Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема низкой пластичности хрома и основные пути ее решения. обзор литературных источников ... .. 8
1.1. Физическая природа низкотемпературной хрупкости хрома ..8
1.2. Повышение пластичности и деформируемости хрома металлургическими методами .14
1.3. Формирование структуры в хроме и других ОЦК металлах в процессе деформации ...21
1.3.1. дислокационные механизмы пластической деформации ОЦК металлов 21
1.3.2. Дислокационная структура деформированных ОЩС металлов ...22
1.3.3. Текстуры деформации ОЦК металлов и основные положения теории текстурообразования ...26
1.4. Выводы . 31
2. Методическая часть .33
2.1. Характеристика исследованных материалов, 33
2.2. Методика проведения деформации поликристаллического хрома .34
2.3. Методика проведения деформации монокристаллического хрома .35
2.4. Методика исследования текстуры прокатанных материалов. 39
2.5. Методы исследования структурного состояния црокатанных монокристаллов ..46
2.6. Выводы 48
3. Влияние технологических параметров процесса прокатки на трудообразование в поликристаллическом хроме 49
3.1. Общая характеристика текстуры прокатанного малолегированного хрома 49
3.2. Влияние поверхностного насыщения газообразующими примесями на текстуру прокатанного малолегированного хрома 52
3.3. Влияние структурного состояния исходного металла на текстуру, формирующуюся в прокатанных листах малолегированного хрома .56
3.4. Влияние величины обжатия за проход на тексту-рообразование в малолегированном хроме при прокатке 71
3.5. Влияние температуры прокатки на текстуру малолегированного хрома 89
3.6. Выводы 99
4. Фондирование текстуш и структуры в моно кристаллическом хроме в процессе прокатки .101
4.1. Устойчивость кристаллографических ориентации и механизмы пластической деформации монокристаллов хрома .102
4.2. Упрочнение монокристаллов хрома при прокатке .118
4.3. Изменение текстуры прокатанных монокристаллов хрома в процессе рекристаллизации 122
4.4. Выводы ...124
5. Текстурообразование в малолегированном хроме и механизмы его пластической деформации 126
5.1. Послойная неоднородность текстуры прокатанного малолегированного хрома как следствие различия механизмов пластической деформации ...126
5.2. Условия образования поверхностной текстуры при прокатке молибдена и ниобия .129
5.3. Механизм деформации, ответственный за формирование поверхностных текстур .134
5.4. Применимость предложенной модели к объяснению экспериментальных результатов 140
5.5. Выводы ...141
Заключение .143
Литература 146
Приложение 160
- Повышение пластичности и деформируемости хрома металлургическими методами
- Текстуры деформации ОЦК металлов и основные положения теории текстурообразования
- Влияние поверхностного насыщения газообразующими примесями на текстуру прокатанного малолегированного хрома
- Изменение текстуры прокатанных монокристаллов хрома в процессе рекристаллизации
Введение к работе
Одной из основных задач, стоящих перед современной наукой о металлах, является разработка новых жаропрочных и жаростойких материалов, более эффективных, чем широко применяемые в настоящее время сплавы на основе железа, никеля и кобальта.
Перспективной основой для создания высокотемпературных конструкционных материалов является хром [l-з] , выгодно отличающийся от других тугоплавких ОЦК металлов сочетанием большого сопротивления воздействию окислительных сред, относительно высоких прочности ж жаропрочности при значительно меньших плотности и, что важно для ряда применений [4] , атомной массе, а также широким распространением в природе. Основным фактором, препятствующим широкому внедрению сплавов на основе хрома в промышленность, является его низкотемпературная хрупкость и сопутствующий ей малый запас технологической пластичности.
В настоящее время проблема получения пластичного хрома находится в стадии технологического решения. Успехи в области металловедения и металлофизики хрома явились основой для создания пластичных сплавов, характеризующихся достаточно высокой деформируемостью: выявлено существенное влияние на пластические характеристики сплавов их структурного состояния. Значительным вкладом в решение проблемы пластичности хрома являются исследования по глубокому рафинированию и монокристаллизации хрома, ведущиеся на кафедре "Металлофизика и металловедение" МИФИ под руководством члена-корреспондента АН СССР В.С .Емельянова и Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, профессора А.И.Евстюхина. Результатом этих исследований явилась, в частности, разработка метода получения монокристаллов хрома достаточно большого размера. Это открывает перед исследователями новые возможности в изучении ря-
да фундаментальных характеристик хрома, в частности, механизмов его пластической деформации.
В данной работе впервые проведены систематические исследования формирования кристаллографической текстуры в моно- и поликристаллическом хроме в результате деформации прокаткой. Текстура является одной из основных характеристик структурного состояния металлических материалов, подвергавшихся пластическому деформированию и в значительной степени определяет анизотропию их свойств.
Особое внимание в работе уделено систематизации особенностей текстуры, обусловленных различием в условиях деформации, и их анализу с целью получения информации о кристаллографических закономерностях действия механизмов пластической деформации и формирования структуры в хроме. Получаемая таким образом информация в ряде случаев не может быть получена при использовании других методов исследования. О продуктивности подобного подхода свидетельствуют выполненные ранее в Ш/Ш исследования текстуро-образования и особенностей формирования структуры в сплавах на основе молибдена [б,б] .
Автор выносит на защиту:
результаты экспериментального изучения влияния режимов процесса прокатки на текстурообразование в листовом малолегированном поликристаллическом хроме марки ЕХ-2К;
установленное влияние процессов динамического деформационного старения на текстурообразование в малолегированном хроме;
кристаллографические закономерности действия механизмов пластической деформации и формирования структуры при прокатке монокристаллического хрома;
модель, объясняющую формирование поверхностной текстуры
при прокатке металлов активизацией деформации путем коллективного согласованного переползания дислокаций в условиях торможения процессов их скольжения.
Повышение пластичности и деформируемости хрома металлургическими методами
В настоящее время в промышленной технологии хрома используют ряд процессов - рафинирование в водороде, вакуумная дегазация Г 1,37,38] - позволяющих значительно снизить содержание в нем примесей элементов внедрения. Так, согласно техническим условиям МРТУ 14-5-5-65 суммарное содержание азота, кислорода и углерода в хроме марки ЭРХ не превышает 0,016 масс.$. Плавка в дуговой печи с нерасходуемым электродом в атмосфере очищенного аргона позволяет получать слитки с содержанием газовых примесей на уровне 5 Ю"3 масс.# [39] . Однако даже столь незначительного количества азота и углерода в хроме достаточно для его охрупчивания [28,40,41] . Использование в промышленных масштабах хрома более высокой чистоты, например, иодидного [14, 36] , представляется нерациональным вследствие высокой его сто-имости и невозможности сохранить исходную его чистоту на переделах технологического цикла из-за большой склонности к газонасыщению. Дальнейшее увеличение пластичности хрома технической чистоты может быть достигнуто с помощью нейтрализации примесей внедрения высокоактивными элементами [32,38-40,42-47] .
Наиболее эффективным является рафинирование хрома посредством легирования его редкоземельными металлами (РЗМ, от Sc до Ей ) и элементами ЕГ А и У А ( Л, Иг, Hf, А/6 Та ). Легирование хрома РЗМ приводит к глубокой очистке матрицы сплава от азота, кислорода, серы и к практически полному подавлению эффектов старения: по результатам измерения амплитудно зависимого внутреннего трения содержание азота в результате легирования снижается до 5 I0""4 вес.%, а кислорода - вплоть до I0""6 вес.# [44,52] . Основная же часть азота и кислорода оказывается связанной в термодинамически устойчивые соединения с РЗМ (типа RA/ Ц fia05 ); типичные для нелегированного хрома включения Cr2J\/ и Сг Оъ в структуре металла не обнаруживаются. Высокая степень очистки матрицы хрома от азота и кислорода сопровождается повышением его пластичности и деформируемости (рис.1.3-І.5). Однако эффект пластификации существенно зависит от количества и конкретного типа вводимого РЗМ [40,42,44, 47] . Оптимальное количество вводимых РЗМ зависит от чистоты исходного хрома и для хрома марки ЭРХ составляет 0,5...1,0 масс.# (по шихте). Превышение оптимального количества вводимых РЗМ приводит к появлению в структуре сплава легкоплавких фаз на основе РЗМ, располагающихся преимущественно по границам зерен, сопровождается развитием кристаллизационных трещин и горячеломкости литого металла [53] , резко снижающими возможности его деформирования.
При переходе от Ltl К LU И ОТ Y К SC пластифицирующее действие вводимых элементов уменьшается, что объясняется повышением при таком переходе склонности к образованию непрерывных легкоплавких прослоек на границах зерен, а также большой величиной твердорастворного упрочнения, наблюдающего при легировании хрома Y и SC . Наиболее эффективным пластификатором д литого хрома является лантан, характеризующийся минимальной по сравнению с другими РЗМ растворимостью в хроме [54] , наиболее высокой химической активностью по отношению к азоту, кислороду и сере [55,56] , устойчивостью продуктов реакций взаимодействия с примесями [ 57 J . Легирование лантаном позволило снизить температуру хладноломкости литого хрома до -ЮС [ 39] .
В то же время пластические характеристики сплавов хрома с редкоземельными металлами обнаруживают высокую чувствительность к содержанию в металле углерода [46,58-60] : при содержании углерода 0,015 вес $ температура хладноломкости сплава возрастает до Ю0С. Легирование хрома РЗМ практически не изменяет морфологию включений карбида Сг25 С5 , которые, располагаясь в виде прослоек по границам зерен, охрупчивают литой металл. В работах [42,46,61] приведены результаты исследования возможности повышения пластичности сплавов хрома с РЗМ малыми добавками карбидообразующих элементов -Ті ,2Г, Ш bib, Та , Показано, что введение небольших количеств 2г и Mf резко снижает пластичность сплавов (рис.1.6), что согласуется с результатами [49,62] и обусловлено появлением на границах зерен тонких прослоек вторых фаз на основе 2 Г и Ш .
Текстуры деформации ОЦК металлов и основные положения теории текстурообразования
Пластическая деформация металлических материалов сопровождается образованием определенных предпочтительных ориентировок образующих их кристаллитов относительно выделенных схемой деформирования внешних направлений - кристаллографической текстуры. Текстура является одной из основных характеристик структурного состояния деформированного металла и в значительной степени определяет анизотропию его свойств [102] .
Существует ряд монографий [103-105 ] , обобщающих большой экспериментальный материал по текстурообразованию в металлах и сплавах при пластической деформации и, в частности, при прокатке. Основные закономерности образования текстуры при прокатке ОЦК металлов в моно- и поликристаллическом состоянии сводятся к следующей системе.
Монокристаллические материалы. При прокатке монокристалла его исходная ориентация может либо сохраняться, либо изменяться определенным образом. Кроме того, текстура прокатанного монокристалла характеризуется большим или меньшим размытием ориентировки. При прокатке монокристаллов 1 10 ,Fe Sl , V , Mb и других ОЦК металлов установлено, что устойчивыми являются ориентации f 001} П0 , {П2 ІІ0 , {III} 112 . Однако степень устойчивости приведенных ориентации оказывается различной: если ориентация {001} П0 сохраняется монокристаллом до весьма значительных степеней деформации, то исходная ориентация {ill} П2 при больших деформациях может измениться в сторону /001} П0 [89] . В то же время, при прокатке монокристаллов молибдена с малыми величинами единичных обжатий [106, 107] оказывается устойчивой исходная ориентация {00l} 100 ; при прокатке же монокристаллов ванадия [108] , как и в эксперименте по плоскому сжатию монокристаллов молибдена [90] кубическая исходная ориентация сменялась на {001} 230 . В ряде исследований [ 109,110 ] наблюдали устойчивость исходной ориентации {011} Ю0 до обжатия 70$. Отличные от указанных исходные ориентации в процессе прокатки стремятся повернуться, приблизившись к устойчивой ориентации.
Прокатка монокристаллов в устойчивой ориентации {001} Н0 осуществляемая с небольшими скоростями деформации (малые единичные обжатия) при нормальной температуре, приводит к очень малой величине размытия исходной ориентации; указанные режимы используются для производства монокристальной ленты из тугоплавких ОЦК металлов [87,88,111] . Прокатка монокристаллов в других исходных ориентациях сопровождается большим рассеянием ориентации,что согласуется с описанными в предыдущем разделе ориентационными закономерностями формирования структуры [90] ,
Описанные в литературе результаты экспериментов по деформации монокристаллов хрома [II2-II4] не позволяют сделать какие-то заключения о кристаллогеометрических закономерностях механизмов деформации в хроме, вследствие быстрой фрагментации монокристаллов. Полшфисталлические материалы. Текстуру прокатки поликристаллических материалов с решеткой ОЦК описывают обычно либо указывая ее основные компоненты ІООі) П0 , (IIIі П0 и {lll( П2 , либо с помощью двух частичных аксиальных текстур {00І-ІІ2-ІІІ} П0 и {111} П0-П2 [103-1053 . Указанные ориентировки описывают текстуры деформации молибдена, ниобия, вольфрама, кремнистого железа. Показательно, что устойчивые относительно прокатки ориентации монокристаллов совпадают с основными компонентами текстуры прокатки поликристаллических материалов. Совпадающими оказываются и другие закономерности: в [115] сообщается, что при увеличении степени деформации первоначально устойчивая компонента {III} П2 переходит в (112} П0 и далее в (001) П0 . Согласно [ІІ6І скорость такого перехода в прокатываемой поликристаллической стали контролируется размером зерна: измельчение зерна приводит к более быстрой смене ориентировок.
Систематическое исследование холоднокатанных сплавов молибдена позволило автору [6] выявить влияние на их текстуру примесей внедрения: изменение содержания последних в прокатанном материале сопровождалось изменениями численных параметров, использованных для описания текстурных полюсных фигур. Как показано в [117] , текстура прокатки молибдена определяется не только содержанием примесей внедрения, но и характером их распределения в деформируемом металле: термомеханическая обработка прокатываемого молибдена на твердый раствор приводила к снижению интенсив-ности компонент с плоскостью прокатки {ШІ
В литературе представлены лишь отрывочные данные о тексту-рообразовании в хроме: в [ЮЗ] , в частности, сообщается, что прокатанный при 600С хром имел обычную для ОЦК металлов текстуру деформации. Однако в [118] установлено, что текстура хрома ЭРХ, легированного небольшими количествами РЗМ, характеризуется преобладанием компонент с плоскостью прокатки {Oil! , что является нехарактерным для ОЩ металлов; такие ориентации оказываются неустойчивыми при прокатке монокристаллов, их неустойчивость предсказывается теоретически. Однако компоненты с ШІ {ОІІІ фиксировались в текстуре поверхностных слоев прокатанных сталей [II9-I20] , вольфрама [І2ІІ и ниобия при значительном трении на границе металл-валок [122]. В то же время, основные закономерности формирования текстуры прокатки ОЦК металлов находятся в хорошем согласии с теориями текстурообразования.
Влияние поверхностного насыщения газообразующими примесями на текстуру прокатанного малолегированного хрома
Для выявления влияния на текстуру хрома возможного насыщения его в процессе прокатки примесями из окружающей атмосферы были исследованы образцы листов сплава БХ-2К, прокатка которых осуществлялась в одном случае с использованием защитной атмосферы очищенного аргона, в другом - без защиты, т.е. на воздухе. Прокатка проводилась при температуре нагрева заготовок 1000С, суммарная степень деформации составляла 20% при обжатиях за проход 1Ь% для листа, прокатка которого осуществлялась в защитной атмосфере, и около 20$ в случае прокатки на воздухе.
Исследование образцов прокатанного таким образом малолегированного хрома показало, что оба варианта процесса прокатки приводят к формированию текстуры, существенно неоднородной по сечению листа; принпипиальный вид текстурной неоднородности при этом одинаков и соответствует описанному в предыдущем разделе. В то же время, для рассматриваемых случаев обнаруживаются существенные различия в конкретном характере послойной неоднородности текстуры. Последний может быть достаточно хорошо представлен текстурным параметром А2. В соответствии с определением, приведенным в разделе 2.4, параметр А2 описывает соотношение текстурных компонент {ОН J и (001) ПО . Компоненты с ПП {Oil} являются доминирующими в текстуре поверхностных слоев, а {001) П0 - од-на из основных компонент текстуры центральных слоев листа. Поэтому зависимость параметра А2 от расстояния Л ,на которое рассматриваемый слой листа отстоит от его поверхности, может быть использована как характеристика послойной неоднородности текстуры. Графики зависимостей А2 ( h ) для образцов листов сплава БХ-2К, прокатка которых проводилась в защитной атмосфере аргона и на воздухе, приведены на рис.3,2.
Из анализа послойного изменения параметра А2 следует, что как степень выраженности текстурных компонент с ЇЇП (Oil} (характеризуемая величиной параметра) в текстуре поверхностного слоя, так и толщина слоя листа, в текстуре которого компоненты с ІШ
{Oil} преобладают над компонентой (00l( Н0 обычной текстуры прокатки ОЦК металлов, существенно выше в случае прокатки на воздухе. В то же время, сопоставление полюсных фигур показывает, что текстуры центральных по сечению листа слоев для обоих случаев существенно не различаются. Таким образом, можно заключить, что прокатка малолегированного хрома ВХ-2К на воздухе в большей степени способствует активизации процессов, ответственных за формирование поверхностной текстуры.
Представляются возможными два механизма влияния атмосферы, в которой проводится прокатка хрома, на обусловленное деформацией текстурообразование в нем. Во-первых, сам факт появления поверхностных текстур в прокатанных металлах большинством исследователей связывается с высокой величиной коэффициента трения между валками прокатного стана и прокатываемым металлом [II9-I2I] . Условия трения в свою очередь в значительной степени зависят от состояния поверхности прокатываемого металла. В литературе отсутствуют данные о коэффициенте трения при прокатке хрома. Однако некоторые заключения об относительных величинах его для рассматриваемых случаев могут быть сделаны исходя из анализа состояния поверхности прокатанных листов.
Прокатка хрома ВХ-2К как на воздухе, так и в защитной атмосфере (несмотря на специально предпринимаемне меры по очистке используемого в последнем случае аргона) сопровождалась образованием на поверхности прокатываемых листов слоя окалины. Однако в первом случае слой образующейся окалины оказывается значительно более толстым и, что особенно важно, рыхлым, что должно приводить к меньшей величине коэффициента трения. Об этом свидетельствуют имеющиеся в литературе данные о результатах измерения коэффициентов трения, при высокотемпературной прокатке сталей [135] : образование окалины на поверхности листов в большей или меньшей мере снижает коэффициент трения; рыхлая окалина при определенных условиях может играть роль смазки. В то же время, значительное усиление трения наблюдается при высокотемпературной прокатке металлов в вакууме [136] . Поэтому представляется маловероятным, что образование более интенсивной поверхностной текстуры при прокатке малолегированного хрома на воздухе (в сравнении с прокаткой в защитной атмосфере) определяется более высоким значением коэффициента трения.
По-видимому, более существенным в рассматриваемом случае является второй механизм, связанный с возможным насыщением поверхностных слоев хрома в процессе его прокатки примесями элементов внедрения из окружающей атмосферы и влиянием последних на механизмы пластической деформации. Насыщению хрома примесями должно способствовать проведение его деформации при высокой температуре, поскольку при этом увеличивается скорость диффузионных процессов. Образующаяся при этом на поверхности листа окисная пленка по всей видимости не может служить препятствием для поступления примесей из атмосферы в металл, поскольку деформация прокаткой сопровождается периодическим нарушением ее сплошности. Кроме того, скорость диффузии элементов внедрения в металле может значительно повышаться процессами его пластического течения [137] . На возможность насыщения малолегированного хрома в процессе его высокотемпературной прокатки примесями элементов внедрения из атмосферы указывают, в частности, экспериментальные результаты, приведенные в [47] .
Влияние примесей элементов внедрения на механизмы пластической деформации хрома связано, по-видимому, со следующими факторами. Низкая растворимость элементов внедрения в решетке хрома и высокая энергия взаимодействия примесей внедрения с дислокациями приводят к образованию вокруг дислокаций примесных атмосфер, которые, в свою очередь, в значительной степени препятствуют процессу дислокационного скольжения. Высокая энергия взаимодействия примесей с дислокациями при определенных температурно-скоростных условиях деформации может привести к торможению скользящих дислокаций по механизму динамического деформационного старения. При этом снижение подвижности дислокаций вызывает значительные изменения в кинетике развития дислокационной структуры в деформируемом хроме, препятствуя, в частности, образованию дислокационных ячеек [16] ; Кроме того, представляется возможным, что торможение обычного для металла в данных условиях механизма пластического течения может привести к активизации какого-либо другого механизма, следствием чего может являться образование особых поверхностных текстур.
Изменение текстуры прокатанных монокристаллов хрома в процессе рекристаллизации
С целью выявления основных кристаллографических особенностей протекания процессов рекристаллизации было проведено изучение текстуры прокатанных монокристаллов хрома после высокотемпературных отжигов различной длительности. Анализ полученных результатов позволяет высказать ряд положений относительно ориентационных закономерностей протекания рекристаллизации в деформированных прокаткой монокристаллах. Одной из особенностей протекания рекристаллизации в прокатанных монокристаллах хрома является ее существенная неоднородность: в то время как в областях с одной ориентацией вырастают довольно крупные зерна, четко регистрируемые в процессе рентгеновской ди-фрактометрической съемки текстурограммы по наблюдающимся флуктуа-циям интенсивности отражения, в других по ориентации областях подобные эффекты вообще не наблюдаются (см.рис.4.6). Очевидно, что эта неоднородность должна быть связана с описанным ранее неоднородным распределением искаженности решетки. Появление и рост рекристаллизованных зерен наблюдается преимущественно в ориентащях, соответствующих периферийным областям максимумов текстуры деформации. Этот факт находится в согласии с результатами экспериментального изучения рекристаллизации в молибдене [95] . Наличие в текстуре деформации монокристаллов дополнительной компоненты приводит к тому, что в результате рекристаллизации заметно усиливается именно эта компонента. Объяснение такого характера протекания рекристаллизации очевидно связано с неодинаковостью наклепа областей образца, соответствующих различным компонентам в текстуре деформации. Более слабые компоненты являются, очевидно, менее устойчивыми, и потому соответствующая им ориентация кристаллической решетки должна благоприятствовать накоплению энергии остаточных искажений.
В отличие от результатов изучения текстурообразования при рекристаллизации поликристаллических ОЦК металлов для прокатанных монокристаллов хрома не наблюдается значительного изменения тек-Г стуры. , Одной из причин этого может быть малая угловая протяженность максимумов текстуры прокатки. Наиболее искаженными в результате деформации являются фрагменты монокристаллов, ориентация которых соответствует периферии максимумов текстуры прокатки, однако при малой угловой протяженности максимумов на эти фрагменты будет приходиться относительно малая доля объема образца. В силу этого количество центров рекристаллизации с подобной ориентацией, образующихся при отжиге деформированных монокристаллов, будет явно недостаточно для обеспечения переориентации решетки в объеме всего образца. I. Впервые проведена прокатка монокристаллов хрома. Относительно небольшое размытие ориентации для ряда деформированных монокристаллов позволяет утверждать, что при выбранных условиях прокатки (прокатка в оболочке при температуре 700.,.800. обжатие за проход около 10$) они сохраняют монокристальность. 2.
При прокатке монокристаллов хрома до степеней деформации порядка 80% устойчивыми в той или иной степени являются следующие кристаллографические ориентации: {001J П0 , {112 \ - 110 {III} -П0 , {IIIJ Ш и {001} - 100 - т.е. те же, что и для большинства других ОЦК металлов. Это свидетельствует об общности действующих в них кристаллографических закономерностей пластической деформации. 3. Анализ переориентации кристаллической решетки и особенностей размытия максимумов текстуры прокатанных монокристаллов свидетельствует о том, что деформация хрома при выбранных условиях протекает путем скольжения по плоскостям {112} , хотя действие поперечного скольжения и приводит к активизации других плоскостей зоны III . 4. Наблюдающаяся неоднородность переориентации в объеме прокатанного монокристалла указывает на то, что выбор преимущественной системы скольжения неоднозначен и в значительной мере определяется локальными колебаниями условий деформации. 5. Искажение кристаллической решетки монокристаллов при прокатке происходит неоднородно, чему соответствует и неоднородное [протекание процесса последующей их рекристаллизации.
Похожие диссертации на Изучение текстурообразования при деформации в монокристаллическом и поликристалллическом хроме
