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

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

В.В. Губернаторов, Т.С. Сычева, А.И. Пятыгин1

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

Установлено, что в образовании и эволюции полосовой структуры в металлах и сплавах при прокатке существенную роль играет гофрирование слоев материала в физическом очаге деформации. Вскрыты причины гофрирования и показано его влияние на формирование зародышей рекристаллизации. Использование явления гофрирования при прокатке позволяет управлять структурой, текстурой и свойствами металлических материалов.

The corrugation phenomenon and formation of strained and recrystallized structure and

texture in metallic materials

V.V. Gubernatorov, T.S. Sycheva, and A.I. Pyatygin

It is established that corrugation of material layers in the physical deformation site plays a substantial role in the formation and subsequent evolution of banded structures in metals and alloys upon rolling. The factors that cause corrugation were understood. The effect of corrugation on the formation of recrystallization centers was shown. The use of the corrugation phenomenon upon rolling makes it possible to control the structure, texture and properties of metallic materials.

1. Введение

Эффективным и широко применяемым методом воздействия на структуру и текстуру металлов и сплавов является пластическая деформация с последующей рекристаллизацией. К настоящему времени установлено, что потенциальные зародыши (центры) первичной рекристаллизации уже существуют в деформированном материале — это субзерна полос локализованной пластической деформации (переходных полос, полос сдвига и скольжения); причем чаще всего зародышами становятся узкие вытянутые субзерна переходных полос [14]. Возникает вопрос, почему это происходит, ведь субзерна переходной полосы не имеют достаточного ориентационного контраста с субзернами окружающей матрицы, то есть отсутствует одно из необходимых условий превращения субзерна в центр роста. Ответ на данный вопрос, по-видимому, связан с особенностями формирования полос локализованной пластической деформации в металлах при деформации, механизм и закономерности которого до сих пор не совсем ясны.

Авторы связывают возникновение и эволюцию полос локализованной пластической деформации при прокатке с явлением гофрирования определенных слоев ма-

териала в физическом очаге деформации, который включает внеконтактную деформацию (деформацию материала до входа его в зазор между прокатными валками), в том числе и внеконтактную высотную утяжку. При анализе напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации были использованы представления о прокатке как процессе накатки прокатных валков на образец. Исследование проведено на моно- и поликристаллах ОЦК сплава Fe - 3 мас. % Si.

2. Результаты и обсуждение

2.1. Особенности напряженно-деформированного состояния металла в физическом очаге деформации На рис. 1 приведено одно из возможных распределений абсолютных элементарных обжатий (ёк) по длине очага деформации (1) для трех последовательных положений валка при его элементарных перемещениях по образцу величиной каждый. Видно, во-первых, что при первом и втором перемещениях валка распределения ё к по 1 отличаются по величине и форме максимумов: кривая 1 имеет острый максимум, приходящийся на начало очага деформации ОД1, а у кривой 2 максимум «размыт». Такое различие повторяется (че-

© Губернаторов В.В., Сычева Т.С., Пятыгин А.И., 2004

Рис. 1. Схема распределения элементарных обжатий дЛ по длине очага деформации 1 (б) при накатке валка на образец (а): Л0, Л1 — толщина образца до и после прокатки; АЛ — общая деформация за проход; Увн — внеконтактная утяжка; 5у, АЛвн — длина и высота внеконтактной утяжки; остальные обозначения в тексте

редуется) при последующих перемещениях валка (кривые 1 и 3 одинаковы) и обусловлено периодичностью высотной утяжки. Во-вторых, в конце очага деформации обжатие ёк очень мало при всех элементарных перемещениях валка.

Распределение ёк по 1 задается геометрией очага деформации, на которую влияет распределение ёк по 1 в предыдущем очаге деформации. Так, большое локальное обжатие в начале очага деформации ОД1 вызы-

вает высотную утяжку, которая изменяет геометрию очага деформации ОД2 по сравнению с ОД1.

2.2. Формирование структуры и текстуры в образце при продвижении его по очагу деформации

В начале очага деформации при первом элементарном перемещении валка по образцу один из вертикальных слоев в начале очага деформации ОД1 испытывает наибольшее обжатие по сравнению с другими слоями,

Рис. 2. Эволюция структуры металла в очаге деформации (а ^ б ^ в) при прокатке: НП — направление прокатки; ПН — поперечное направление; ТРВ — трансляционно-ротационные вихри; ПД — полосы деформации; ПП — переходные полосы; ПСг и ПСт — полосы сдвига грубые и тонкие

то есть в начале ОД 1 имеется резкий градиент деформации вертикальных слоев (рис. 1). Слой, испытывающий наибольшую деформацию в стесненных условиях (его течению препятствуют соседние слои), теряет устойчивость как нагружаемая стержневая система и гофрируется по высоте и ширине образца. Возникающие при гофрировании слоя знакопеременные напряжения релаксируют и тем самым создают напряженно-деформированные объемы — элементы релаксации напряжений типа трансляционно-ротационных вихрей. Знакопеременные напряжения стимулируют поворот кристаллографической решетки в противоположных направлениях, что приводит к образованию дублетной текстуры деформации [5]. При отсутствии гофрирования вертикального слоя наблюдается однокомпонентная текстура деформации [6]. Размер и расположение трансляционно-ротационных вихрей (то есть параметры гофров) задаются условиями прокатки и исходной толщиной образца. Например, чем больше обжатие за проход, тем выше и острее максимум на кривой распределения ёк по 1 и тем больше вероятность гофрирования; чем меньше исходная толщина образца, тем меньшее количество трансляционно-ротационных вихрей образуется по его высоте (имеется критическая исходная толщина образца, когда возникает только один трансляционноротационный вихрь) [7]. При втором элементарном перемещении валка по образцу гофрирования вертикального слоя не происходит, так как распределение ё к по 1 не имеет ярко выраженного максимума (рис. 1, кривая 2). В этом случае при воздействии внеконтактной высотной утяжки начнется течение металла и формирующаяся деформационная структура будет подобна структуре растяжения. Таким образом, по длине образца в начальной деформационной структуре будут чередоваться трансляционно-ротационный вихрь и структура растяжения (рис. 2, а). Параметры этих структур определяются прокатными факторами.

При дальнейшем продвижении образца по очагу деформации, то есть при последующем плавном увеличении обжатия, трансляционно-ротационные вихри, сформировавшиеся в начале очага деформации ОД1, сплющиваются, вытягиваются и превращаются в полосы деформации, а границы трансляционно-ротационных вихрей становятся переходными полосами (рис. 2, б). При формоизменении трансляционно-ротационных вихрей могут появляться новые элементы релаксации напряжений (в частности, тонкие полосы сдвига и полосы скольжения), которые должны гофрироваться, так как сдвиг и скольжение тоже протекают в стесненных условиях. Структура растяжения, сформировавшаяся в начале очага деформации ОД 2, с увеличением обжатия не изменяет своего характера. В результате по длине прокатываемого образца при существенном общем обжатии возможно чередование двух струк-

Рис. 3. Изменение ориентировки субзерен переходной полосы (б — схема) при ее гофрировании (а): НП — направление прокатки; НПП — нормаль к плоскости прокатки; ПД — полосы деформации; ПИ — переходные полосы; фигуры травления В — {НО}

тур: полосовой деформационной структуры и структуры растяжения. Для первой будет характерно наличие полос деформации, переходных полос, тонких полос сдвига и дублетность текстуры; для второй — отсутствие полос деформации и переходных полос и однокомпо-нентность текстуры.

В конце очага деформации при малых элементарных обжатиях деформируются только приповерхностные слои образца [8]. Поскольку их течение происходит в стесненных условиях, они будут гофрироваться. Это приведет к образованию рельефа поверхности прокатанного образца и появлению грубых полос сдвига, которые могут пронизывать полосы деформации и гофрироваться (рис. 2, в).

Гофрирование полос приводит к рассеянию текстуры деформации и оказывает влияние на мезотекстуру деформации, а следовательно, и на текстуру первичной

рекристаллизации. В частности, при гофрировании переходной полосы (рис. 3, а) происходит механический поворот ее участков относительно полосы деформации вокруг поперечного направления на угол в (рис. 3, б). В этих участках наружные субзерна переходной полосы приобретают значительную разориентацию с ячейками соседней полосы деформации. При этом всегда найдется поворот, приводящий к наиболее благоприятному ориентационному соотношению между ними, при котором образовавшаяся во время отжига межзеренная граница будет иметь максимальную подвижность.

Итак, в результате гофрирования слоев металла при прокатке образуются объемы, в которых наружные субзерна переходных полос больше ячеек полос деформации и имеют благоприятное ориентационное соотношение с ними. Именно в них и начнется первичная рекристаллизация, центрами роста которой становятся указанные субзерна. Рост зерен первичной рекристаллизации будет происходить за счет ячеек полос деформации. Текстура рекристаллизации зависит от того, в каких искривленных участках переходной полосы она начинается. Если рекристаллизация начинается в искривленных горизонтальных участках переходной полосы, то текстура будет одна, а если в вертикальных, то принципиально другая.

3. Заключение

Предложена новая концепция формирования полосовой структуры в металлических материалах при прокатке. В ее основе лежит гофрирование слоев металла в начале очага деформации. Последующее обжатие в очаге деформации приводит к гофрированию образовавшихся переходных полос. При этом появляется ориентационный контраст между матрицей и наружными субзернами полосы, что дает возможность последним стать зародышами рекристаллизации.

Не исключено, что на формирование структуры при деформации и рекристаллизации оказывает влияние гофрирование и других полос локализованной пластической деформации, а также объемов металла, имеющих наибольшую по сравнению с их окружением деформацию.

Полученные результаты открывают новые возможности получения металлических материалов с заданной структурой и текстурой. Так, на их основе авторами предложены способы производства анизотропной электротехнической стали (сплава Fe—3 % Si) с оптимальной структурой и текстурой и высоким уровнем магнитных свойств [7, 9, 10]. Суть способов заключается в управлении количеством и расположением зародышей рекристаллизации.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 02-02-16443, 03-02-16185).

Литература

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

2. Рекристаллизация металлических материалов / Под ред. Ф. Хес-нер. - М.: Металлургия, 1982. - 352 с.

3. Taoka T., FurubayashiE., 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.

4. 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.

5. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Владимиров Л.Р. и др. Новые аспекты течения металла в очаге деформации // Доклады РАН. -

1999. - Т. 364. - № 4. - С. 468-470.

6. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Владимиров Л.Р, Гервасъева И.В., Матвеева В.С. Структурные и текстурные преобразования в металлических материалах при обработках, включающих деформацию изгибом. 1. Монокристаллы сплава Fe-3%Si // ФММ. -

2000. - Т. 90. - № 3. - С. 65-68.

7. Губернаторов В.В., Сычева Т.С., Владимиров Л.Р, Матвеева В.С., Пятыгин А.И., Мелъников М.Б. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 3. Новые пути получения высококачественной анизотропной электротехнической стали // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 3. - С. 107-112.

8. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. - М.: Металлургия, 1982. - 584 с.

9. Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р, Сычева Т.С. и др. Использование принципа планетарной прокатки для локальной деформации анизотропной электротехнической стали // Сталь. - 2003. -№ 4. - С. 43^5.

10. Губернаторов В.В., Кетов С.П., Соколов Б.К., Сычева Т.С., Пятыгин А.И. Опробование нового способа регулирования текстуры в электротехнической анизотропной стали // Сталь. - 2003. -№ 1.- С. 90-93.