Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 2. Сплавы кубической сингонии

Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации:

2. Сплавы кубической сингонии

В.В. Губернаторов, Т.С. Сычева, Л.Р. Владимиров, B.C. Матвеева,

А.И. Пятыгин1, М.Б. Мельников1

Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия 1 ООО «ВИЗ-Сталь», Екатеринбург, 620028, Россия

Экспериментально обнаружено, что образующиеся в металле при прокатке полосы локализованной пластической деформации, в том числе и переходные полосы, гофрируются. При гофрировании переходных полос их наружные субзерна испытывают поворот (ротацию) относительно окружающей их матрицы на значительные углы. Эти субзерна, имея размерное преимущество перед субзернами матрицы и большую разориентировку с ними, становятся центрами рекристаллизации при отжиге.

На основе выявленных закономерностей формирования при отжиге ребровой текстуры {110}^001^ в прокатанных монокристаллах сплава Fe - 3 мас. % Si предложен способ получения электротехнической стали с острой ребровой текстурой.

Рассмотрены структурные и текстурные преобразования в железокремнистых (ОЦК) и железоникелевых (ГЦК) сплавах при деформации и рекристаллизации. Установлено, что гофрирование слоев металла при прокатке, оказывая влияние на образование центров рекристаллизации, играет большую роль в формировании текстур отжига.

1. Введение

Один из самых важных случаев практического использования текстур рекристаллизации — получение магнитомягких материалов с необходимой анизотропией свойств. В настоящее время среди магнитомягких материалов особое место занимают сплавы с кубической решеткой, а именно Fe - 3 мас. % 81 с ребровой текстурой {110}(001 (анизотропная электротехническая сталь) и Fe - (35-85) мас. % N1 с кубической текстурой {100^001^ (пермаллои). При указанных текстурах с плоскостью листа или ленты (с плоскостью прокатки) совпадает плоскость куба {110} или {100}, а ребро куба (001^ параллельно направлению прокатки. Ребро куба является направлением легчайшего намагничивания. Это учитывают при изготовлении магнитопроводов электрических машин, приборов, трансформаторов и магнитный поток в них направляют вдоль (001^.

Ребровая текстура в анизотропной электротехнической стали формируется при вторичной рекристаллиза-ции1. В пермаллоях первичная рекристаллизация приводит к кубической текстуре, которая разрушается при вы-

сокотемпературном отжиге, если протекает вторичная рекристаллизация.

Повышение качества анизотропной электротехнической стали и пермаллоев предполагает прежде всего снижение в них непроизводительных затрат энергии при перемагничивании (удельных электромагнитных потерь), которые в сильной степени зависят от остроты кристаллографической текстуры. Несмотря на то, что производство анизотропной электротехнической стали и пермаллоев освоено давно и имеется большое число исследований, проведенных на железокремнистых и железоникелевых сплавах, многие аспекты процесса рекристаллизации пока остаются неясными. В частности, нет единого мнения относительно образования центров

1 Под вторичной рекристаллизацией обычно понимают аномальный (неравномерный, избирательный) рост кристаллитов (зерен) при высокотемпературном отжиге в застабилизированной структуре, образовавшейся при низкотемпературном рекристаллизационном отжиге деформированного металла (при первичной рекристаллизации), то есть в застабилизированной первично рекристаллизован-ной матрице.

© Губернаторов В.В., Сычева Т.С., Владимиров Л.Р., Матвеева B.C., Пятыгин А.И., Мельников М.Б., 2002

(зародышей) рекристаллизации, в том числе зародышей первичной рекристаллизации с ориентировкой {110^00^ в анизотропной электротехнической стали и {100^00^ в пермаллоях. С этими неясностями связаны трудности управления текстурой и структурой анизотропной электротехнической стали и пермаллоев, а следовательно, и свойствами практически важных материалов.

В данной работе предпринята попытка вскрыть механизм возникновения при первичной рекристаллизации текстуры {110^00^ в железокремнистых и {100}(001) в железоникелевых деформированных мо-но- и поликристаллах. Работа проведена в основном на сплаве Fe - 3 % 81, так как закономерности структуро-и текстурообразования в нем при прокатке и отжиге характерны для кристаллов кубической сингонии.

2. Структуре- и текстурообразование в монокристаллах при прокатке и отжиге

2.1. ОЦК-кристаллы

Известно [1-4], что в листовых монокристаллах сплава Fe - 3 % 81 {110^00^ и {111^21^, прокатанных на 50 % и более (здесь и далее направление прокатки совпадает с указанным кристаллографическим направлением), при первичной рекристаллизации образуется текстура {110^00^. Этот факт связывают с превалирующей ролью ориентированного зарождения в текстурообразовании при рекристаллизации.

Кристаллы {110} при прокатке в направлении (001^ разбиваются по ширине и толщине на полосы деформации. Соседние полосы деформации имеют диаметрально противоположную ориентировку (111)[2 11] и (111)[211] и разделены переходными полосами. В продольном сечении переходной полосы располагается 1020 узких вытянутых вдоль направления прокатки субзерен, разориентированных между собой на углы не более 5°. Они и обеспечивают изменение ориентации от одной полосы деформации к другой, при этом в середине переходной полосы субзерна имеют ориентировку исходного кристалла {110^00^. Подавляющее большинство исследователей считает, что субзерна с ориентировкой исходного кристалла и становятся зародышами первичной рекристаллизации. Однако процесс превращения таких субзерен в зародыши первичной рекристаллизации хотя и вероятен, но должен осуществиться только в последнюю очередь, так как для его реализации отсутствуют два необходимых условия: наличие размерного и ориентационного контраста зародыша с его окружением (зародыш должен быть больше окружающих его субзерен или зерен и иметь с ними достаточно большую разориентацию [5]). Поэтому непонятно, почему рекристаллизованные зерна с ориентировкой {110^001^ появляются в переходных полосах в первую очередь.

Кристаллы {111}^211^ при прокатке также разбиваются на полосы деформации. Их ориентировка мало отличается от исходной, наблюдается лишь некоторое рассеяние текстуры вокруг исходной ориентировки. С точки зрения кристаллографии в прокатанных кристаллах субзерен с ориентировкой {110^00^ быть не должно. Однако в [2] субзерна с ребровой ориентировкой наблюдались в переходных полосах и утверждается, что именно они и являются зародышами первичной рекристаллизации. Возникает вопрос: каковы причины появления ребровых субзерен в деформационной структуре.

В прокатанных на 86 % монокристаллах {100^001^ найдены следующие текстуры первичной рекристаллизации: в [1] — {113^631^, в [6] — {104^441^ + + {100^00^. Непонятно, чем обусловлено наблюдаемое различие в текстурах первичной рекристаллизации.

Чтобы ответить на поставленные вопросы, нами был проведен анализ собственных экспериментальных результатов и литературных данных с позиции новых модельных представлений о структуро- и текстурообразо-вании при прокатке, в основе которых лежит явление гофрирования [7].

Обнаружено, что при прокатке монокристаллов полосы локализованной пластической деформации (в том числе полосы скольжения, полосы сдвига и сброса, полосы деформации, переходные полосы) гофрируются. На рис. 1, в, г приведен пример гофрирования переходной полосы в продольном сечении [3, рис. 2] и в плоскости листа [8, рис. 6]. Полосы локализованной пластической деформации гофрируются потому, что течение металла в них происходит в стесненных условиях (свободному течению материала препятствуют соседние слои и жесткие концы очага деформации). На гофрирование слоев (и/или объемов) металла при деформации до сих пор не обращают внимание, а между тем оно оказывает заметное влияние на формирование деформационной структуры.

Так, при гофрировании переходной полосы происходит механический поворот (ротация) ее субзерен относительно полосы деформации вокруг поперечного направления на угол в и вокруг нормали к плоскости прокатки на угол а1 (рис. 1, а, б). При этом наружные (крайние) субзерна переходной полосы приобретают значительную разориентацию с субзернами полосы деформации, величина которой определяется углами гофрирования в и а1. Отметим важный момент: в общем случае при достаточно больших углах в и а1 в искривленных участках переходной полосы всегда найдется двойной поворот (по в и а1), приводящий к наиболее благоприятному ориентационному соотношению субзерен переходной полосы и полосы деформации, при котором межзеренная граница имеет максимальную подвижность. Таким образом, в результате гофрирования слоев при прокатке в кристалле возникают объемы, в кото-

Рис. 1. Изменение ориентировки субзерен в переходной полосе (ПП) (а, б — схемы) при ее гофрировании (в, г — натурные образцы): НПП — нормаль к плоскости прокатки, НП — направление прокатки, ПН — поперечное направление, ПД — полоса деформации. Фигуры травления: {110} — 0; {111} — >; {112} — |>

рых субзерна переходной полосы больше субзерен полосы деформации и имеют благоприятное ориентационное соотношение с ними; именно в них и начнется первичная рекристаллизация.

Например, если в прокатанном кристалле (110)[001] в = 30 °, то разориентация крайних субзерен переходной полосы с ориентировкой субзерен полос деформации составит 30 °-35° и ориентировка некоторых из них будет ребровой, тогда как текстура полосы деформации {111}^211 при гофрировании переходной полосы не претерпевает радикальных изменений (рис. 1, а). Имея размерное преимущество и благоприятный ориентационный контраст с окружением, крайние субзерна переходной полосы будут зародышами первичной рекристаллизации, которые и создадут текстуру первичной рекристаллизации {110^001^. Поворот субзерен переход-

ной полосы на угол а1 приводит к рассеянию текстуры первичной рекристаллизации вокруг нормали к плоскости листа (рис. 1, б).

Подобная картина структурных и текстурных превращений наблюдается и в кристаллах {111}^211 при прокатке и последующем отжиге.

Замечено, что в некоторых случаях в продольном сечении прокатанных монокристаллов {110^00^ содержится всего лишь одна полоса деформации, то есть полосы деформации пронизывают всю толщину образца (рис. 2). Появление одной или нескольких полос деформации по толщине ленты зависит от условий прокатки, фактора формы образца, исходной толщины кристалла и т.д. При первичной рекристаллизации в ленте, имеющей несколько полос деформации по толщине, текстуру {113}(б31) создают гофрированные по

Рис. 2. Пример разбиения кристалла

углам в и а1 переходные полосы. Когда же по толщине ленты располагается одна полоса деформации, текстуру первичной рекристаллизации {140}(441) + {100}(001) задают переходные полосы, гофрированные по углам а 2 и у.

2.2. ГЦК-кристаллы

Основными компонентами текстуры прокатки с большими обжатиями кристаллов ГЦК-металлов, в том числе и пермаллоев, являются {110}(112) и {112}(111) [9]. Близкими к этим ориентировками обладают и крайние субзерна переходных полос. При прокатке с большими степенями обжатий переходные полосы испытывают гофрирование в плоскости и в продольном сечении ленты. В результате больших и сложных изгибов (поворотов) переходных полос их крайние субзерна приобретают ориентировку {100}(001), они становятся зародышами первичной рекристаллизации и формируют кубическую текстуру при отжиге.

3. Текстурообразование в анизотропной электротехнической стали

ООО «ВИЗ-Сталь» при производстве анизотропной электротехнической стали применяет следующие основные технологические операции: горячая прокатка на ленту толщиной 2.5 мм ^ первая холодная прокатка до 0.62-0.70 мм ^ отжиг при 850 °С 3-5 мин для обезуглероживания и первичной рекристаллизации ^ вторая холодная прокатка до 0.3 мм > отжиг при 11501180 °С во влажном водороде 25-30 час для обеспечения вторичной рекристаллизации и удаления вредных примесей ^ отжиг при 850 °С для снятия рулонной кривизны.

После первой холодной прокатки и обезуглероживающего отжига поверхностный слой ленты имеет основную компоненту текстуры первичной рекристаллизации {111}(211; такая же текстура первичной рекристаллизации поверхностного слоя получается и после второй холодной прокатки; текстура остального объема

ленты — {100} (0Ы}. Непонятно, почему в прокатанных монокристаллах {111}(211) при первичной рекристаллизации образуется текстура {110}(001, а в прокатанных поликристаллах с исходной острой текстурой (псевдомонокристаллах) {111}(211) ребровая компонента в текстуре первичной рекристаллизации настолько слаба, что ее полюсы отсутствуют на обычной полюсной фигуре. Последнее связано, по крайней мере, с тремя обстоятельствами: 1) псевдомонокристалл имеет очень малую толщину (~ 0.04 мм) и в нем по толщине образуется одна полоса деформации; 2) очень мал угол гофрирования поверхностного слоя при тонколистовой прокатке; 3) поверхностный слой контактирует с металлом, имеющим неблагоприятную для роста ребровых зерен текстуру {100}(0Ы}. Первые два обстоятельства не дают зародышей с ребровой ориентировкой, а третье не позволяет развиваться таким зародышам, даже если они возникли.

По результатам работ [10, 11] можно предположить, что одним из путей увеличения толщины псевдомонокристалла и изменения текстуры матрицы может быть использование комбинированной деформации (осадка + прокатка, растяжение + прокатка). В данной работе применялась локальная осадка + прокатка. Локальная осадка1 производилась внедрением индентера (шарика 0 2.5 мм) в первично рекристаллизованную ленту промежуточной толщины 0.7 мм на глубину 0.2-0.3 мм, что обеспечило осадку 30-40 %. Отпечатки располагались в шахматном порядке с шагом 10 мм. Далее следовала вторая холодная прокатка и градиентный отжиг (35 °С/см) с максимальной температурой 1 050 °С. На первой стадии второй холодной прокатки на 30-40 % металл под лункой претерпевает только растяжение за счет того, что окружающий его объем испытывает большую вытяжку. При дальнейшем обжатии ленты до конечной толщины (с 40 до 55 %) металл под лункой будет прокатываться. В результате локальные объемы металла деформируются по схеме: осадка + растяжение + прокатка, а основной металл—только прокаткой. В локальных объемах, претерпевших сложную деформацию, текстура изменяется, что оказывает влияние на формирование структуры и текстуры при первичной и вторичной рекристаллизациях (рис. 3). Видно, что зерна вторичной рекристаллизации появляются в местах нада-

1 При свободной осадке в ОЦК-металлах образуется двойная аксиальная текстура, в которой оси (111) и (100) совпадают с направлением сжатия [9]. Возможно, что в случае локального внедрения шарика преобладает аксиальная текстура (111), так как деформация протекает неоднородно и в стесненных условиях. Это приводит к частичной замене текстуры матрицы {100}(0к/) на и, следовательно, к увеличению толщины псевдомонокристалла и созданию условий для образования нескольких полос деформации и переходных полос по толщине ленты при последующей прокатке и роста зародышей при отжиге.

Рис. 3. Зерна вторичной рекристаллизации в мелкозернистой матрице, образовавшиеся в местах локальной деформации. X 1.5

вов; их ориентировка, определенная по фигурам травления, близка к ребровой.

Более точное определение влияния этой локальной комбинированной деформации на текстуру вторичной рекристаллизации было проведено на лабораторных образцах 280x30x0.3 мм3. Установлено, что в опытных образцах ребровая текстура более острая, чем в контрольных (только прокатанных), о чем свидетельствует увеличение магнитной индукции В800 с 1.87 до 1.92 Тл.

4. Заключение

В настоящей работе показано, что гофрирование переходных полос при прокатке, создавая ориентационный контраст зародышей первичной рекристаллизации с матрицей, играет существенную роль в формировании структуры и текстуры первичной и вторичной рекристаллизации. Этот результат положен в основу способа получения анизотропной электротехнической стали с острой ребровой текстурой {110^00^, новизна которого заключается в использовании перед прокаткой локальной деформации осадкой.

Не исключено, что на формирование структуры и текстуры при деформации и рекристаллизации влияет гофрирование не только переходных полос, но и других полос локализованной пластической деформации (например полос деформации, скольжения, сдвига и сброса), а также гофрирование определенных объемов металла, имеющих наибольшую по сравнению с окружением деформацию.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 02-02-16443, 01-02-96407).

Литература

1. Taoka T, Furubayashi E., Takeuchi S. Formation of cold-rolled texture and recrystallized texture in single crystals of 3 % silicon iron (Part III) // Trans. Nation. Res. Inst. Metals. - 1967. - V. 9. - No. 4. - P. 155207.

2. Furubayashi E. An origin of the recrystallized grains with preferred orientations in cold rolled Fe - 3 % Si // Trans. I. S. I. Jap. - 1969. -V. 9. - P. 222-238.

3. Лифшиц Б.Г., Новиков В.Ю., Рощина Л.В. Изучение структуры кристалла (110)[001] кремнистого железа на начальной стадии первичной рекристаллизации // ФММ. - 1969. - Т. 27. - Вып. 5. -С. 865-869.

4. Гольдштейн В.Я., Савинская А.А. Текстурообразование при рекрис-

таллизации в переходных полосах деформированных монокристаллов Fe - 3 % Si // Изв. АН СССР. Физика. - 1979. - Т. 43. -№7. - С. 1399-1403.

5. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1978. - 568 с.

6. Брышко Н.А., Губернаторов В.В., Соколов Б.К. Развитие текстур деформации и рекристаллизации в сплаве Fe - 3 % Si при обработках, включающих перекрестную прокатку // ФММ. - 1985. -Т. 60. - Вып. 4. - С. 756-763.

7. Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р., Сычева Т.С., Долгих Д.В. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 1. Геометрическая модель пластического течения структурно-однородных сред при прокатке // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. -№5.- С. 97-101.

8. Sokolov B.K., Sbitnev A.K., Gubernatorov VV. et al. On the influence of the annealling heating rate on the recrystallization texture of a deformed single crystal (110)[001] of 3 % silicon iron // Textures and Microstructures. - 1995. - V. 26-27. - P. 427-443.

9. Вассерман Г., Гревен И. Текстуры металлических материалов. -М.: Металлургия, 1969. - 655 с.

10. Губернаторов В.В., Титоров Д.Б., Соколов Б.К. Текстурные барьеры роста зерен // ФММ. - 1978. - Т. 45. - Вып. 1. - С. 216-218.

11. Сидоров В.А., Соколов Б.К., Бухвалов О.Б., Губернаторов В.В. Исследование связи схемы очага деформации при прокатке с текстурным состоянием железокремнистого сплава // Изв. АН СССР. Металлы. - 1980. - № 5. - С. 122-126.