CC BY
137
О формировании полосовых структур в структурно-однородных
материалах при деформации
В.В. Губернаторов, Б.К. Соколов, И.В. Гервасьева, Л.Р. Владимиров
Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия
На примере листовых монокристаллов сплава Fе-3%Si различных исходных ориентировок экспериментально обосновано выдвинутое ранее положение о том, что определенные слои любого материала, в том числе и структурно-однородного, в очаге деформации принимают волнообразную форму — гофрируются. Показано, что гофрообразование при деформации ответственно за формирование деформационных полосовых структур.
1. Введение
Полосовые структуры (полосы деформации, переходные полосы, полосы сдвига), образующиеся в материалах при различных видах пластической деформации, оказывают влияние на структуру и свойства этих материалов. Они определяют дальнейшее развитие деформации и разрушения материалов, изменения в кристаллографической текстуре деформации, структурные и текстурные преобразования при отжиге.
Несмотря на то, что деформационные полосовые структуры изучаются уже несколько десятков лет, природа их образования остается неясной. Развитая в последние годы физическая мезомеханика [1, 2] связывает причину образования полосовых структур с наличием мезоконцентраторов напряжений в структурно-неоднородном материале. Однако имеются сведения, что полосовые структуры образуются и в структурно-однородных материалах, таких как пластмассы, аморфные сплавы и т.п. [3].
Недавно было найдено, что при пластическом течении материала в очаге деформации формируется особый вид неоднородности, заключающийся в искажении плоскостности некоторых слоев материала и образовании различного рода гофров [4, 5]. Предполагается, что возможной причиной гофрирования является потеря устойчивости слоев материала, испытывающих стесненную деформацию. Утверждается, что гофрообразо-вание в той или иной степени всегда присуще стесненной пластической деформации. Таким образом, даже без базовых концентраторов напряжений (то есть в
структурно-однородном материале) при деформации возникают эффекты, приводящие к формированию соответствующих мезонеоднородностей.
Высказано предположение о том, что именно гофрирование материала в очаге деформации влияет на формирование, размеры и закономерное расположение полосовых структур и их эволюцию [5]. Поскольку в деформационных полосах имеют место определенные повороты кристаллической решетки, то гофрирование обусловливает и текстурные изменения в деформируемом материале.
Связь между гофрированием, структурой деформационных полос и текстурными изменениями при пластической деформации легче проследить на металлических монокристаллах, которые можно рассматривать как структурно-однородный материал. Между тем до сих пор существует мнение, что в монокристаллах некоторых ориентировок деформация не приводит к появлению полосовых структур [6, 7]. Не наблюдали полосовые структуры в чистых монокристаллах стабильных ориентировок, которые не изменяются при деформации. Это обстоятельство, как кажется, противоречит высказанной концепции о связи формирования полосовых структур с гофрированием материала.
В настоящей работе с целью выяснения причин и механизмов возникновения деформационных полосовых структур детально изучено течение металла в очаге деформации при прокатке. Исследование проведено в основном на листовых металлических монокристаллах сплава Fе-3%Si, на которых можно четко проследить
© Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Гервасьева И.В., Владимиров Л.Р., 1999
Рис. 1. Полосовая структура (полосы деформации — ПД, переходные полосы - ПП и полосы сдвига — ПС) в прокатанном на 65 % монокристалле (110)[001]. НП — направление прокатки
за течением металла в очаге деформации и формированием полосовых структур.
2. Материал и его обработка, методы исследования
В качестве материала исследования взяты листовые монокристаллы толщиной 0.3-0.7 мм с ориентировками (100), (110) и (111), приготовленные методом рекристаллизации из ОЦК сплава Fе-3масс.%Si. Отклонение указанных кристаллографических плоскостей от поверхности листа было менее 2°. Общее содержание примесей в сплаве не превышало 0.06 %.
Прокатку осуществляли на лабораторном стане кварто с диаметром рабочих валков 45 мм при комнатной температуре. Бочки валков и поверхности монокристаллов полировали. При оценке величины обжатия материала по длине очага деформации и его приращения использовали метод наката на образец валков, расстояние (зазор) между которыми остается постоянным. Эволюция деформационной структуры по длине очага деформации прослежена на образцах-недокатах, извлеченных из валков после прокатки не по всей их длине.
Структуру деформированного металла изучали оптической металлографией. Образцы после деформации подвергали декорирующему отжигу — 1 час при 450 °С в углеродосодержащей атмосфере.
Текстуру определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2 с модернизированной автоматической текстурной приставкой в Ка1 Мо и Со излучениях.
Ориентацию локальных областей деформированного металла определяли рентгеновским анализом при диаметре пучка 0.2 мм и по мелким фигурам травления (их получали травлением в растворе, содержащем Н20, Н202 и НС1; они имели размер 2-3 мкм и были огранены семействами плоскостей {100} и {110}).
3. Результаты исследования и их обсуждение
3.1. Деформационные полосовые структуры, образующиеся при прокатке монокристаллов
На рис. 1 показана микроструктура монокристалла {110} после прокатки в направлении [001] с обжатием 65 %. При прокатке в монокристалле формируются следующие типы полос: полосы деформации, переходные полосы и полосы сдвига.
Полосы деформации представляют собой веретенообразные области материала, вытянутые в направлении прокатки, которые отличаются друг от друга кристаллографической ориентировкой. В данном случае при деформации в смежных полосах происходили повороты решетки в двух диаметрально противоположных направлениях, в результате чего образовывалась текстура с двумя стабильными компонентами (111) [1 12] и (111) [112]. Обращает на себя внимание регулярность в расположении деформационных полос.
Переходные полосы разделяют смежные полосы деформации.
Полосы сдвига — пластинообразные области материала, внутри которых сосредоточены простые сдвиги решетки кристалла. Необходимо отметить, что полосы сдвига не вызывают существенной разориентировки прилегающих к ним участков материала. Особенностью полос сдвига является то, что на поверхности листа они располагаются перпендикулярно направлению прокатки, а на боковых поверхностях образца — под углами 25-50° независимо от ориентировки прокатываемого монокристалла.
Четко выраженные полосы деформации формируются не при всех исходных ориентировках монокристаллов. Особый интерес вызывают монокристаллы со стабильными по отношению к деформации ориентировками. В ОЦК сплавах к стабильным ориентировкам, не изменяющимся при прокатке, относят {100}<011>, {111}<011> и {111}<112>.
Подробное структурное исследование монокристаллов с указанными исходными ориентировками позволило обнаружить, что при прокатке в них формируются как полосы сдвига, так и деформационные полосы. На рис. 2 показан вид поверхности монокристалла {100}, прокатанного со степенью обжатия 65 % в направлении
Рис. 2. Полосы деформации (ПД), выявленные мелкими фигурами травления на поверхности монокристалла (100)[011], прокатанного с обжатием 65 %. НП — направление прокатки
<011> и протравленного для получения очень мелких фигур травления. Можно видеть полосы, различающиеся по интенсивности светового отражения, вытянутые как в направлении прокатки (полосы деформации), так и в перпендикулярном направлении (полосы сдвига). Это указывает на различие ориентировки между ними.
На рис. 3 представлена полюсная фигура {110}, по виду которой можно судить о том, что исходная ориентировка при деформации несколько рассеивается. Анализ области рассеяния малой интенсивности позволяет видеть ее расширение как в направлении прокатки, так и в перпендикулярном направлении. Эти результаты позволяют говорить о том, что и при прокатке монокристаллов стабильной ориентации в них также образуются полосовые структуры, однако смежные полосы деформации повернуты на меньшие углы друг относительно друга.
3.2. Некоторые особенности течения металла в очаге деформации при прокатке
Изучение поверхности прокатанных монокристаллов позволило выявить на ней характерный волнообразный рельеф — гофры. Они образуются как в на-
/ / / / / и / V / / х 1 I 1 у пн^
1 \ \ \ \ \ \ / \ \ // \ 'И \ \ V \ '■ \ \ / у ^ I У / ^ /
Рис. 3. Полюсная фигура {110}, полученная с поверхности монокристалла (100)[011], прокатанного с обжатием 65 %. НП — направление прокатки. Цифры обозначают уровни интенсивности рентгеновского отражения в сравнении с отражением от бестекстурного эталона. Черные квадраты — ориентировка исходного монокристалла. ПН — поперечное направление
правлении прокатки, так и в поперечном направлении. На рис. 4 показан пример таких гофров.
На рис. 5 показана структура недоката монокристалла {110}<110>. В нем уже в начале очага деформации образовались полосы сдвига. Их особенностью была синусоидальная форма. Волнообразность полос сдвига свидетельствует, что материал в этом месте сгоф-рировался. Гофры расположены по ширине образца, перпендикулярно направлению прокатки. Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что гофрирование прокатываемого материала начинается в самом начале очага деформации.
Ниже рассматриваются предполагаемые причины и механизм гофрообразования. Из схемы (рис. 6) видно,
ПН
Рис. 4. Рельеф на поверхности монокристалла (100)[011], прокатанного с обжатием 65 %. НП — направление прокатки, ПН — поперечное направление
ПД
Рис. 5. Полосы сдвига, образовавшиеся в монокристалле (110)[1 1 0] в начале очага деформации. НП — направление прокатки
что при малом (элементарном) перемещении по образцу прокатных валков (1^2) без изменения зазора между ними, в очаге деформации, в соответствии с его геометрией, существует вертикальный слой материала S, который испытывает по сравнению с соседними слоями наибольшее мгновенное приращение абсолютного обжатия ДА = А1-А1.
Слой, испытывающий большее обжатие, сильнее других течет в различных направлениях. Но его течению препятствуют соседние слои (они играют роль жестких концов и затрудняют течение металла) и вынуждают его гофрироваться по ширине и толщине образца (рис. 7, I и II соответственно). Причиной гофрирования этого слоя, как и при потере устойчивости нагружаемой стержневой системы [8], служат сжимающие напряжения, действующие в условиях стесненной деформации.
Кроме того, имеет место и гофрирование слоев образца, параллельных поверхности прокатки. Известно, что в зависимости от схемы и условий деформации
I
поверхностные слои материала деформируются слабее или сильнее внутренних, то есть в очаге деформации может наблюдаться различие в вытяжке слоев образца (ес), причем ес отличается от средней вытяжки е. Это различие зависит, прежде всего, от е и коэффициента формы образца т = £/кср (кср = (к0 + кк )/2, где L — длина очага деформации, А0 — исходная и Ак — конечная толщина образца). При е < 10 % и т > 1 степень деформации внутренних слоев (еВС) меньше поверхностных (еПС), а при е > 10 % и т < 1, наоборот, еВС > еПС.
Свободной вытяжке слоев материала препятствуют соседние слои металла, испытывающие меньшую деформацию, заставляя их гофрироваться. При е > 10 % и т < 1 будут гофрироваться внутренние слои, а при е < 10 % и т > 1 — поверхностные (рис. 7, Ша и Шб, соответственно). В начале очага деформации, когда ДА велико, будет гофрироваться внутренний слой, а в конце очага деформации, когда ДА очень мало, гофрироваться будут поверхностные слои. Поскольку при прокатке в конце очага деформации ДА будет всегда незначительным, прокатанные образцы всегда будут иметь поверхностный мезо- или микрорельеф. Выше уже демонстрировался вид поверхностного рельефа в прокатанном монокристалле как одно из доказательств явления гофрирования. Подобный рельеф наблюдали и в тонких (0.3 мм) и тончайших (0.1 мм) листах электротехнической стали (промышленный сплав Fе-3%Si), полученных холодной прокаткой.
Нужно отметить, что такой рельеф не имеет ничего общего с макрорельефом (елочкой, коробоватостью и т.п.), так как причины появления макрорельефа другие, чем мезо- и микрорельефов, и давно известны (неправильная профилировка прокатных валков, разнотол-щинность исходной заготовки и т.д.). Мезо- и микрорельеф является неотъемлемым свойством прокатки (особенно листовой). Его образование необходимо учитывать при оценке шероховатости поверхности катаного материала.
Рис. 6. Схема распределения мгновенного приращения абсолютного обжатия по длине очага деформации
Рис. 7. Схема гофрирования слоев материала при прокатке
Можно заключить, что гофрирование является непременным следствием градиента напряженно-деформированного состояния по сечению образца и стесненности деформации определенных слоев материала в очаге деформации. Параметры и расположение образующихся гофров определяются, в первую очередь, средней деформацией образца и коэффициентом его формы и зависят от прокатных факторов (коэффициента трения, переднего и заднего натяжения, диаметра рабочих валков и т.д.) и различных неоднородностей, имеющихся в исходном материале.
3.3. Гофрирование и образование полосовой структуры в деформируемом материале
Главной особенностью гофров является создание ими закономерного чередующегося по знаку распределения напряжений (±ст), которые могут достигать очень больших значений. Доказательством этого служит разрушение деформируемых образцов с образованием волнообразных (гофрированных) поверхностей. На рис. 8 показан вид разрушенного во время прокатки образца из стали 37ХН3МФА в бейнитном состоянии (образец предоставлен доктором технических наук Кутьиным А.Б.). Прокатку проводили в квадратных ручьях при 550 °С от 16x16 мм до 14x14 мм за один проход. В этом случае реализуется схема е > 10 % и т <1 с гофрированием внутреннего слоя (рис. 7, 111а).
Именно гофры служат причиной разбиения деформируемого кристалла на субобласти и закономерных поворотов кристаллической решетки в этих субобластях с образованием полос деформации. На рис. 9 представлена схема образования полос деформации по ши-
Рис. 9. Схема формирования полос деформации в монокристалле (110)[001] в результате гофрообразования и их эволюции по длине очага деформации при прокатке
рине деформируемого монокристалла (110)[001]. Гофрирование вертикальных слоев материала при стесненности уширения образца приводит к соответствующей переориентации соседних субобластей кристалла и тем самым инициирует образование полос деформации по ширине образца. Возникнув в начале очага деформации, полосы деформации при последующей прокатке сплющиваются и вытягиваются вдоль направления прокатки, при этом их ориентировка приближается к стабильной, вследствие чего образуется текстурный дублет {111} <112>.
Гофрирование слоев металла по толщине образца (рис. 7, II) формирует полосы деформации по его сечению.
В конце очага деформации за счет ст7 8 (рис. 7) возникают поверхностные полосовые структуры. Их параметры в различных ранее образовавшихся полосах деформации отличаются (что обусловлено различием механических свойств соседних полос деформации и пе-
Рис. 8. Вид разрушенного при прокатке образца из стали 37ХН3МФА
реходных полос). Новые полосы оказывают влияние на локальные изменения ориентации в пределах каждой полосы деформации, что приводит к рассеянию компонент текстуры.
4. Заключение
Результаты работы позволяют заключить, что и в монокристаллах, которые можно считать структурнооднородным материалом, не имеющим в начальном состоянии базовых концентраторов напряжений, при холодной прокатке в очаге деформации возникают характерные структурные неоднородности. Эти неоднородности имеют вид гофра. Гофрирующиеся слои могут быть перпендикулярны направлению прокатки, поперечному направлению и направлению нормали к плоскости прокатки. В зависимости от геометрии очага деформации и фактора формы образцов гофрированные слои могут располагаться как на поверхности прокатываемой полосы, так и в середине ее.
Происхождение полосовых структур, формирующихся при деформации, связано с процессом гофрирования. Благодаря закономерному распределению напряжений, обусловленных гофрированием, образуется упорядоченная структура полос деформации и полос сдвига с определенными поворотами в них кристаллической решетки.
Экспериментально показано, что в монокристаллах с исходными ориентировками, стабильными по отношению к деформации, также как и в монокристаллах других ориентировок возникают полосы деформации.
Продемонстрировано, что напряжения, связанные с гофрообразованием, могут приводить к разрушению образцов при прокатке с образованием характерного вида поверхности разрушения.
Таким образом, в настоящей работе приведены некоторые экспериментальные доказательства того, что деформационная полосовая структура образуется не только в исходно структурно-неоднородных материалах, но и в первоначально структурно-однородных материалах, в которых также имеет место гофрирование слоев. Эти результаты позволяют сформулировать общее положение о том, что именно гофрирование материала, которое определяется условиями деформации (в том числе и геометрией очага деформации) формирует структурное и текстурное состояние материала.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 99-0216279.
Литература
1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - 298 с. и 320 с.
2. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезо-
механика. - 1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
3. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. - Л.: Наука, 1986. - 224 с.
4. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Владимиров Л.Р. и др. Новые аспекты течения металла в очаге деформации // Доклады РАН (в печати).
5. Gubernatorov V.V., Sokolov B.K., Sbitnev A.K., Vladimirov L.R., Gervasyeva I. V Band structure formation in metals under deformation // Textures and Microstructures. - 1999. - V. 32. - No. 1^. -Р. 41-45.
6. Hu H. Annealing of silicon iron single crystals // Recovery and recrystallization of metals / Ed. by L. Himmel. - New-York-London: Int. Publ., Division of John Wiley & Sons. - 1962.
7. Seidel R, Lucke K. Influence of texture and microstructure inhomogeneities on the origin of goss-texture in silicon steel // Textures and Microstructures. - 1991. - V. 14-18. - Р. 903-908.
8. Бекофен В. Процессы деформации. - М.: Металлургия, 1977. -288 с.
