CC BY
108
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 2 (2), с. 92-95
УДК 669.15
© 2013 г.
ОСОБЕННОСТИ СТАТИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
М.С. Тихонова, А.Н. Беляков
Белгородский госуниверситет tikhonova@bsu.edu.ru
Поступила в редакцию 04.04.2013
Выявлены особенности статической рекристаллизации аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н8Д3Б после интенсивной пластической деформации. Кинетика рекристаллизации ускоряется при уменьшении температуры предыдущей интенсивной пластической деформации. После интенсивной пластической обработки при температурах 500-700°С последующая рекристаллизация при температуре 1000°С приводит к формированию неоднородной структуры с бимодальным распределением зерен по размерам.
Ключевые слова: аустенитная нержавеющая сталь, статическая рекристаллизация, средний размер зерна, границы зерен.
Введение
На сегодняшний день особый интерес представляет использование интенсивной пластической деформации для обработки конструкционных сталей и сплавов с целью получения ульт-рамелкозернистой структуры [1—3]. Такие материалы имеют высокие прочностные свойства, но обладают низкой пластичностью [4, 5]. Проблему улучшения механических свойств ульт-рамелкозернистых материалов, полученных интенсивной пластической обработкой, можно решить с помощью определенной термообработки. Отжиг сильно деформированной структуры сталей и сплавов может обеспечить повышение пластичности при сохранении повышенных прочностных характеристик [6]. Основным процессом, определяющим структурные изменения в процессе отжига, является статическая рекристаллизация. При статической рекристаллизации значительное влияние на кинетику процесса и параметры формирующейся микроструктуры имеют структурные характеристики деформированного материала, такие как размер зерен и субзерен, плотность дислокаций, характер границ зерен и субзерен деформационного происхождения. Однако эволюция микроструктуры при отжиге ультрамелкозернистых аусте-нитных сталей, предварительно подвергнутых интенсивной пластической деформации, детально не изучалась.
Целью данной работы является исследование особенностей статической рекристаллизации в аустенитной нержавеющей стали, подвергнутой интенсивной пластической деформации при различных температурах.
Методика эксперимента
Для проведения исследований использовали аустенитную нержавеющую сталь 08Х18Н8Д3Б следующего химического состава: основа Fe -0.10% С-18.2% Сг-7.85% №-2.24% Си-0.50% №-0.008% В-0.12% N-0.95% Мп-0.10% Si. Предварительная термообработка стали заключалась в нагреве до 1100°С и выдержке в течение 30 минут с последующей закалкой в воду. Интенсивную пластическую обработку методом всесторонней ковки с поворотом образца на 90° относительно оси деформации при каждом последующем проходе проводили на универсальной испытательной машине 1шйоп 5882 усилием 30 тонн при температурах 500°С, 600°С, 700°С и 800°С. Суммарная истинная степень деформации составила 4. Отжиг образцов после многократной ковки проводился при температурах 1000°С, 900°С, 800°С в течение 30 минут. Структурные исследования выполняли на растровом электронном микроскопе Quanta600 3D методом автоматического анализа дифракции обратных рассеянных электронов. Количественные структурные характеристики были получены с использованием программного обеспечения EDAX TSL ver.5.
Результаты и их обсуждение
Многократная ковка стали 08Х18Н8Д3Б при температурах 500°С - 800°С до истинной степени деформации 4 приводит к формированию ультрамелкозернистой структуры с различным размером зерен (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктуры стали 08Х18Н8Д3Б после деформации до истинной степени 4 при различных температурах: а) 800°С, б) 700°С, в) 600°С, г) 500°С. Черным цветом обозначены границы с углом разориентировки более 15 градусов, белом цветом - границы от 2 до 15 градусов
Рис. 2. Микроструктуры стали 08Х18Н8Д3Б после деформации до истинной степени 4 при различных температурах: а) 800°С, б) 700°С, в) 600°С, г) 500°С - и отжига при 800°С. Черным цветом обозначены границы с углом разориентировки более 15 градусов, белом цветом - границы от 2 до 15 градусов
Средний размер зерен уменьшается от 0.69 до 0.22 мкм при понижении температуры деформации от 800°С до 500°С. Формирование таких ультрамелкозернистых структур в процессе многократной ковки является результатом динамической рекристаллизации. При температуре деформации 800°С новые зерна формируются по классическому механизму прерывистой динамической рекристаллизации [7, 8]. Распределение границ зерен по углам разориентировок при этом характеризуется большой долей высокоугловых и специальных границ. Доля специальных границ в такой структуре составляет
0.19. Уменьшение температуры деформации приводит к формированию устойчивой субструктуры. Структура деформированного образца отличается наличием большого количест-
ва малоугловых субграниц. Соответственно, доля высокоугловых границ уменьшается с уменьшением температуры деформации и составляет 0.68 при 700°С, 0.39 при 600°С и 0.49 при 500°С. Доля специальных границ в образцах после обработки при 500-700°С не превышает 0.09. Такое поведение материала характерно для непрерывной динамической рекристаллизации [8, 9].
Микроструктуры деформированной стали 08Х18Н8Д3Б после отжига при температуре 800°С (рис. 2) характеризуются небольшим укрупнением зерен.
В процессе отжига формируется рекристал-лизованная структура, состоящая из зерен, окруженных высокоугловыми границами и границами специального типа. При этом необходимо
Рис. 3. Микроструктуры стали 08Х18Н8Д3Б после деформации до истинной степени 4 при различных температурах: а) 800°С, б) 700°С, в) 600°С, г) 500°С - и отжига при 1000°С. Черным цветом обозначены границы с углом разориентировки более 15 градусов, белом цветом - границы от 2 до 15 градусов
отметить, что рост зерен при отжиге происходит значительно быстрее в образцах, деформированных при более низких температурах, т.е. при 500оС и 600оС. Такое поведение деформированного материала, возможно, связано с тем, что интенсивная пластическая деформация образцов исследуемой стали при относительно низких температурах приводит к высокой плотности дислокаций и большой доле малоугловых субграниц. Высокие внутренние напряжения, связанные с дислокационной субструктурой деформированного материала, увеличивают скорость роста новых зерен в процессе статической рекристаллизации. Отжиг при температуре 9000С образцов после интенсивной пластической деформации приводит к формированию более крупнозернистой структуры, хотя качественно рекристаллизованные при 800 и 9000С микроструктуры не отличаются.
Увеличение температуры отжига до 10000С образцов стали после интенсивной пластической деформации приводит к качественным изменениям рекристаллизованной структуры (рис. 3).
Характер рекристаллизованной микроструктуры сильно зависит от температуры предыдущей пластической обработки. Рекристаллизо-ванные микроструктуры образцов стали, подвергнутых многократной ковке при температурах 500-7000С, характеризуются бимодальным распределением зерен по размерам, т.е. микроструктуры состоят из крупных зерен размером более 30 мкм и мелких зерен размером, не превышающим 5 мкм. С уменьшением температуры предварительной деформации последующий отжиг образцов стали при температуре 10000С
приводит к увеличению доли крупных зерен. Формирование рекристализованной структуры в процессе отжига при 1000°С в стали, деформированной при температуре 800°С, происходит аналогично рекристаллизации при более низких температурах. Рекристаллизованная микроструктура (рис. 3 а) состоит из однородных, равноосных рекристаллизованных зерен.
На рис. 4 представлено изменение структурных характеристик аустенитной нержавеющей стали, подвергнутой всесторонней ковке, в зависимости от температуры последующего отжига, что иллюстрирует кинетику статической рекристаллизации различных типов структур, полученных интенсивной пластической обработкой. Независимо от структурных параметров деформированных образцов, отжиг приводит к быстрому развитию статической рекристаллизации. Даже при сравнительно низкой температуре отжига 800°С в образцах формируется рекристаллизованная микроструктура, в которой более 85% границ составляют высокоугловые границы зерен. Такое изменение доли высокоугловых границ может иметь место вследствие процессов возврата. Однако резкое увеличение доли высокоугловых границ сопровождается увеличением среднего размера зерна, поэтому можно утверждать, что уже при температуре отжига 800°С протекают процессы статической рекристаллизации. С увеличением температуры отжига средний размер рекристал-лизованных зерен увеличивается.
Рост зерен связан с миграцией границ, которая, в свою очередь, сопровождается образованием двойников отжига. Динамика доли специ-
Температура, °С
Рис. 4. Влияние температуры отжига на структурные параметры стали ОБХ^ШДЗБ
альных границ в статически рекристаллизован-ной структуре сильно зависит от размера исходного зерна, сформированного в результате предыдущей пластической обработки. Увеличение доли специальных границ в процессе отжига определяется соотношением размеров зерен в рекристаллизованной и деформированной структуре. Так, в процессе отжига при 1000OC образцов, ранее деформированных при температуре 500OC, зерно выросло в 9 раз; доля специальных границ увеличилась в 7 раз. В то же время в процессе отжига при 1000OC образцов, деформированных при 800OC, зерно выросло в 3 раза; доля двойниковых границ в этом случае увеличилась только в 3 раза.
Заключение
В процессе отжига при температурах 800OC, 900OC, 1000OC образцов стали 08Х18ШДЗБ после интенсивной пластической деформации
развивается статическая рекристаллизация. Характер сформировавшейся структуры при отжигах сильно зависит от параметров исходной структуры.
После интенсивной пластической обработки при температурах 500-700OC последующая
рекристаллизация при температурах 800OC и 900OC приводит к формированию однородной структуры, а при 1000OC формируется неоднородная структура с бимодальным распределением зерен по размерам. ^однородность рекристаллизованной структуры увеличивается с уменьшением температуры предварительной интенсивной пластической деформации. В образцах, подвергнутых всесторонней ковке при 800OC, последующая статическая рекристаллизация приводит к формированию однородной микроструктуры во всем исследованном интервале температур отжига.
Кинетика рекристаллизации при 800OC, 900OC ускоряется при уменьшении температуры предыдущей интенсивной пластической деформации.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Список литературы
1. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. // Prog. Mater. Sci. 2000. V. 45. P. 103-189.
2. Андриевский Р.А., Глезер А.М. // Успехи физических наук. 2009. Т. 179. № 4. C. 337-358.
3. Zherebtsov S., Salishchev G., Galeyev R. et al. // J. Japan Soc. Exper. Mech. 2005. V. 5. № 3. P. 286-290.
4. Yanushkevich Z., Mogucheva A., Tikhonova M., et al. // Mater. Charact. 2011. № 62. P. 432-437.
5. Шахова Я.Э., Янушкевич Ж.Ч., Беляков A.H. // Металлы. 2012. № 5. C. 38-45.
6. Tikhonova M., Kuzminova Y., Belyakov A., Kai-byshev R. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2012. V. 31. P. 68-73.
7. Tikhonova M., Dudko V., Belyakov A. Kaiby-shev R. // Mater. Sci. Forum. 2012. № 715-716. P. 380385.
8. Belyakov A.N. // Physics of Metals and Metallography. 2009. № 108. P. 390-400.
9. Tikhonova M., Belyakov A., Kaibyshev R. // Materials Science Forum. 2012. Vols. 706-709. P. 23282334.
THE FEATURES OF STATIC RECRYSTALLIZATION IN AUSTENITIC STAINLESS STEEL AFTER SEVERE PLASTIC DEFORMATION
M.S. Tikhonova, A.N. Belyakov
The features of static recrystallization in austenitic stainless steel 08X18H8^3E after severe plastic deformation have been revealed. The recrystallization kinetics accelerates with a decrease in the temperature of preceding severe plastic deformation. After the severe plastic deformation at 500-700oC, the next recrystallization at 1000oC leads to a heterogeneous microstructure with a bimodal grain size distribution.
Keywords: austenitic stainless steel, static recrystallization, average grain size, grain boundaries.
