Рентгенодифракционное исследование специальных границ листовой низкоуглеродистой стали тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

НАУМОВА О.М.

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ГРАНИЦ ЛИСТОВОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Специальность 01.04.07 - Физика твёрдого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук В.И.СЛАВОВ

Москва - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1 Литературный обзор 6

ГЛАВА 2 25

Материалы и предварительные исследования

ГЛАВА 3 36

Разработка рентгенодифракционного метода реперной дифракции специальных границ зёрен в стальном листе с кубической компонентой текстуры и тетрагональными РСУ

ГЛАВА 4 57

Особенности дифрактометрического анализа ромбических РСУ в ребровой компоненте текстуры листовой стали.

ГЛАВА 5 73

Рентгенодифракционный анализ гексагональных РСУ в октаэдрической компоненте текстуры металлопроката

ГЛАВА 6 85

Регулирование специальных разориентировок зёрен -резерв повышения штампуемости листовой стали.

Глава 7 95

Карбонитрид алюминия и его влияние на свойства динамной стали

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 101

ЛИТЕРАТУРА

104

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллографическая текстура поликристаллических тел и связанная с ней анизотропия физико-механических свойств является одним из важнейших объектов современного материаловедения. Это внимание продиктовано стремлением исследователей разработать технологические схемы производства промышленных материалов с уровнями физико-механических свойств, удовлетворяющими требования различных потребителей. Помимо создания экономически эффективных текстурованных материалов с теорией и практикой кристаллографической текстуры непосредственно связаны проблемы кристаллизации, фазовых превращений, окисления, эпитаксии, физики тонких плёнок и практически все направления металлофизических поисков. Несмотря на обилие многочисленных экспериментальных данных о текстурах поликристаллических материалов, скрытый потенциал улучшения их свойств и возможности управления процессами текстурообразования далеко не исчерпаны. Различные конструкционные материалы представляют собой поликристаллы, в которых наряду с трёхмерными объектами - зёрнами неотъемлемой частью структуры являются условно двухмерные образования - болыпеугловые границы зёрен (БУГ). Будучи внутренними поверхностями раздела, БУГ не только предопределяют размеры зёрен, активно участвуют в сложном механизме структуро-фазообразовании, но также играют решающую роль в интегрированных уровнях физико-механических свойств поликристаллических твёрдых тел.

Имеется несколько причин создавшегося в науке о поликристаллических телах и технологии производства материалов положения. Среди них существенны: чрезвычайное обилие факторов, влияющих на образование текстуры, трудности, связанные с необходимостью осмысления огромного информационного материала, субъективизм исследователей в интерпретации полюсных фигур, формализм отдельных гипотез, низкая производительность экспериментальных методов изучения спектра пространственного распределения границ зёрен в реальных поликристаллах. Все существующие объяснения закономерностей текстурообразования не могут быть обобщены на единой основе и, как правило, носят феноменологический характер, либо представляют собой попытки гипотез, ни одна из которых не в состоянии охватить полную картину происходящих в поликристаллах процессов (гипотезы вынужденной деформации, неоктаэдрического, поперечного скольжения, произвол в выборе величин обратной плотности совпадающих узлов £ < 1тах ,выше которых граница не считается специальной и т.д.). В физике границ бесспорно, достигнуты выдаю?

щиеся результаты, однако остаётся ещё и множество «чёрных дыр», требующих присталь-

ного внимания. Помимо актуальной задачи накопления экспериментальных данных, которые при существующих методах и темпах исследования могут продолжаться неопределённо долгое время, на первый план выдвигается задача разработки быстрых и эффективных методов дифракционных исследований внутренних поверхностей раздела, изучение законов построения спектров границ зёрен и синтез свойств поликристаллов по свойствам как индивидуальных границ, так и свойствам всего ансамбля.

Текстурообразование нельзя рассматривать в отрыве от структурных, в частности от дислокационных механизмов и преобразований на границах зёрен. В последние годы физическая интерпретация пластической деформации, рекристаллизации, фазовых превращений и других явлений в металлах и сплавах была существенно расширена и уточнена. Однако ещё нет повода для утверждения, что современные знания поликристаллического тела привели к радикальным улучшениям свойств материалов. Большая часть важных усовершенствований твёрдых тел была выполнена традиционными эмпирическими методами, в то время как роль теоретических и дифракционных методов сводилась к объяснению того, почему и как эти улучшения были возможны. При этом почти каждое эмпирическое исследование приводило к появлению нового набора экспериментальных результатов. Эти результаты, как правило, пытаются объяснить различными механизмами, которые специально подбираются для каждого конкретного случая и не могут быть обобщены для прогноза поведения материала и его свойств в диапазоне реализуемых на практике вариаций технологических режимов, .особенно в многоэтапной технологии металлургического производства. Очевидно, материаловеды стоят перед острой необходимостью разработки новых тождественных теорий кристаллографической текстуры, кристаллогеометрического анализа межкристаллитных границ в твёрдых телах, взаимодействия границ зёрен с решёточными дефектами, теорий, выходящих за рамки традиционных подходов и дающих адекватные решения проблемы структурных превращений, приемлемые для практического использования технологами.

Зернограничные процессы зависят от кристаллогеометрии границ, именно по этой причине металловеды проявляют большой интерес к проблемам кристаллогеометрического анализа межкристаллитных границ и к разным экспериментальным методам их исследования: металлографическим, рентгенографическим, электронно-микроскопическим. Следует признать, что созданные к настоящему времени методы не только трудоёмки и академичны, но и не могут быть использованы в материаловедческих исследованиях в заводских лабораториях, что существенно сдерживает широкое применение непосредственно на пред-

приятиях - производителях металлов и сплавов. Цель настоящей работы - восполнить этот пробел.

В диссертационной работе изложены теоретические основы кристаллогеометрическо-го анализа специальных границ зёрен поликристаллов и нового метода реперной дифракции ансамблей решёток совпадающих узлов (РСУ) на специальных границах зёрен, принадлежащим главным компонентам текстуры поликристалла, с использованием всего спектра рентгеновского излучения, описаны экспериментальные и вычислительные особенности реализации метода реперной дифракции применительно к РСУ тетрагональной, ромбической и гексагональной симметрии, показана возможность определения точных ориента-ций пар зёрен, образующих спецграницы, приведены примеры практического использования этих методов в исследованиях и разработке технологий стального металлопроката: ди-намной стали и стали для глубокой вытяжки с высоким комплексом физико-механических свойств.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Границы зёрен - важнейший структурный параметр поликристаллических материалов ещё в начале века привлекал внимание материаловедов и специалистов в области физики твёрдого тела. Однако только за последние 25 лет были достигнуты значительные успехи в теоретических и экспериментальных работах по изучению атомной структуры и поведения болынеугловых межкристаллитных и межфазных поверхностей раздела [1-35]. Центральное место в современных представлениях занимает модель решёток совпадающих узлов (РСУ), впервые представленная в работе Кронберга и Уилсона [10] и далее усовершенствованная Брэнд оном [11]. Сверхрешётка на специальных границах образуется при определённых параметрах разориентировки одного кристалла относительно другого, при этом она объединяет атомные узоры двух кристаллов через совпадения части узлов двух кристаллических решёток зёрен, развёрнутых относительно каких-либо осей на строго детерминированные углы. Модель Кронберга-Уилсона для геометрического описания болынеугловых границ, не поддающихся дислокационным концепциям, оказалась настолько плодотворной, что привела к серии новых образов и понятий, таких как геометрические модели вспомогательных решёток: полная решётка наложений (ПРН), решётка зернограничных сдвигов (РЗС), 0 - решётка [1,5,12,13], зернограничные дислокации, обобщённые модели решёток РСУ-ПРН для межзёренных и межфазных границ. Были получены неопровержимые экспериментальные доказательства того факта, что в массе так называемых произвольных границ поликристаллов существует множество специальных высокоупорядоченных или близких к ним границ толщиной в несколько межатомных расстояний, играющих решающую роль в формировании структуры реальных материалов и их физико-механических свойств. Ощутимый прогресс в понимании устройства границ зёрен и их связи со свойствами был достигнут в исследованиях бикристаллов особо чистых материалов - объектов, аттестованных в химическом, геометрическом и кристаллографическом отношениях.

Параметры кристаллогеометрической аттестации специальных границ зёрен, выделяющими их из всего многообразия внутренних поверхностей раздела, являются: направление оси разориентировки или ось поворота с вектором направления и, угол разориен-тации зёрен р, класс Бравэ РСУ, ориентация плоскости границы с нормалью п относи-

тельно оси поворота или координатной системы одного из кристаллитов и обратная плотность совпадающих узлов Е.

В общем виде для экспериментального определения оси разориентировки бикри-сталлов сначала определяют ориентации кристаллической решётки зёрен относительно каких-либо внешних направлений, например с помощью микродифракции находят в решётках соседних зёрен направления, параллельные пучку электронов, а затем, разориен-тировку находят через аналитические вычисления матрицы разориентировки, либо с помощью стереографических проекций [ 3 ]. Ось и угол разориентировки определяют из матрицы разориентировки, элементами которой являются направляющие косинусы между координатными осями смежных кристаллов или зёрен, образующих спецграницу. Погрешность определения разориентировки напрямую связана с погрешностями анализа дифракционных картин или точностью графических построений на стереографических проекциях. В материале с кристаллографической текстурой не может быть хаотического распределения разориентировок, поскольку с наибольшей вероятностью должны встречаться оси разориентаций зёрен, близкие к оси или плоскости текстуры, т.е. близкие к физически выделенным при механической или каких-либо других обработках материалов направлениям. В текстурованном металлопрокате внешние направления предопределены симметрией физического воздействия, реализуемой при прокатке полос на станах горячей и холодной прокатки, и жёстко связаны с плоскостью прокатки, направлением прокатки (НП) и поперечным к последнему направлению в плоскости полосы (ПН). Поскольку основные компоненты текстуры металлопроката на всех технологических переделах либо хорошо известны, либо точно определяются современными дифракционными методами анализа, наибольший интерес исследователей вызывают разориентировки зёрен внутри каждого компонента текстуры с осями поворота, параллельными нормали к плоскости проката. Такие разориентировки - наиболее удобный для исследователей объект изучения обустройства спецграниц и их связей с текстурой зёрен поликристаллических материалов. Для исследования разориентировок зёрен в поперечных к плоскости прокатки плоскостях необходимо подготавливать составные пакеты соответствующе вырезанных образцов. Оси разориентировок кристаллитов и могут занимать и различное положение по отношению к основным осям симметрии листа. Описания разориентировки в терминах ось - угол и в виде поворотной матрицы ввиду простого физического смысла получили наибольшее распространение в современных представлениях. Наряду с ними исследователи пользуют-

ся и другими представлениями, в частности поворотом в форме трехмерного вектора Гиб-бса [4 ].

Любую криволинейную границу можно представить последовательностью плоских фасеток, каждая из которых характеризуется своей единичной нормалью п. Плоскость залегания границы раздела также описывается индексами кристаллической решётки одного из зёрен. Из взаимоотношений векторов и и п можно вычленить два предельных случая: границы наклона, если ось поворота расположена в плоскости границы и • п = О, и границы кручения, когда ось поворота ортогональна плоскости границы их п = 0. Любое другое расположение нормали п по отношению к оси поворота и можно разложить на соответствующие компоненты или проекции на плоскость границы и на перпендикулярную к ней ось. Ориентацию плоской границы экспериментально находят по следам пересечения границы с поверхностью образца металлографическими или электрон-номикроскопическими методами. Плоскость залегания границы часто проходит по плот-ноупакованным плоскостям РСУ, но далеко не во всех случаях.

Важной характеристикой специальной границы является объёмная доля совпадающих узлов среди узлов одной из кристаллической решёток Е"1 . Обратная ей величина Е представляет собой число узлов решётки в элементарной ячейке РСУ и равна отношению объёма элементарной ячейки РСУ к атомному объёму основного материала. Значения величин 2 представляют собой ряд нечётных чисел, кроме Е=1, когда нет никакой разориен-тации. Считается, что разориентировки, отвечающие низким значениям Е, относятся к специальным, так как чем меньше число Е, тем выше упорядоченность и короче период повторяемости в плоскости границы. Однако, чётких критериев относительно искусственно вводимых ограничений на максимальные величины 2, выше которых границы не рассматриваются как упорядоченные, нет. Анализируя литературные данные, можно получить следующие соотношения элементарных объёмов РСУ, основной решётки материала ОР и ПРН: Уор = ЕУПРН, УРСУ = ЕУор, Урсу =Е2УПРН> РСУ является подрешёткой по отношению к кристаллической решётке, в то же время последняя является подрешёткой по отношению к ПРН. Для выделения в спектре границ относительной доли границ, близких к границам совпадающих узлов, задаётся помимо ограничительных рамок величин Е априорный интервал расхождения от специальной разориентировки , в частности критерий Брэндона А© = ©оЕ "1/2, где ©о « 8-15° - предельная величина угла разориентировки для малоугловых границ. Эти отклонения обусловлены наличием зернограничных дислокаций

и их характеристиками. Поскольку расчёты зависят от величины допуска А© и ограничительных цензов разнообразные описания распределения границ зёрен по ориентировкам несут очень важную информацию, которая, к сожалению, не всегда совершенна. Анализ полученных данных показывает, что границы с очень малой плотностью узлов совпадения Е »100 имеют ярко выраженные специальные свойства. Очевидно, одинаковые РСУ для кубических решёток вследствие высокой симметрии или фактора повторяемости (24 поворота, если не принимать во внимание зеркальные отражения) можно получить поворотом вокруг различных осей на разные углы разориентрировки р. В связи с различными эквивалентными способами описания одной разориентировки одна и та же граница может быть формально охарактеризована и границей наклона, и границей кручения, и смешанной границей. Например, когерентная двойниковая граница на плоскости (111) в ГЦК-решётке, как специальная (Е=3) при разориентировке вокруг оси <111> на угол р = 60°, может быть представлена как граница кручения, однако она считается границей наклона относительно оси разориентировки <1 1 0> на угол р = 70.5°. Исследователи придерживаются негласного правила: если хотя бы при одном эквивалентном описании, независимо от величины угла р соблюдается выражение и • п = 0, то граница считается границей наклона.

Симметрия РСУ или класс Бравэ для ограниченного количества разориентировок определяется по методу Мигелла, Санторо и Доннэ и его результаты представлены в Интернациональных таблицах рентгеновской кристаллографии [ 24 ], а также в работах [13, 5 ], где подроб