Масштабные уровни структуры листового проката из низкоуглеродистой стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14:621, 788.541.8

Масштабные уровни структуры листового проката из низкоуглеродистой стали

Ю.Ф. Иванов1,2, В.Е. Громов3, Д.А. Косинов3, Н.А. Попова4, С.В. Коновалов3

1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, 634055, Россия

2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия 3 Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, 654007, Россия 4 Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

Методами просвечивающей электронной микроскопии выполнен анализ структурно-фазового состояния горячекатаного листового проката из стали Ст08пс на различных масштабных уровнях. Рассмотрено формирование дислокационных субструктур, выявлен изгиб-кручение кристаллической решетки а-фазы, о чем свидетельствует присутствие изгибных экстинкционных контуров. Отмечено, что основными источниками полей напряжений являются границы зерен и фрагментов.

Ключевые слова: масштабные уровни, низкоуглеродистая сталь, дислокационная субструктура

Structural scales of sheet-rolled low-carbon steels

Yu.F. Ivanov1,2, V.E. Gromov3, D.A. Kosinov3, N.A. Popova4 and S.V. Konovalov3

1 Institute of High Current Electronics, SB RAS, Tomsk, 634055, Russia

2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia

3 Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, 654007, Russia 4 Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, 634003, Russia

The structural phase state of hot-rolled St08ps steel on different scales was analyzed by transmission electron microscopy. Attention was given to the formation of dislocation substructures; bending-torsion of the а-phase lattice was revealed, as evidenced by the presence of bend extinction contours. The main sources of stress fields were found to be grain and fragment boundaries.

Keywords: structural scales, low-carbon steel, dislocation substructure

1. Введение

Листовой прокат является исходным материалом для тяжелого, транспортного, сельскохозяйственного маши-

ностроения, судостроения, других отраслей хозяйств.

Каждые 10-15 лет в силу объективных причин требования к характеристикам прочности и пластичности конструкционных материалов возрастают не менее чем в 1.5 раза [1]. В этой связи в число первоочередных задач выходит улучшение качества и механических свойств прокатной продукции. Их решение невозможно без понимания природы процессов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в условиях высоких степеней и градиентов деформации, температуры [1, 2]. Изучение проблемы структурно-фазовых изменений

при температурных и деформационных воздействиях необходимо и для теории, и для практики обработки металлов давлением, металловедения и физики конденсированного состояния.

Процесс формоизменения материалов и закономерности пластической деформации в последнее время изучаются на разных структурных и масштабных уровнях, что придает методическую стройность анализу этих процессов [3, 4]. При таком анализе факторы пластической деформации и деформационного упрочнения определяются типом субструктуры, строением и свойствами дислокационных ансамблей.

Целью настоящей работы являлся анализ структурно-фазового состояния листового проката из низкоуглеродистой стали на различных масштабных уровнях.

© Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Косинов Д.А., Попова H.A., Коновалов C.B., 2013

2. Материал и методы исследования

В качестве материала исследований использован листовой прокат толщиной 3 мм из стали 08пс (С < 0.1%). Прокатка осуществлялась на стане горячей прокатки при температуре начала -1250 °С и конца -860 °С в последней клети чистовой группы. После сматывания в рулон при температуре 670 °С полоса охлаждалась на воздухе до комнатной температуры.

Исследования осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг, позволяющими осуществлять детальный анализ состояния дефектной субструктуры материала на различных структурно-масштабных уровнях [5, 6].

3. Результаты исследования и их обсуждение

Макромасштабным уровнем, выявляемым методами электронной дифракционной микроскопии, является уровень зеренной структуры. Выполненные исследования показали, что в стали формируется многофазная поликристаллическая структура, представленная зернами твердого раствора на основе ОЦК-железа (а-фаза) и зернами перлита пластинчатой морфологии. Преобладающей структурной составляющей стали данного класса является а-фаза. Выполненные электронно-микроскопические исследования показали, что зерна а-фа-зы фрагментированы, т.е. разделены малоугловыми границами на области неравноосной и квазиравноосной формы (рис. 1). Структура фрагментации стали относится к мезомасштабному уровню. Азимутальную составляющую угла полной разориентации фрагментов Д определяли по относительному уширению рефлексов

на микроэлектронограмме [5]. Выполненные исследования показали, что Д - 2.8°.

Относительная площадь зерна, занятая неравноосными и квазиравноосными фрагментами, составляет 0.72 и 0.08 соответственно (остальное (0.20) — зерна, не содержащие фрагментов). Средние поперечные размеры фрагментов квазиравноосной формы — 1.57 ± ± 0.29 мкм, неравноосной формы — 0.60 ± 0.31 мкм (рис. 2). Из анализа представленной на рис. 2 гистограммы поперечных размеров неравноосных фрагментов следует, что формирующаяся в стали фрагментирован-ная структура весьма неоднородна по размерам: поперечные размеры фрагментов изменяются в пределах от 0.3 до 1.5 мкм.

В объеме фрагментов, а также в объеме зерна, не содержащего малоугловых границ, присутствуют дислокационная субструктура сетчатого типа (0.56 объема зерна) (рис. 3, а) и хаотически распределенные дислокации (0.44 объема зерна) (рис. 3, б). Дислокационную субструктуру а-фазы отнесем к микромасштабному

601-

.о 40-

0-1---- I I =1-

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5

Н, мкм

Рис. 2. Гистограмма поперечных размеров неравноосных фрагментов

Рис. 3. Изображение, полученное методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии дислокационной субструктуры стали: сетчатая дислокационная субструктура (а), структура дислокационного хаоса (б), оборванная субграница (указана стрелками) (в)

уровню. Скалярная плотность дислокаций, усредненная по всем типам субструктуры, -2.4-1010 см-2. В отдельных случаях в объеме фрагментов выявляются оборванные субграницы, свидетельствующие о незавершенности процесса фрагментации зерна (рис. 3, в, оборванная субграница указана стрелками).

На электронно-микроскопических изображениях структуры стали присутствуют изгибные экстинкцион-ные контуры (рис. 1, контуры указаны стрелками). Статистический анализ изгибных экстинкционных контуров показал, что их средний поперечный размер h ~ = 190 нм, плотность контуров п (число контуров на единице площади изображения фольги) ~1.3 -105 мм-2. В обобщенном виде рассмотренные выше параметры структуры листового проката стали Ст08пс представлены в табл. 1.

Как отмечалось выше, термическая обработка стали Ст08пс сопровождается фазовым превращением с обра-

зованием перлита преимущественно пластинчатой морфологии. В отдельных случаях цементит обнаруживается в виде частиц глобулярной формы на границах зерен.

Характерное изображение пластинчатого перлита приведено на рис. 4. Детальный анализ пластин цементита выявил их дефектную субструктуру. На темнополь-ных изображениях проявляется крапчатый контраст (рис. 4, в), который обнаруживается в отдельных случаях и при светлопольном изображении пластин цементита (рис. 4, б). Размеры фрагментов пластин цементита изменяются в пределах от 15 до 25 нм. Дефектность структуры пластин цементита отражается и на строении микроэлектронограмм, полученных для перлитной колонии. Анализируя представленную на рис. 4, д микро-электронограмму, удается выявить тяжи на рефлексах карбидной фазы (на рис. 4, д тяж указан стрелкой), что также свидетельствует о дефектности структуры пластин цементита.

Таблица 1

Параметры, характеризующие состояние дефектной субструктуры листового проката из стали Ст08пс

Состояние Фрагменты, мкм <Р>, 1010 см-2 Контуры Да Субзерна, мкм (О/У)

Н L h, нм П, 105 мм 2

Ст08пс исходное 0.603 ± 0.31 тш 0.28; тах 1.44 >2.5 2.4 188.6 1.3 2.8° 1.57/0.08

Рис. 4. Изображение, полученное методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии перлита пластинчатой морфологии: светлые поля (а, б), темное поле, полученное в близко расположенных рефлексах [110]а-Ре и [031]Ре3С (в), микроэлектронограмма (стрелкой указаны рефлексы, в которых получено темное поле) и ее увеличенное изображение (стрелкой указан искаженный рефлекс цементита) (г, д)

4. Заключение

Таким образом, термомеханическая обработка стали Ст08пс в процессе изготовления листового проката толщиной -3 мм сопровождается формированием структуры, организованной на различных структурно-масштабных уровнях. Зерна феррита фрагментированы, в объеме фрагментов присутствуют сетчатая дислокационная субструктура и хаотически распределенные дислокации. Подобная разномасштабная структура выявляется и при анализе пластин цементита перлитных колоний. В зернах феррита и перлита выявлены изгиб-ные контуры экстинкции, свидетельствующие о внутренних полях напряжений, формирующихся в стали при термомеханической обработке. Основными источниками внутренних полей напряжений являются границы зерен и фрагментов.

Литература

1. Брауншейн O.E., Базайкин В.И., Громов В.Е., Дорофеев В.В. Произ-

водство листового проката в валках переменного сечения. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2008. - 116 с.

2. Ефимов О.Ю., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. Формирование структуры, фазового состава и свойств сталей и сплавов в упрочняющих технологиях обработки давлением. - Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2012. - 345 с.

3. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

4. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: в 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с.; Т. 2. - 320 с.

5. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968. - 574 с.

6. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

Поступила в редакцию 17.04.2013 г., после переработки 17.06.2013 г.

Сведения об авторах

Иванов Юрий Федорович, д.ф.-м.н., проф., снс ИСЭ СО РАН, yufi@mail2000.ru

Громов Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., проф., зав. каф. СибГИУ, gromov@physics.sibsiu.ru

Косинов Дмитрий Анатольевич, асп. СибГИУ, gromov@physics.sibsiu.ru

Попова Наталья Анатольевна, к.т.н., снс ТГАСУ, yufi@mail2000.ru

Коновалов Сергей Валерьевич, д.т.н., доц., проф. СибГИУ, konovalov@physics.sibsiu.ru