 6-10, 2004.
International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, Fukuoka (Japan), September 22-26, 2005.
International Conference on Advanced Structural Steels, Gyeongju (Korea), August 22-24, 2006.
International Conference on Recrystallization and Grain Growth, Jeju (Korea), June 10-15, 2007.
International Symposium on Ultrafine Grained Steels, Kitakyushu (Japan), October 24-26, 2007.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 47 печатных работ в реферируемых научных изданиях, определенных Перечнем ВАК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из предисловия и основного материала, изложенного в пяти частях. В предисловии кратко изложены история и современное состояние исследованных в работе проблем,
формулируются цели и основные результаты исследования. Все части диссертации разделены на главы, содержание каждой из которых органически вытекает из предыдущей и представляет собой завершенное решение соответствующей научной проблемы. Диссертация завершается списком литературы из 260 наименований, включающего основные работы автора, и изложена на 265 страницах со 141 рисунком.
