Моделирование текстурообразования в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали

Плетенев, Владимир Петрович

Моделирование текстурообразования в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Плетенев, Владимир Петрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование текстурообразования в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование текстурообразования в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали"

Тб ОН

, Ц № №

На правах рукописи

ПЛЕТЕНЁВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕКСТУРООБРАЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

01.04.07 - физика твердого тела

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре «Физика металлов и компьютерное моделирование в материаловедении», физико-механического факультета, Саккт - Петербургского государственного технического университета.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Ю.Ф. Титовец;

кандидат физико-математических наук, старший тучный сотрудник Н.Ю. Золоторевский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В. Д. Дурнев

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Б. К. Барахтин

Ведущая организация: Научно - производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования, АООТ «НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова»

Защита состоится 23 декабря 1998 года в 18 часов на заседании диссертационного совета К 063.38.13 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете, по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая - 29, 2-ой учебный корпус, аудитория 265.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан «¿¡Ц)у> ноября 1998 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 063.38.13:

Титовец Ю.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современный уровень развития техники .требует создания конструкционных материалов, обладающих заранее заданным комплексом механических свойств, причем уровень требований постоянно повышается. Свойства материала определяются многими факторами - от его исходного химического состава и до режимов специальной обработки. Подбор оптимального состава и технологических параметров путем проведения соответствующих экспериментов является чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим, а во многих случаях и, вообще, невозможным из-за большого числа варьируемых параметров, а также из-за синергетических эффектов, возникающих при одновременном действии ряда факторов. По этой причине все большее значение приобретает оптимизация технологии и подбор состава с помощью компьютерного моделирования структурных превращении, которые происходят в материале на протяжении всей технологической цепочки его производства и которыми, в конечном счете, определяются его свойства.

Основное требование, предъявляемое к малоуглеродистой тонколистовой стали, - это способность к глубокой вытяжке (иначе говоря, деформируемость), обеспечтающая возможность создания из стального листа изделий сложной формы. Способность к вытяжке зависит от анизотропии пластичшости листа, которая, в свою очередь, определяется кристаллографической текстурой.

Текстура стального листа формируется на двух этапах технологического процесса: в ходе холодной прокатки и при последующем рекристаллизациошюм отжиге. Текстура прокатки практически не зависит от химического состава стали, и определяется степенью обжатия, которая обычно не может значительно варьироваться. С другой стороны, текстура рекристаллизации существенно зависит как от состава, так и от технологических параметров. Следовательно, именно с этапом рек-ристаллизационного отжига связана возможность оптимизации технологии с целью повышения способности к глубокой вытяжке. Таким образом, перед физическим материаловедением встает задача моделирования процесса формирования текстуры рекристаллизации.

Процессы, протекающие при рекристаллизации, включают в себя сложные коррелировашше перемещения дислокаций и миграцию новых межзеренных гра-1шц. Формирующаяся при этом текстура является результатом взаимодействия и взаимовлияния многих факторов: энергетических (движущие силы, связанные с запасенной энергией пластической деформации), кинетических (подвижность дислокаций, дислокационных субграниц и границ зерен), структурных (локальная кри-

визна кристаллической решетки, связанная с неоднородностями микроструктуры пластически деформиро ванного материала). Кроме того, на кинетику рекристаллизации может существенно повлиять наличие дисперсных выделений второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования рекристаллизации позволили в значительной мере вскрыть механизмы этого влияния. Большой вклад в исследование природы текстурообразования при рекристаллизации внесли работы отечественных ученых С.С. Горелика, В.Ю. Новикова и др. Однако вопрос количественного описания формирования текстуры в условиях, которые соответствуют реальным технологиями, оставался открытым. При изучении и описании рекристаллизации малоуглеродистой листовой стали, раскисленной алюминием, дополнительную сложность составляет взаимодействие рекристаллизации и процесса выделения частиц нитрида алюминия, которое, как предполагается, существенно влияет на тек-стурообразование.

Целью работы

Целью работы является развитие компьютерной модели эволюции текстуры применительно к рекристаллизации малоуглеродистой листовой стали в ходе нагрева после холодной прокатки. В задачи работы входило:

1. Создание модели образования новых зерен с учетом ориентационной зависимости параметров субструктуры, сформировавшейся в результате холодной прокатки.

2. Анализ особенностей взаимодействия между процессами реврисгаллизации и выделения нитрида алюминия при отжиге малоуглеродистой стали.

3. Создание модели формирования текстуры рекристаллизации, протекающей в условиях предварительного или одновременного выделения нитрида алюминия.

4. Разработка методики прогнозирования текстуры рекристаллизации малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия (в пределах марочного состава) и режима отжига.

Научная новизна

1. Предложена модель развития текстуры рекристаллизации, в которой ориентированное зарождение новых зерен определяется параметрами текстуры и субструктуры деформированного состояния.

2. Предложена модель образования зародышей рекристаллизации в результате селективного роста части субзерен, сформировавшихся в процессе холодной де-

формации и начальной стадии отжига, при наличии распределения мелкодисперсных частиц нитрида алюминия.

3. Показано, что оптимальная, с точки зрения достижения наилучшей деформируемости стального листа, скорость нагрева соответствует наибольшему перекрытию процессов рекристаллизации и выделения.

4. Показано, что рекристаллизация, протекающая одновременно с выделением нитрида алюминия, существенно изменяет кинетику выделения.

5. Предложена гипотеза, согласно которой влияние рекристаллизации на выделе-1ше нитрида алюминия связано с перераспределением азота из областей с нерек-ристаллизованной субструктурой на границы новых зерен.

6. Разработана методика, вкшочающая калибровочные эксперименты и компьютерное моделирование, для прогнозирования текстуры малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия и от режима отжига.

Научная и практическая ценность

Теоретический подход к моделированию рекристаллизации, развитый в работе применительно к малоуглеродистой стали, может быть использован в качестве основы для моделирования текстурообразования, протекающего при неизотермических отжигах в различных металлах к сплавах. Результаты, полученные в диссертации, являются основой для компьютерной системы оптимизации состава и технологии производства листовой стали с целью достижения максимальной способности готового листа к глубокой вытяжке.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Модель зарождения новых зерен в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали, согласно которой они образуются в результате селективного роста части субзерен, сформировавшихся в процессе деформации и начальной стадии отжига, а влияние частиц нитрида алюминия на рекристаллизацию заключается в уменьшении доли субзерен, способных расти.

2. Объяснение природы формирования текстуры рекристаллизации в холоднокатаной малоуглеродистой стали на основе механизма ориентированного зарождения.

3. Результаты анализа взаимодействия между процессами рекристаллизации и выделения нитрида алюминия, согласно которым не только выделение контролирует ход рекристаллизации, но и рекристаллизация, протекающая одновременно с выделением, существенно изменяет кинетику последнего.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии» (СГ16ГТУ, 2527 апреля, 1995, СПб); научном семинаре в техническом университете Гамбург-Харбург (TUHH) (25 ноября 1996, Харбург, Германии); X International Student's Symposium "Microcomputers in Engineering" (7-10 мая 1997, Лодзь-Шклярска По-рсыба Прага, Польша-Чехия); международной конференции «Высокие технологии в современном материаловеденье» (27-28 мая 1997, СПб); International workshop on new approaches to Hi-Tech meterials'97 "Nondestructive testing and computer simulation in material science and engineering" (NDTCS'97, 9-13 июня 1997, СПб); международной конференции «Textures and properties of materia]» - ICTPM'97 (28 сентября - 5 октября 1997, Екатеринбург);

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 115 стр., из них 10 - список литературы из 104 наименований и 25 листов иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и краткую характеристику основных научных проблем, связанных с моделированием текстурообразова-ния при рекристаллизации. Кратко представлено содержание диссертации, сформулированы цель работы, стоящие перед ней основные задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 (литературный обзор) посвящена анализу результатов экспериментального и теоретического изучения текстурообразования в малоуглеродистых сталях. Кристаллографическая текстура является основным фактором, определяющим способность стального листа к глубокой вытяжке. Известно, что текстура тем благоприятней для деформируемости стали, чем больше доля ориентации с плоскостью {111}, параллельной плоскости листа, и меньше - {100}. В частности, установлена однозначная корреляция между количественной характеристикой деформируемости - параметром пластической анизотропии листа (числом Лэнгфорда) - и

отношением интенсивностей этих текстурных компонент. В свою очередь, соотношение этих, компонент зависит, как от химического состава стали, так и от особенностей технологического процесса производства стального листа. В частности, текстура стали, раскисленной алюминием, зависит главными образом от содержания азота и алюминия, а также от скорости нагрева, в ходе которого происходит рекристаллизация. В отличие от листовых сталей других типов, в случае стали, раскисленной алюминием, благоприятная текстура формируется при нагреве с низкими скоростями (порядка десятков или нескольких сотен градусов в час, в зависимости от состава стали). Установлено, что влияние азота и атомшшя на рекристаллизацию связано с выделением частиц нитрида алюминия в ходе рекристаллизационно-го отжига, а заключается это влияние в торможении процесса зарождения новых зерен.

В следующих за изложением экспериментальных данных разделах данной главы рассмотрены физические механизмы текстурообразования при рекристаллизации сталей и известные подходы к моделированию этого процесса. Анализ позволил предположить, что в холоднокатаных малоуглеродистых сталях доминирующим является механизм ориентированного зарождения. При этом если в результате пластической деформации сформировалась разориентировахшая ячеистая (фрагмен-тированная) структура, то процесс зарождения новых зерен можно рассматривать как трансформацию ячеистой структуры в субзеренную и последующий селективный рост некоторого числа субзерен за счет основной части деформациошгой субструктуры. Выделение частиц нитрида алюминия контролирует, по-видимому, прежде всего именно эволюцию субзеретгой структуры. Отмечено, что механизм взаимодействия процесса выделения с рекристаллизацией остается наименее исследованным. Анализ существующих моделей и методов моделирования показал, что они непригодны для создания количествешюй модели текстурообразования в малоуглеродистой стали, в условиях, когда процессы зарождения и роста новых зерен взаимодействуют в ходе рекристаллизации с одновременно протекающим выделением частиц второй фазы.

В заключении данной главы на основании анализа литературных данных сформулированы задачи диссертационной работы.

Глава 2 посвящена изложению модели текстурообразования, основанной на детальном рассмотрении процесса эволюции структуры при рекристаллизации холоднокатаной стали и влияния на него выделения нитрида алюминия. Существенной особенностью решаемой проблемы является то, что моделируется не изотермический отжиг, а медленный нагрев стального листа в пе'ш.

Текстура представляется дискретным набором из четырех компонент: трех основных преимущественных ориентации плоскости прокатки {111}, {100} и {112}, а также условной компоненты {hkl}, объединяющей в себе остальные ориентации. Изменение объемной доли текстурных компонент в процессе рекристаллизации определяется с помощью математического аппарата формальной кинетики превращений. При этом на каждом малом временном шаге dt сначала без учета столкновений растущих зерен вычисляется приращение «продолженного объема» dV'x\ которое затем пересчитывается в реальный объем dVj г-той компоненты, где индекс i принимает значения «111», «100», «112» или «MZ». Для того чтобы найти величину dV{xt, необходимо знание скоростей зарождения и роста зерен, относящихся к каждой из текстурных компонент. На основе анализа литературных данных, скорость роста зерен считалась изотропной, независящей от ориентации и уменьшающейся в процессе рекристаллизации вследствие изменения запасенной энергии холодной деформации в процессе отжига. Внимание, таким образом, сосредоточено на вычислении скорости зарождения.

Потенциальными местами зарождения новых зерен в материале, подвергнутом холодной прокатке, являются отдельные микрообласти (ячейки), достаточно сильно разориентировашгые относительно смежных с ними объемов. Для того чтобы приобрести способность расти, эти ячейки должны на начальной стадии отжига в ходе возврата трансформироваться в свободные от дислокаций субзерна с подвижными дислокационными границами. В модели различаются число потенциальных мест зарождения, Nf, и число потенциальных зародышей, NtN, которые связаны между собой функцией £(/), характеризующей степень завершения указанной трансформации: = ç(i) Nf. Данная функция рассчитывается на основе рассмотрения кинетики процесса возврата.

Если в процессе отжига происходит выделехше частиц A1N, то, согласно экспериментальным данным, не все потенциальные зародыши становятся зернами. Для того чтобы определить долю субзерен г'-й ориентации, способных расти, 5/, была использована аналогия между процессом формирования зародышей рекристаллизации в ансамбле субзерен и аномальным ростом зерна. Тогда, в соответствии с теорией аномального роста, способными расти оказываются только субзерна с размером больше некоторого критического, D,*, который зависит как от среднего размера субзерна, относящегося к данной текстурной компоненте, так и от текущей объемной доли и дисперсности выделений A1N. Доля таких субзерен определяется как

S, = }f,(D)lD, а*

где УХО) - плотность распределения субзерен по размерам.

Зарождение нового зерна происходит в тот момент, когда в процессе медленного докритического роста субзерна разориентация на его границе достигнет критической величины, после чего образуется граница межзеренного тала и, таким образом, возникнет быстро распространяющийся фронт рекристаллизации. Следовательно, частота зарождения зерен, у,(0, должна быть пропорциональна скорости миграции субграницы:

Здесь ст; - запасенная энергия, <2,\' - энергия активации миграции субграниц, а К1 -фактор, характеризующий преимущество в зарождении для зерен с ориентациями, которые сильно отклонены от основных устойчивых компонент текстуры прокатки. Подобные зерна зарождаются в значительной мере в областях неоднородности пластической деформации (полосы сдвига, переходные полосы или приграничные зоны), которые характеризуется повышенной запасенной энергией и, что наиболее важно, высокой локальной кривизной. Таким образом, «хаотическая» текстурная компонента /=М/ имеет преимущество в зарождехпш: А"/,«/> 1, К\П=КЮгК]^Л. Конкретная величина Кш определяется при калибровке модели.

Скорость зарождения новых зерен, М(0> пропорциональная текущему числу потенциальных зародышей, способных расти, и частоте зарождения, определяется, таким образом, как:

При этом в модели учитывается истощение потенциальных мест зарождения: после каждого временного шага dt их число уменьшается на Ni(t)dt.

Для моделирования влияния, которое выделение A1N оказывает на процесс рекристаллизации, необходимо знать текущую объемную долю данной фазы и средний размер (или плотность) частиц. В работе для описания кинетики выделения предложена простая модель, основанная на классической теории зарождения и термически активируемого роста. Кроме того, учтепы некоторые специфические, известные по литературе, особенности этого процесса. Так, изменение объемной доли AIN описывается, согласно экспериментальным данным, реакцией первого порядка. При описании коаяееценции частиц принято во внимание, что они выделяются в основном на границах субзерен и, следовательно, коалесценция контролируется

NX о =

диффузией по субграищам. Константы модели были определены на основе экспериментальных данных по изотермическому выделению нитрида алюминия1.

Модели отдельных процессов (субмодели) складываются в общую модель эволюции текстуры при нагреве, которая реализуется в следующем порядке. Сначала, исходя из текстуры листа после холодной прокатки, определяются начальные объемные доли рассматриваемых текстурных компопент. Затем, в процессе моделирования, на последовательных малых шагах по времени рассчитываются скорости зарождешш и роста для каждой из компонент, определяется изменение их объемных долей и, соответственно, изменение текстуры. Построенная таким образом модель текстурообразования содержит ряд параметров, которые не вычисляются в рамках составляющих ее субмоделей. Большинство параметров были определены на основе опубликованных данных экспериментальных исследований. В числе таких параметров - ориентационно зависимые характеристики структуры холоднокатаной стали (запасенная энергия, средний размер ячейки (субзерна), дисперсия распределения ячеек по размерам), а также энергии активации вовлеченных процессов. В то же время, некоторые константы остаются неизвестным и должны быть определены при калибровке модели. Для этого были использованы экспериментальные данные но кинетике рекристаллизации в малоуглеродистой стали, раскисленной алюминием, в процессе нагрева со скоростью 22 °С/час2.

В заключительном разделе данной главы приведены результаты моделиро-вашш текстуры рекристаллизации для разных скоростей нагрева. Рассчитанная зависимость отношения шггенсшшостей компонент {111} и {100} от скорости нагрева находится в хорошем согласии с экспериментальными данными по скоростной зависимости параметра пластической анизотропии (Рис. 1). Показано, что при относительно небольших скоростях нагрева выделите нитрида предшествует рекристаллизации, которая в результате кошролируется коалесценцией частиц A1N. Противоположная ситуация имеет место при больших скоростях - рекристаллизация успевает практически завершиться до достижения выделениями существенной объемной доли. Оптимальное значение параметра пластической анизотропии достигается в промежуточном интервале скоростей нагрева, соответствующем одновременному протеканию рекристаллизации и выделения.

Разработанная модель адекватно описывает текстурообразование при всех скоростях нагрева, за исключением точки перехода от «низкоскоростного» режима к условиям, когда рекристаллизация начинается раньше выделения (данному переходу соответствует разрыв расчетной кривой на Рис. 1). Эта точка отвечает макси-

1 Y.Meyzaud, P.Pamiere, Mem.Sci.Rev.Metal., 1974, v.61, pp.423-434.

2 J.T.Michalak, R.D.Schoone, Trans. AIME, 1968, v.242, pp.1149-1160.

мальному перекрытию во времени процессов рекристаллизации и выделения, причем в этом случае экспериментально наблюдается не только замедление рекристаллизации, но и полная ее остановка на определенном этапе. То, что данный режим отжига наиболее интересен в научном отношении, а также является оптимальным с практической точки зрения, предопределило направление дальнейшей работы.

50 100 150 200 250

Скорость нагрева, град/час

1,8 1,7 1,6 1,5

1.4 Ш

1,3 "О

1,2 3 1,1 1,0

Рис.1: Рассчитанная зависимость отношения интенсивностей отражения /щ/^юо от скорости нагрева и экспериментальные3 значения параметра пластической анизотропии Rm

Во всех предыдущих исследованиях предметом изучения и обсуждения было влияние выделения на рекристаллизацию. Совершенно не затронутой оказалась другая сторона проблемы: влияние рекристаллизации на протекающее одновременно с ней выделение нитрида алюминия. Следует отметить, что образующиеся в не-рекрисч авизованной структуре частицы или кластеры A1N имеют настолько малые размеры, что начальные стадии процесса выделения не удается исследовать с помощью электронной микроскопии. В этих условиях особое значение приобретает компьютерное моделирование.

Глава 3 посвящена моделированию и детальному анализу взаимодействия между процессами выделения A1N и рекристаллизации на базе экспериментальных

3 AubrunPh. and Rocquet Р., Мет. Scï. Rev. Meta!., 1974, v.61,№l. pp.1-8.

данных по изотермическим отжигам стали, раскисленной алюминием1. Можно выделить три температурных диапазона, характеризующихся различными типами взаимодействия рекристаллизации и выделения. При низких температурах (около 500°С) рекристаллизация проявляется после того, как выделение уже практически завершено. При высоких температурах (около 650°С) рекристаллизация происходит до того, как начинается выделение. Наибольший интерес представляют промежуточные температуры (525СС<Т<630°С), при которых выделение и рекристаллизация протекают одновременно. При этих температурах рекристаллизация начинается, однако затем замедляется до полной остановки и возобновляется только после достижения значительного уровня выделения, по-видимому, после значительной коа-лесценции частиц.

Известно, что выделение A1N в деформированном материале происходит преимущественно на субграницах, тогда как в рекристаллизованном - на границах зерен. В первом случае процесс проходит значительно быстрее, очевидно, вследствие большей плотности мест преимущественного зарождения. Таким образом, для каждого из этих двух структурных состояний существует своя характерная кинетика выделения, и изменение во времени объемной доли A1N можно описать уравнением

^(0 = 1-ехр

-, , /и

( t

где xl - кч ехр

5 s

Индекс S может принимать значения «D» или «/?», соответственно, для обозначения величин, относящихся к выделению в деформированном или рекристаллизованном материале. Здесь U - энергия активации диффузии алюминия в а-железе, a параметры «5 и ks определяются на основе экспериментальных данных по выделению A1N, протекающему либо только в деформированном, либо только рекристаллизованном материале.

Предположим, что при промежуточных температурах выделение, происходящее одновременно в нерекристаллизованной и рекристашгазованной частях материала, протекает в них независимо, в каждой - в соответствии со своей характерной кинетикой, ÇD(t) и Çr(î). В рамках такого предположения оказывается возможным построить модель выделения, протекающего параллельно с рекристаллизацией, то есть в условиях непрерывного перехода отдельных объемов из деформированного в рекристаллизованное состояние. Помимо заранее определенных функций ÇD(t) и Ш, модель использует получешую экспериментально зависимость рекристалли-

зованного объема от времени, X(t), и в результате рассчитывается изменения объемной доли AIN, выделившегося в целом в обеих структурных составляющих.

6 о

5 о 4 О £ 3 о

со 2 О

1 О

Время, ч .

Рис. 2: Разница, 5(1), между экспериментальной и рассчитанной объемными долями нитрида алюминия, выделившегося в условиях одновременно протекающей рекристаллизации. Дополнительно, пушсгиром показана доля рекристаллизованного объема в процентах.

Сравните результатов расчета с экспериментом показало, что, в случае наложения процессов рекристаллизации и выделения, экспериментально наблюдаемая скорость последнего резко снижается на начальной стадии рекристаллизации. Так, расхождение во времени достижения 50%-го уровня выделения составляет около порядка его величины. Таким образом, предположение о независимости кинетики выделения от одновременно протекающей рекристаллизации, заложенное в модель выделения, оказывается неверным.

Заметим, что существенное замедление выделения проявляется уже при наличии малого (несколько процентов) рекристаллизованного объема. При этих условиях даже полное прекращение выделения в рекристаллизованной части материала не привело бы к заметному его замедлению в целом. Остается заключить, что снижается скорость выделения A1N именно в нерекристаллизовашшх областях. Это снижение максимально на самой начальной стадии рекристаллизации, затем посте-пешю уменьшается и переходит в ускорение выделения после остановки незавершенной рекристаллизации (Рис.2).

Анализ возможных причин зафиксированного эффекта позволил предложить следующую гипотезу. Известно, что при рассматриваемых температурах отжига атмосферы азота вокруг дислокаций являются настолько разряженными, что можно говорить о фактическом освобождении атомов азота. В результате может происходить перераспределение азота из областей с нерекристаллизованной структурой на границы новых зерен, еще свободные от атмосфер примесей и выделений. Следовательно, в нерекристаллизовазшых областях выделение должно замедляться по причине уменьшения количества доступного для связывания азота. С другой стороны, ускорение выделения A1N на мигрирующих границах новых зерен, где концентрация азота повышена, лимитируется относительно низкой подвижностью атомов алюминия. Оно проявляется все более по мере торможения этих границ и достигает максимума на этане остановки рекристаллизации.

Данное объясните особенностей взаимовлияния процессов выделения и рекристаллизации является исключительно качественным. Тем не менее, оно позволяет сформулировать подуэмпирические поправки, которые необходимо ввести в модель текстурообразования для того, чтобы адекватно моделировать наиболее сложный режим, отвечающий переходному участку на Рис.1. Целью такого развития базовой модели, описанной выше, является превращение ее в достаточно гибкий инструмент прогнозирования текстуры.

Глава 4 содержит описание соответствующих, поправок, а также дополнение к модели выделения, позволяющее учитывать начальное содержание азота и алюминия в твердом растворе. Поправки связаны с учетом следующих эффектов:

- замедление выделения AIN в нерекристаллнзованных областях за счет перераспределения азота;

- влияние преимущественного выделения A1N на болыпеугловых участках границ деформационного происхождения на зарождение новых зерен;

- влияние выделения A1N на скорость роста зерен, в частности, влияние частиц, выделившихся на границах новых зерен в течение периода остановки рекристаллизации.

В результате, разработана модель, которая позволяет предсказать текстуру, формирующуюся в листовой стали в зависимости от содержания азота и алюминия при любых скоростях нагрева, включая оптимальные для данного состава скорости, соответствующие одновременному протеканию рекристаллизации и выделешм.

0,019 0,017 0,015

0,001

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 Азот (% вес.)

Рис.3: Предсказанная величина ^(ЬцЛшо) Для температуры скрутки 550°С и скорости нагрева 50°С/час как функция начального содержания азота и алюминия

Заключительный раздел данной главы посвящен использованию разработанной модели ддя оптимизации технологии производства стального листа. В соответствии с показанным выше, воздействие выделения нитрида алюминия на эволюцию текстуры определяется концентрацией алюминия и азота в твердом растворе непо-средствешю перед началом отжига холоднокатаного листа. Однако, эта концентрация обычно не соответствует исходному составу стали: она может изменяться на этапах технологического процесса, предшествующих холодной прокатке. Главным образом, такое изменение происходит в ходе охлаждения после скрутки горячекатаной полосы, когда происходит интенсивное выделение A1N по границам зерен. Сле-

ной полосы, когда происходит интенсивное выделение A1N по границам зерен. Следовательно, система оптимизации технологии производства стального листа, направленная на достижение максимальной способности к глубокой вытяжке, должна включать в себя наряду с моделированием текстурообразования при нагреве, также и моделирование выделения AIN при охлаждении после скрутки. Такая система была создана в результате сотрудничества с Техническим университетом Граца, Австрия.

На Рис.3 приведен пример расчета текстуры для конкретного сочетания температуры скрутки и скорости нагрева в зависимости от исходного химического состава стали. Таким образом, для каждого варианта состава определяется оптимальный технологический реяшм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе развита модель, позволяющая описывать эволюцию текстуры рекристаллизации в процессе нагрева холодно-катанной малоуглеродистой стали, раскисленной алюминием. Показано, что основным механизмом, контролирующим текстурообразование, является ориентированное зарождение новых зерен. Действие только этого механизма, даже при отсутствии анизотропии роста зерен, позволяет описать основные особенности текстуры.

2. В разработанной модели процесса рекристаллизации зарождение новых зерен рассматривается как результат селективного роста части субзерен, сформировавшиеся в процессе холодной деформации и начальной стадии отжига. Влияние выделения нитрида алюминия на рекристаллизацию заключается в уменьшении доли субзерен, способных расти.

3. Рассчитанная согласно разработанной модели зависимость текстуры рекристаллизации от скорости нагрева согласуется с экспериментом. Эта зависимость определяется взаимодействием между протекающими в процессе нагрева процессами рекристаллизации и выделения частиц нитрида алюминия. Оптимальная, с точки зрения достижения наилучшей деформируемости стального листа, скорость нагрева соответствует наибольшему перекрытию процессов рекристаллизации и выделения.

4. На основе анализа экспериментальных данных по изотермическому отжигу раскисленных алюминием малоуглеродистых сталей показано, что не только выделение нитрида алюминия контролирует ход рекристаллизации, но и рекристаллизация, протекающая одновременно с выделением, существенно изменяет кинетику последнего. При этом наличие далее малого рекристаллизованного объе-

ма (порядка нескольких процентов объемной доли) приводит к резкому замедде-шпо выделения в нерекристаллизованной части материала.

5. Предложена гипотеза, согласно которой влияние рекристаллизации на выделение нитрида алюминия связано с перераспределением азота из областей с нерекристаллизованной субструктурой на границы новых зерен. На основе этой гипотезы удается не только объяснить замедление процесса выделения, но и существенно улучшить описание процесса рекристаллизации, протекающего в режиме максимального перекрытия с выделением, включая фазы остановки рекристаллизации и ее последующего возобновления.

6. Разработашт модель текстурообразования позволяет прогнозировать текстуру малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия, а также от скорости нагрева после холодной прокатки. Показано, что для данного исходного состава стали существует оптимальный технологический режим, обеспечивающий наивысшую способность стального листа к глубокой вытяжке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Zolotorevsky N.Yu., Titovets Yu.F. and Pletenev V.P.: "Modelling recrystallization texture development during slow heating of cold-rolled aluminium-killed steel". Modelling and Simulation in Material Science and Engineering., 1998, v.6, pp.369-382.

2. Zolotorevsky N. Yu., Pletenev V. P. and Titovets Yu. F.: "Analysis of aluminium nitride precipitation proceeding concurrently with recrystallization in low-carbon steel". Modelling and Simulation in Material Science and Engineering., 1998, v.6, pp.383391.

3. Zolotorevsky N. Yu., Pletenev V. P. Titovets Yu. F. and Buchmayr В.: "Modelling recrystallization texture development in cold-rolled low-carbon steel", In: International conference «Textures and properties of material» - ICTPM'97 (28 сентября - 5 октября 1997, Екатеринбург), p.75.

4. Zolotorevsky N. Yu., Pletenev V. P. and Titovets Yu. F.: "Modelling aluminium nitride precipitation in steel under condition of concurrent recrystallization" In proc. International workshop NDTCS-97, 9-13 June 1997, St. Petersburg, Fl.

5. Zolotorevsky N. Yu., Pletenev V. P. and Titovets Yu. F. and Buchmayr В.: "Modelling recrystallization texture development in cold-rolled aluminium-killed steel" In: International workshop NDTCS-97, 9-13 June 1997, St. Petersburg, F2.

6. Pletenev V. P., Zolotorevsky N. Yu. and Titovcts Yu. "Modelling of A1N precipitation process under condition of concurrent recrystallization of steel" In: X International Student's Symposium "Microcomputers in Engineering", 7-11 May 1997, Lodz-Szklarska Poreba-Prague

7. Н.Ю. Золоторевский, В.П. Плетенёв: «Компьютерное моделирование текстуро-образования при отжиге тонколистового проката», Тезисы докладов международной конференции «Высокие технологии в современном материаловеденье», 27-28 мая 1997, СПб, с. 112.

8. Н.Ю. Золоторевский, В.П. Плетенёв: «Физическое моделирование выделения нитрида алюминия в малоуглеродистой стали при охлаждении после горячей прокатки», Тезисы докладов международной конференции «Высокие технологии в современном материаловеденье», 27-28 мая 1997, СПб, с.113.

9. Н.Ю. Золоторевский, Ю.Ф. Титовец и В.П. Плетенёв: «Компьютерное моделирование текстурообразования при отжиге тонколистового проката малоуглеродистой стали», Тезисы докладов российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии», СПб, 25-27 апреля 1995, СПбГТУ, с. 109.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Плетенев, Владимир Петрович, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи

Плетенёв Владимир Петрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕКСТУРОБРАЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

01.04.07 - физика твердого тела

диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

Доктор физико-математических наук, профессор Ю.Ф. Титовец

кандидат физико-математических наук, ст. науч. сотрудник Н.Ю. Золоторевский

Санкт-Петербург 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)...........................................................................11

1.1. Низкоуглеродистые стали, способные к глубокой вытяжке (общая характеристика).....................................................................................................11

1.1.1. Основные технологические этапы производства...............................11

1.1.2. Пластическая анизотропия листовой стали........................................13

1.2. Текстура прокатки и рекристаллизации малоуглеродистых сталей.... 19

1.2.1. Текстура прокатки.................................................................................21

1.2.2. Текстура рекристаллизации..................................................................23

1.2.3. Влияние мелких частиц A1N на текстуру рекристаллизации............23

1.3. Механизм формирования текстуры рекристаллизации.........................24

1.3.1. Модели образования текстуры рекристаллизации.............................24

1.3.2. Зависимость запасенной энергии от ориентации...............................26

1.3.3. Зарождение центров рекристаллизации..............................................27

1.4. Компьютерное моделирование текстуры рекристаллизации................30

1.5. Постановка задачи.....................................................................................32

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ..............35

2.1. Введение.....................................................................................................35

2.2. Моделирование текстурообразования при рекристаллизации.............35

2.2.1. Формальная кинетика рекристаллизации............................................35

2.2.2. Описание текстуры при моделировании рекристаллизации.............36

2.2.3. Общие уравнения кинетики рекристаллизации..................................38

2.2.4. Скорость роста рекристаллизованных зерен......................................39

2.2.5. Скорость зарождения зерен..................................................................39

2.2.6. Частота зарождения...............................................................................44

2.3. Моделирование текстурообразования с учетом влияния выделения нитрида алюминия.................................................................................................45

2.3.1. Влияние выделения на кинетику рекристаллизации..........................45

2.3.2. Моделирование кинетики выделения A1N..........................................48

2.4. Результаты и обсуждение.........................................................................51

2.4.1. Калибровка модели................................................................................51

2.4.2. Параметры модели.................................................................................54

2.4.3. Зависимость текстуры рекристаллизации от скорости нагрева........55

2.5. Выводы.......................................................................................................61

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ВЫДЕЛЕНИЕ

ALN....................................................................................................................62

3.1. Введение.....................................................................................................62

3.2. Моделирование влияния рекристаллизации на выделение A1N...........64

3.2.1. Экспериментальные данные Мезо и Парниера...................................64

3.2.2. Моделирование кинетики выделения A1N..........................................65

3.2.3. Определение параметров модели.........................................................70

3.3. Результаты и обсуждение.........................................................................73

3.3.1. Анализ результатов................................................................................73

3.3.2. Гипотеза о перераспределении азота...................................................76

3.4. Выводы.......................................................................................................78

ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ МОДЕЛИ ТЕКСТУРООБРАЗОВАНИЯ В

ПРИЛОЖЕНИИ К ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ.......................................................................................80

4Л. Введение.....................................................................................................80

4.2. Влияние гетерогенного выделения A1N на рекристаллизацию............81

4.2.1. Перераспределение азота и зоны гетерогенного выделения.............81

4.2.2. Формирование зародыша рекристаллизованного зерна....................82

4.2.3. Рост рекристаллизованного зерна........................................................84

4.2.4. Замедление роста и остановка рекристаллизации..............................84

4.2.5. Возобновление рекристаллизации.......................................................87

4.2.6. Рост «старых» зерен после возобновления рекристаллизации.........88

4.3. Влияние содержания А1 и N в растворе на формирование текстуры... 90

4.3.1. Влияние содержания азота и алюминия в твердом растворе на кинетику выделения..................................................................................90

4.3.2. Сравнения с данными Шимицу............................................................95

4.4. Оптимизация исходного состава и параметров процесса производства стального листа......................................................................................................95

4.4.1. Выделение A1N до начала холодной прокатки...................................98

4.4.2. Зависимость текстуры рекристаллизации от исходного состава стали..........................................................................................................100

4.4.3. Влияние скорости нагрева...................................................................102

4.5. Выводы.....................................................................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................104

ПУБЛИКАЦИИ.........................................................................................................106

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................108

Введение

Актуальность темы. Современный уровень развития техники требует создания конструкционных материалов, обладающих заранее заданным комплексом механических свойств, причем уровень требований постоянно повышается. Свойства материала определяются многими факторами - от его исходного химического состава и до режимов специальной обработки. Подбор оптимального состава и технологических параметров путем проведения соответствующих экспериментов является чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим, а во многих случаях и, вообще, невозможным из-за большого числа варьируемых параметров и синер-гетических эффектов, возникающих при одновременном действии ряда факторов. По этой причине все большее значение приобретает оптимизация состава и технологии с помощью компьютерного моделирования тех структурных превращений, которые происходят в материале на протяжении всей технологической цепочки его производства и которыми, в конечном счете, определяются его свойства.

Основное требование, предъявляемое к малоуглеродистой тонколистовой стали, - это способность к глубокой вытяжке (иначе говоря, деформируемость), обеспечивающая возможность создания из стального листа изделий сложной формы. Способность к вытяжке зависит от анизотропии пластичности листа, которая, в свою очередь, определяется кристаллографической текстурой.

Текстура стального листа формируется на двух этапах технологического процесса: в ходе холодной прокатки и при последующем рекристаллизационном отжиге. Текстура прокатки практически не зависит от химического состава стали, и определяется степенью обжатия, которая обычно не может значительно варьироваться. С другой стороны, текстура рекристаллизации оказывается существенно зависимой как от состава, так и параметров технологии. Следовательно, именно с этапом рекристаллизационного отжига связана возможность оптимизации способности к глубокой вытяжке. Таким образом, перед физическим мате-

риаловедением встает задача моделирования процесса формирования текстуры рекристаллизации.

Процессы, происходящие при рекристаллизации, включают в себя сложные коррелированные перемещения дислокаций и миграцию новых межзеренных границ. Формирующаяся при этом текстура является результатом взаимодействия и столкновения многих факторов: энергетических (движущие силы, связанные с запасенной энергией пластической деформации), кинетических (подвижность дислокаций, дислокационных субграниц и границ зерен), структурных (локальная кривизна кристаллической решетки, связанная с неоднородностями микроструктуры пластически деформированного материала). Кроме того, на кинетику рекристаллизации может существенно повлиять наличие дисперсных выделений второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования рекристаллизации позволили в значительной мере вскрыть механизмы этого явления. Большой вклад в исследование природы текстурообразования при рекристаллизации внесли работы отечественных ученых С.С. Горелика, В.Ю. Новикова и др. Однако вопрос количественного описания формирования текстуры в условиях, которые соответствуют реальным технологиями, оставался открытым. В случае рекристаллизации малоуглеродистой листовой стали, раскисленной алюминием, дополнительную сложность составляло взаимодействие рекристаллизации и процесса выделения частиц нитрида алюминия, которое, как предполагалось, существенно влияет на текстурообразование.

1. Создание модели образования новых зерен с учетом ориентационной зависимости субструктуры, сформировавшейся в результате холодной прокатки.

2. Анализ особенностей взаимодействия между процессами рекристаллизации и выделения нитрида алюминия при отжиге малоуглеродистой стали.

Содержание работы изложено в четырех главах. В главе 1 на основе литературных данных дан анализ результатов экспериментального и теоретического изучения текстурообразования в малоуглеродистых сталях, и показано, что еще не решен ряд принципиальных задач, необходимых для создания количественной модели текстурообразования в малоуглеродистой стали. В главе 2 изложена модель формирования текстуры рекристаллизации, включающая описание стадий эволюции исходной ячеистой структуры деформированного материала, зарождения новых зерен и их последующего роста. Здесь же предложены упрощенная модель выделения нитрида алюминия, а также модель, позволяющая описывать влияние выделения на процесс рекристаллизации. На основе построенной общей модели, описывающей рекристаллизацию, контролируемую выделением частиц A1N, рассчитана зависимость конечной текстуры от скорости нагрева. Предметом главы 3 является детальный анализ кинетики выделения нитрида алюминия, протекающего одновременно с рекристаллизацией. С учетом результатов этого анализа в главе 4 дается дальнейшее развитие модели текстурообразования, направленное на превращение ее в инструмент оптимизации технологии производства мягкой листовой стали, раскисленной алюминием.

Научная новизна.

I. Предложена модель развития текстуры рекристаллизации, в которой ориентированное зарождение новых зерен определяется параметрами текстуры и субструктуры деформированного состояния.

2. Предложена модель для расчета частоты образования зародышей рекристаллизации в результате селективного роста части субзерен, сформировавшихся в процессе холодной деформации и начальной стадии отжига, при наличии распределения мелкодисперсных частиц нитрида алюминия.

6. Разработана методика, включающая калибровочные эксперименты и компьютерное моделирование, для прогнозирования текстуры малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия и от режима отжига.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертации, являются основой для компьютерной системы оптимизации состава и технологии производства листовой стали с целью достижения максимальной способности готового

листа к глубокой вытяжке.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

2. Объяснение природы формирования текстуры рекристаллизации в малоуглеродистой стали, подвергнутой холодной прокатке, на основе механизма ориентированного зарождения.

3. Результаты анализа взаимодействия между процессами рекристаллизации и выделения нитрида алюминия, согласно которым не только выделение контролирует ход рекристаллизации, но и, наоборот, рекристаллизация, протекающая одновременно с выделением, существенно изменяет кинетику последнего

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на

следующих мероприятиях:

1. российская научно-техническая конференция «Инновационные наукоемкие технологии» (СПбГТУ, 25-27 апреля, 1995, СПб);

2. семинар кафедры "Werkstoffphysik und technologie" технический университет Гамбург-Харбург (TUHH) (25 ноября 1996, Харбург, Германия);

3. X International Student's Symposium "Microcomputers in Engineering" (7-10 мая 1997, Лодзь-Шклярска Поремба-Прага, Польша-Чехия);

4. международная конференция «Высокие технологии в современном материа-ловеденье» (27-28 мая 1997, СПб);

5. international workshop on new approaches to Hi-Tech meterials'97 "Nondestructive testing and computer simulation in material science and engineering" (NDTCS'97, 9-13 июня 1997, СПб);

6. международной конференция «Textures and properties of material» - ICTPM'97 (28 сентября - 5 октября 1997, Екатеринбург);

Публикации. По материалам работы опубликовано 9 работ - из них 2 статьи в научных журналах и 7 тезисов докладов на различных научных конференциях. Полный список публикаций приведен в конце диссертации и автореферата.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Низкоуглеродистые стали, способные к глубокой вытяжке (общая характеристика)

Главное требование, предъявляемое к тонколистовой стали - это хорошая деформируемость, позволяющая из стального листа получать изделия достаточно сложной формы [1]. Базовый химический состав таких сталей отличается тем, что в них мало углерода и менее 1% в сумме всех остальных легирующих элементов, что обеспечивает деформируемость в холодном состоянии [2]. Предмет нашего исследования связан со сталями, раскисленными алюминием. Для этих сталей, повышенная способность к вытяжке обеспечивается наличием повышенного (по сравнению с так называемыми «кипящими» сталями) содержания алюминия в сочетании со специальным режимом обработки [3]. Распространенные в настоящее время «стали, свободные от примесей внедрения», в которых высокая деформируемость достигается за счет микролегирования, например, титаном и ниобием, находятся за рамками данной работы.

1.1.¡.Основные технологические этапы производства

Типичный технологический процесс производства таких сталей схематически показан на рисунке 1.1.

• После горячей прокатки исходного листа и охлаждения - смотка при 580-650°С. В сталях раскисленных алюминием, температура смотки и скорость охлаждения выбираются таким образом, чтобы предотвратить выделение нитрида алюминия во время смотки. Это необходимо для того, чтобы данное соединение образовывалось позднее - во время отжига - так как влияние выделений A1N на рекристаллизацию является основным фактором контролирующим текстурообразование.

ВЫПЛАВКА

ДРЕССИРОВКА

ПОКРАСКА

Рисунок 1.1: Технологическая схема производства полос мягкой стали

• Холодная прокатка для получения тонкого листа необходимой толщины.

• Отжиг, при котором требуется сформировать текстуру, оптимальную для последующей холодной деформации. В сталях, раскисленных алюминием температура отжига, его продолжительность и скорость нагрева до выбранной температуры, определяют протекание процессов рекристаллизации и выделения нитрида алюминия, формирующих текстуру.

• Заключительная дрессировка на 3-5 % эффективно устраняет площадку текучести и тем самым предотвращает появление полос Людерса, ухудшаю�