Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 1. Геометрическая модель пластического течения структурно-однородных сред при прокатке Текст научной статьи по специальности «Физика»

Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 1. Геометрическая модель пластического течения структурно-однородных сред при прокатке

В.В. Губернаторов, Л.Р. Владимиров, Т.С. Сычева, Д.В. Долгих

Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия

В работе развиты представления о существенной роли гофрирования материала при прокатке в создании структуры и текстуры деформации и рекристаллизации. Предложена геометрическая модель формирования структуры и текстуры в структурно-однородной среде при прокатке, в основу которой положена концепция гофрирования.

1. Введение

Одним из самых распространенных и эффективных способов воздействия на структуру, текстуру и свойства металлических материалов является деформация с последующей рекристаллизацией. Несмотря на то, что структуро- и текстурообразованию в металлах и сплавах при деформации и рекристаллизации посвящено большое число работ, в этой проблеме еще много нерешенных вопросов. Например, даже в монокристаллах, которые можно отнести к структурно-однородным средам, картина текстурных преобразований при деформации и рекристаллизации до сих пор остается не вполне ясной.

К настоящему времени установлено, что центры первичной рекристаллизации уже существуют внутри деформированной матрицы — это области (субзерна, блоки, полигоны), имеющие размерный и ориентационный контраст с окружением [1]. При пластической деформации в материале возникают дефекты и неоднородности, названные в [2] элементами релаксации напряжений. Центры первичной рекристаллизации чаще всего находятся в таких элементах релаксации, как переходные полосы, разделяющие полосы деформации, и полосы сдвига (рис. 1). Следовательно, чтобы управлять структурой и текстурой рекристаллизованного металла, нужно знать закономерности формирования в нем при деформации полосовой структуры и текстуры.

В [4, 5] обнаружено, что в структурно-однородном материале при деформации имеет место гофрирование, которое оказывает влияние на структуро- и текстуро-образование. В частности, при прокатке гофрируются горизонтальные слои, испытывающие наибольшую вытяжку. Причина этого в неравномерном распределении деформации по образцу и в стесненности течения слоев: их свободному удлинению и уширению препятствуют соседние слои и жесткие концы очага деформации (части образца, примыкающие к очагу деформации, но не деформируемые в данный момент времени [6]). Некоторые вертикальные слои тоже могут гофрироваться, если они обжимаются больше, чем соседние слои. В этом случае причиной гофрирования служат, как и при потере устойчивости нагружаемой стержневой системы, сжимающие напряжения, действующие в условиях стесненной деформации. При гофрировании возникают знакопеременные напряжения, снятие которых сопровождается формированием элементов релаксации. Тип, размер и плотность элементов релаксации определяются расположением гофров в объеме материала и их параметрами (шагом и амплитудой), которые, в свою очередь, зависят от величины градиента деформаций, размера и механических свойств слоев.

В данной работе изучена роль гофрирования слоев материала в структуро- и текстурообразовании при прокатке и рекристаллизационном отжиге. При этом ис-

© Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р., Сычева Т.С., Долгих Д.В., 2001

Рис. 1. Типичная полосовая структура в монокристаллах, прокатанных на 60-80 % (схема, построенная по данным [3]): НП — направление прокатки; ПН — поперечное направление; НН — направление, нормальное к плоскости прокатки; ПД — полосы деформации; ПП — переходные полосы; ПС1 — полосы сдвига в ПД; ПС2 — полосы сдвига, пронизывающие несколько ПД; стрелками указана текстура в ПД; ЦПР — центры первичной рекристаллизации

пользованы основы физической мезомеханики и метод элементов релаксации, изложенные в [2], а также представление о прокатке как процессе накатки валков на образец [6].

2. Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 2 приведено одно из возможных распределений абсолютных элементарных (мгновенных) обжатий <к по длине очага деформации I при трех последовательных положениях валка при его элементарных перемещениях по образцу (1 Г1"^22'2"; 22'2"^33'3"; 3 3'3"^44 '4"). Обращают на себя внимание два обстоятельства. 1) Распределение АН по I при первом и втором перемещениях валка различаются высотой и формой максимума: кривая А имеет острый максимум, прихо-

дящийся на начало очага деформации, а у кривой В максимум очень размыт. Причем такое различие повторяется (чередуется) при последующих перемещениях валка (кривые А и С одинаковы). 2) В конце очага деформации обжатие чрезвычайно мало при всех перемещениях валка. На рис. 2 видно, что распределение <к по I задается геометрией очага деформации, на которую оказывает влияние предыдущее распределение <к по I. Так, большое локальное обжатие в начале первого очага деформации 1 1'1 "2" 2'21 непременно вызывает вне-контактную высотную утяжку 2 2'3 2 (взята произвольно и равна по длине элементарному перемещению валка 2^3) и поэтому изменяет геометрию второго очага деформации (32'2"3"3'3) по сравнению с первым.

С точки зрения физической мезомеханики внекон-тактная высотная утяжка обусловлена воздействием элемента релаксации типа трансляционно-ротационного вихря, возникшего в начале очага деформации, на соседние объемы материала, находящиеся вне контакта с валком. Другими словами, образующийся трансляционно-ротационный вихрь по своим размерам выходит за пределы очага деформации. При дальнейшем перемещении валка ситуация будет повторяться.

Проследим за формированием структуры и текстуры в образце по мере продвижения его по очагу деформации, учитывая при этом отмеченные выше особенности распределения <к по I.

При первом элементарном перемещении валка по образцу один из вертикальных слоев в начале очага деформации испытывает наибольшее обжатие АН по сравнению с соседними слоями, то есть в начале очага деформации имеется резкий градиент деформации вертикальных слоев. Испытывающий наибольшее обжатие ¿к слой, деформируясь в стесненных условиях, гофри-

V \ \ \

Рис. 2. Распределение абсолютных элементарных обжатий дк по длине очага деформации I (б) при накатке валка на образец (а); схема

Рис. 3. Примеры образования трансляционно-ротационного вихря в начале очага деформации при одинаковых (а) и различных (б) параметрах гофров по толщине и ширине образца

руется по толщине и ширине образца. Возникающие при гофрировании слоя знакопеременные напряжения релаксируют и тем самым создают трансляционно-ротационный вихрь. Форма, размер и расположение трансляционно-ротационного вихря определяются параметрами гофра по толщине и ширине образца (рис. 3). Параметры гофра можно качественно оценить по характеру кривой распределения по I: чем выше и острее

максимум на кривой, тем больше амплитуда и меньше шаг гофра. Характер кривой зависит от условий прокатки. В качестве примера на рис. 4 приведены расчетные кривые распределения <к по I при различных средних общих обжатиях при прочих равных условиях. Исходные данные в условных единицах: начальная толщина образца ^ = 10; диаметр валков — 20, элементарное перемещение — 2. Видно, что с увеличением общего среднего обжатия величина и острота максимума на кривой и, как следствие, вероятность гофрирования и его влияния на структурообразование возрастают.

При втором элементарном перемещении валка по образцу гофрирование вертикального слоя не реализуется, так как распределение <к по I не имеет ярко выраженного максимума (кривая В на рис. 2). В этом случае начальное течение материала обусловлено внеконтакт-ной высотной утяжкой и, вероятно, формирующаяся де-

формационная структура будет подобна структуре растяжения небольшой степени (высотная утяжка может достигать 25 % от полного обжатия при факторе формы I/^р < 0.5; ^ + Нк )/2, где ^ — исходная и ^ —

конечная толщины образца [6]).

Итак, при прокатке начальная деформационная структура чередуется по длине образца: трансляционноротационный вихрь, структура растяжения, трансляционно-ротационный вихрь и т.д. Параметры этих структур определяются условиями прокатки. В частности, гофрированию по ширине образца способствуют условия, увеличивающие его уширение (увеличение обжатия, увеличение диаметра валков, уменьшение ширины образца, увеличение коэффициента трения и др.). А вне-контактная высотная утяжка возрастает с уменьшением фактора формы 1/^р, с увеличением коэффициента трения и с увеличением заднего натяжения.

При продвижении образца по очагу деформации (то есть при последующем плавном увеличении обжатия) структура, сформировавшаяся в начале очага деформации, претерпевает изменения. Представляют интерес изменения трансляционно-ротационного вихря, так как другие аспекты формирования структуры и текстуры в металлах при прокатке давно и хорошо изучены (см., например, [3, 7]). По мере увеличения обжатия трансляционно-ротационные вихри сплющиваются и вытягиваются, превращаясь в полосы деформации, а границы трансляционно-ротационных вихрей становятся переходными полосами. При этом переходные полосы в поперечном сечении могут иметь различную конфигурацию в зависимости от степени обжатия (рис. 5). В прокатанных металлических монокристаллах в переходных полосах, как правило, существуют объемы, сохранившие исходную ориентировку. Они, являясь центрами первичной рекристаллизации, создают текстуру отжига с ориентацией исходного монокристалла (происходит восстановление исходной ориентировки) [3]. Однако указанные объемы в результате механических поворотов вокруг направления прокатки изменяют свою ориентировку, о чем свидетельствуют повороты рисок на угол у на рис. 5. Поэтому при отжиге идеального восстановления исходной ориентировки не происходит, в текстуре рекристаллизации присутствует компонента, отклоненная от исходной ориентировки по плоскости вокруг направления прокатки (рассеяние текстуры ре-

/

Рис. 4. Распределение абсолютных элементарных обжатий <Н по длине очага деформации I в зависимости от среднего обжатия: 1 — 90, 2— 10 %

Рис. 5. Изменение конфигурации части переходной полосы в поперечном сечении по мере продвижения образца по очагу деформации (а^ г)

кристаллизации по углу у). С увеличением степени обжатия доля отклоненной компоненты возрастает.

Следует отметить, что появляющиеся при формоизменении трансляционно-ротационного вихря новые элементы релаксации (например полосы сдвига и скольжения) должны гофрироваться, так как сдвиг и скольжение протекают в пределах трансляционно-ротационного вихря в стесненных условиях. Возникающие при гофрировании напряжения релаксируют, что инициирует рассеяние текстуры в полосах деформации по углу а вокруг направления, нормального к плоскости прокатки.

Таким образом, по длине прокатываемого образца возможно чередование двух структур: структуры, обусловленной гофрированием вертикального слоя в начале очага деформации, и структуры, обусловленной внекон-тактной высотной утяжкой. Для первой будет харак-

Рис. 6. Пример рельефа поверхности образца после прокатки

терно наличие полос деформации, переходных полос, полос сдвига в полосе деформации и дублетность текстуры, для второй — отсутствие полос деформации, переходных полос и однокомпонентность текстуры.

На конечную деформационную структуру и текстуру прокатанного образца должно оказывать влияние очень малое обжатие ¿к в конце очага деформации. При небольших обжатиях деформируется только поверхностный слой образца [6]. Поскольку деформация этого слоя осуществляется в стесненных условиях (его удлинению и уширению препятствуют соседний приповерхностный слой и жесткие концы очага деформации), он будет гофрироваться (рис. 5). Гофрирование поверхностного слоя вызывает развитие следующих эффектов.

1. Образование рельефа поверхности прокатанного образца (рис. 6).

2. Рассеяние текстуры поверхности образца вокруг поперечного направления на угол в за счет механического поворота некоторых объемов (рис. 7). При этом возможно появление нестабильных текстурных компонент, которые могут служить центрами первичной рекристаллизации при отжиге.

3. Появление грубых полос сдвига, пронизывающих несколько полос деформации, расположенных под углом ~ 45 ° к плоскости прокатки. Такие полосы сдвига

1111111111111

Рис. 7. Изменение (а ^ б) конфигурации поверхностного слоя в конце очага деформации (продольное сечение)

могут гофрироваться по ширине образца и тем самым усиливать рассеяние текстуры деформации по углу а.

3. Заключение

Проведенный анализ показывает, что волнообразный характер пластической деформации при прокатке может иметь место и в структурно-однородной среде. Он обусловлен периодическим изменением геометрии очага деформации и неоднородным распределением абсолютных элементарных обжатий по длине очага деформации. Волнообразное течение материала (гофрирование) играет важную роль в формировании структуры и текстуры деформации и рекристаллизации. Учет явления гофрирования позволяет не только понять, но и прогнозировать получение той или иной структуры и текстуры при таком сложном способе деформирования как прокатка.

Экспериментальное подтверждение справедливости новых модельных представлений о структуро- и тексту-рообразовании при прокатке и последующем рекрис-таллизационном отжиге будет предоставлено позднее.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 99-0216279).

Литература

1. Рекристаллизация металлических материалов / Под ред. Ф. Хес-

нер. - М.: Металлургия, 1982. - 352 с.

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

3. Taoka Т., 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. 155-207.

4. 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.

5. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Гервасьева И.В., Владимиров Л.Р. О формировании полосовых структур в структурно-однородных материалах при деформации // Физ. мезомех. - 1999. -Т.2. - № 1-2. - С. 157-162.

6. Грудев А.П. Теория прокатки. - М.: Металлургия, 1988. - 240 с.

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