Закономерности формирования спектров границ зерен в аустенитных сталях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

российская академия наук

Р Г 0 « Институт проблем сверхпластичности металлов

I. и

На правах рукописи УДК 620.186:620.167:539.26

мишин ОЛЕГ витальевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРШРОВАНИЯ СПЕКТРОВ ГРАНИЦ ЗЕРЕН В АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Уфа - 1993

Работа выполнена в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Валиев Р.З.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Мышляев М.М. кандидат физико-математических наук, доцент Александров И.В.

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН, г.Екатеринбург

Защита состоится "" ^^ 1993 г. на заседании

специализированного совета К.003.98.01 при Институте проблем

сверхпластичности металлов РАН (450001, г.Уфа, ул.С.Халтурина, 39) .

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИПСМ РАН.

Автореферат разослан "2\ " 1993

Ученый секретарь специализированного совета

М.В.Маркушев

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы возрастающие требования к материалам для новой техники заставляют искать новые способы регулирования свойств металлов и сплавов. Путь к' управлению свойствами лежит через научно обоснованное управление структурой материалов. Большинство металлов и сплавов в настоящее время применяется в виде поликристаллов, и их неотъемлемой структурной составляющей являются границы зерен (ГЗ).

Среди различных структурных функций распределения, определяющих свойства поликристаллов, важное место занимает распределение границ зерен по разориентировкам. В исследованиях последних лет доказано, что различные зернограничные процессы, определяющие механические свойства поликристаллических материалов - диффузия, миграция, проскальзывание и др. -зависят непосредственно от кристаллогеометрии границ, которая определяется, в первую очередь, разориентировкой соседних зерен. В этой связи актуальной является проблема определения спектров ГЗ, характеризующих статистику распределения ГЗ по разориентировкам. Формирование спектров ГЗ обусловлено перестройками в дефектной структуре кристаллических твердых тел и поэтому вид спектра может давать информацию о природе этих процессов. С другой стороны, вид спектров является важным параметром для реализации концепции зернограничного проектирования, активно развиваемой в последние годы, заключающейся в управлении свойствами материала через управление структурой и свойствами ГЗ в нем.

Неудивительно, что в последние годы исследованию спектров ГЗ в поликристаллах уделяется пристальное внимание. Для многих материалов экспериментально были определены спектры границ, их зависимость от химического состава и вида обработки. Особый интерес: вызывают ГЦК-материалы с невысокой ЭДУ, на ряде которых были обнаружены специфические спектры со значительной долей границ типа ЕЗП. Остается однако неясным, насколько общими являются представленные данные и каковы закономерности формирования спектров границ зерен в ГЦК-материалах. Вид яеренной структуры в этих материалах после деформации и отжига обусловлен различными факторами: условиями предварительной деформации, развитием рекристаллизации и последующим ростом зерен, а также множественным двойникованием, которое обычно имеет место в этих материалах. Принципиально важным, но до сих

пор не решенным остается вопрос, какой из перечисленных факторов ответственней за формирование спектров ГЗ. Решение этой задачи открывает возможность целенаправленного изменения спектров ГЗ и управления, посредством этого, физическими и механическими свойствами ГЦК-материалов.

Цель настоящей работы — систематическое изучение закономерностей формирования спектров границ зерен при различных обработках аустенитных сталей, являющихся типичными представителями ГЦК-материалов с невысокой ЭДУ.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка алгоритма и машинное моделирование формирования спектров границ зерен при множественном двойниковании.

2. Экспериментальные исследования спектров ГЗ на ряде аустенитных сталей с различными химическим и фазовым составами, в зависимости от стадии и вида (статической и динамической) рекристаллизации.

3. Текстурные исследования сталей с. различными спектрами границ зерен.

4. Определение соотношения коэффициентов зернограничной диффузии на различных типах ГЗ и исследование ряда механических свойств аустенитных сталей с различными спектрами ГЗ.

Научная новизна предложенной работы заключается в том, что

— впервые предложен алгоритм и проведено машинное моделирование формирования спектра границ зерен при множественном двойниковании. Показано, что при развитии множественного двойниковеГния формируется квазистационарный спектр ГЗ с Преобладающей долей границ типа ХЗП.

— методами электронной микроскопии в ряде статически рекристаллизованных аустенитных сталях установлен устойчивый характер спектров ГЗ, независимый от их химического и фазового составов, исходного состояния. В спектре ГЗ таких материалов около 50% составляют границы типа ЕЗП. Вместе.с тем спектр ГЗ в динамически рекристаллизованной аустенитной стали имеет принципиальные отличия, заключающиеся в практически полном отсутствии границ указанного типа.

— обнаружено различие видов текстур в состояниях с близкими спектрами ГЗ, что может быть связано с кристалло-геометрической неоднозначностью описания спектров и текстур и свидетельствует о том, что установление взаимосвязи этих параметров возможно только с использованием .компьютерного

анализа кристаллогеометрии исследуемых материалов.

- установлено влияние типов границ зерен на кинетику образования зернограничных выделений в аустенитных сталях и обнаружены различия механических свойств сталей в состояниях, отличающихся спектрами ГЗ.

Научная и практическая ценность. Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности формирования спектров ГЗ в аустенитных сталях, т.е. определить зависимость спектров от состава, исходного состояния и вида обработки этих сталей, определить роль различных факторов в их формировании; дополнить известные данные о взаимосвязи спектра ГЗ и текстуры и обнаружить различия в механических свойствах аустенитных сталей с разными спектрами ГЗ. Установленные закономерности формирования различных спектров ГЗ могут быть непосредственно использованы для создания материалов с заданными свойствами: повышенными прочностью, коррозионной и радиационной стойкостью. Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментально обнаружено, что в спектрах ГЗ исследуемых сталей доминирующими при статической рекристаллизации являются границы типа £3? доля которых мало зависит от состава и исходного состояния сталей. В то же время характер спектров в этих сталях принципиально изменяется при динамической рекристаллизации;

2. Разработан алгоритм множественного двойникования, на основе которого получены модельные функции распределения ориентировок (ФРО) и спектры границ зерен, свидетельствующие о связи устойчивости спектра с развитием процесса множественного двойникования. Сравнение модельных и экспериментальных спектрсЙГ' доказывает определяющую роль этого процесса в формировании устойчивых спектров;

3. На основе модельных (ФРО) и данных текстурных исследований сталей показано, что текстурообразование в аустенитных сталях, в отличие от формирования спектров ГЗ существенно зависит от вида обработки. При этом обнаружено, что множественное двойниковмние приводит к размытию исходной текстуры;

4. Экспериментально обнаружена зависимость кинетики образования зернограничных выделений от типа границ зерен и показано существенное различие в механических свойствах исследуемых сталей в состояниях с различными спектрами ГЗ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа, 1987), Республиканской конференции "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1988), XV Всесоюзных Гагаринских чтениях (Москва, 1989), Международном конгрессе "Intergranular interphase boundaries in materials" (Париж,1989), III Международной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Самара, 1992), на научных семинарах ИПСМ РАН.

Публикации. Материал диссертационной работы отражен в 10 публикациях. Список основных работ приведен в конце автореферата. Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы (151 наименование). Общий объем диссертации составляет .158 страниц, из них 141 страница основного текста, 14 таблиц, 30 рисунков.

Работа выполнена при научной консультации к.ф.-м.н. В.Ю.Герцмана.

СОДЕРИАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит характеристику актуальности выбранной темы диссертационной работы, посвященной исследованию закономерностей формирования спектров границ зерен в аустенитных сталях. Сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГРАНИЦ ЗЕРЕН (обзор литературы) В первом разделе рассмотрено кристаллогеометрическое описание границ зерен, определяющее их етуктуру и свойства, на основе которого производится аттестация ансамбля Г.Ч.

Во втором разделе приведены данные о спектрах Г'З, полученные как в ходе моделирования, так и при экспериментальных исследованиях различных материалов Отмечены особенность спектров в ГЦК-материалах с невысокой ОДУ. заключающаяся в присутствии в спектрах таких материалов после отжига высокой доли границ типа Z3n, а также неясность факторов, контролирующих формирование спектров ГЗ.

В третьем разделе изложены известные сведения о связи

спектров ГЗ и текстуры. Показано, что эволюция текстуры в процессе отжига в ГЦК-материалах сопровождается активным двойникованием, однако вопрос о связи спектров ГЗ с текстурой требует дополнительного изучения.

В четвертом разделе приведены сведения о влиянии структуры границ на свойства материалов. Отмечены значительное влияние на свойства поликристаллов преобладания в ансамбле ГЗ определенного типа и проблемы, связанные с недостатком данных о влиянии надежно аттестованных спектров ГЗ на свойства материалов и многофакторностью известных экспериментов.

В последнем, пятом разделе на основе анализа литературных данных сформулированы конкретные задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование выполнено на аустенитных сталях различных марок: Х17Н14МЗГ2, Х16Н15МЗБ и 12Х18Н10Т. Выбор этих материалов обусловлен тем, что, во-первых, эти стали являются типичными ГЦК-материалами с невысокой ЭДУ, т.е. склонными к двойникованип при отжиге и в них различными обработками можно варьировать спектр границ зерен, во-вторых, такие материалы широко используются в промышленности, что дает возможность практического применения результатов данной работы. Выбор нескольких сталей позволил обобщить полученные результаты.

Выбранные стали имели относительно низкие значения ЭДУ,

2

которые находились в интервале 20... 80 мДж/м .

Сталь Х16Н15МЗБ. После прокатки и отжига были получены два состояния с размерами зерен 10 мкм и 60 мкм, отличающиеся завершенностью протекания статической рекристаллизации (неполностью рекристаллизованное и стадия собирательной рекристаллизации, соответственно).

Сталь Х17Н14МЗГ2. Были выбраны образцы, отличающиеся исходным состоянием (монокристалл и поликристалл), проведены прокатка с последующим отжигом. Получены статически рекристал-лизованные состояния с размером зерен 17 мкм (исходное состояние - монокристалл) и 10 мкм и 48 мкм (исходное состояние - поликристалл).

Сталь 12Х1ЙН10Т Различными обработками были получены статически рекристаллизованные состояния с размерами зерен 3,2 мкм и 10 мкм и динамически рекристаллизованное состояние с размером зерен 3,6 мкм. Для фиксирования структуры, полученной в ходе

рекристаллизации мелкозернистые состояния охлаждались в воде.

Исследования микроструктуры сталей проводили на оптическом микроскопе Ыеор1юЬ-32 и растровом электронном микроскопе аБМ-840А.

Электронно-микроскопические исследования были выполнены на микроскопах ЛЕМ-200СХ и ЛЕМ-2000ЕХ при ускоряющем напряжении 200 кВ. При исследовании спектров ГЗ для определения ориентировки кристаллов использовался метод кикучи-линий. Локальность метода составляет 1 мкм.

Для описания и анализа текстурного состояния исследуемых материалов использовали построение полюсных фигур и функции распределения ориентировок. Для получения ФРО применялся математический метод, позволяющий получать ФРО в пространстве углов Эйлера ^.Ф.,^ на основе экспериментально полученных неполных полюсных фигур (ПФ). Для построения ФРО использовали внутренние области ПФ, ограниченные радиальным углом а, равным 65°. Рентгеновскую съемку производили на установке ДРОН-3.

Механические испытания проводили на испытательной машине 1пбЪгоп-1185. Образцы испытывали на растяжение при комнатной температуре и при температуре 1173 К. Испытания на ползучесть проводили в условиях одноосного растяжения в интервале напряжений от 140 МПа до 250 МПа при температуре 923 К.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ГРАНИЦ ЗЕРЕН В АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ

Для выявления закономерностей формирования спектров ГЗ производили машинное моделирование спектра, возникающего при множественном двойниковании и экспериментальное исследование спектров в аустенитных сталях после различных обработок в зависимости от завершенности и вида рекристаллизации (статической и динамической).

В первом разделе этой главы описан алгоритм моделирования спектра границ, возникающего при множественном двойниковании и приведены результаты моделирования спектра ГЗ.

Единичным шагом моделируемого процесса было появление в одном из зерен области, кристаллическая решетка которой разориентирована.двойниковым образом относительно решетки этого зерна. При образовании двойниковой области не только появлялась

Испытания на ползучесть выполнены в лаборатории механических свойств ИФМ УрО РАН, руководимой д.т.н. проф. Сагарадзе В.В.

новая граница £3, но и изменялись разориентировки всех границ этой области. Процесс многократного (или множественного) двойникования задавался тем, что через какое-то время часть этой же области вновь претерпевала двойниковую трансформацию, т.е. эта часть оказывалась двукратно двойникована по отношению к исходной ориентации зерна. При еще одном появлении здесь двойника происходило трехкратное двойникование и т.д. При этом процессе происходило многократное взаимодействие первичных двойниковых границ £3 и других границ £3П. Между шагами появления йовых двойниковых ориентаций в одном зерне могло происходить появление двойников в других зернах. Предполагалось, что это случайный процесс и появление новых двойниковых ориентаций в разных участках структуры взаимно не скоррелировано.

При моделировании использовали плоскую модель, т.е. двумерную сетку границ зерен,поскольку как было недавно показано экспериментальный спектр.полученный с плоского сечения (фольги) полностью представляет объемный спектр.

Общий шаг моделирования состоял в следующем. Среди

имеющихся к данному шагу N зерен случайным образом выбиралось

одно с номером Ь (1*Ь<Ы), и случайно выбранная часть зерна Ь

становилась зерном с номером N+1. Зерну N+1 приписывалась

двойниковая разориентировка по отношению к зерну Ь. Эта

двойниковая разориентировка выбиралась также случайно среди

возможных разориентировок £3 в одном зерне.. Двойниковые

разориентировки брались как идеальные,, так и отличающиеся от

идеальной на случайное угловое отклонение Д9 (ОаДОзДе )

тлах

вокруг произвольной оси. В заключение пересчитывались разориентировки границ зерна N+1 и всех окружающих зерен. Естественно, в каждом тройном стыке автоматически выполнялся закон сложения разориентировок. Для каждого числа шагов моделирования проводили по 10 реализаций с различными случайными выборками и полученные спектры границ усредняли по этим реализациям.

В табл.1 представлено распределение границ по величине £ при различном числе шагов моделирования. В каждой графе указано среднее значение и среднеквадратичное отклонение для 10 случайных реализаций. Видно, что спектр границ имеет квазистационарный характер, т.е.практически не зависит от числа шагов моделирования.

Из табл.2 видно, что наличие отклонений от идеальной

• п

разориентировки £3 приводит к снижению долей границ £3 с пг2.

Это снижение происходит из-за того, что отклонение некоторых разориентировок от идеальных превышает допустимое по критерию Брэндона Ав =15°£ При этом для каждого Ав с изменением

кр шал

N сохраняется квазистационарный характер спектра границ.

Табл.1. Распределение границ по величине £ при различном числе шагов моделирования (Детя =0°)

Тип границ . Доля границ , %

' число шагов моделирования N

100 . 200 300 400 500

£3 £9 £27 остальные 43.7±2,7 43,2±2,2 43,1±1,6 43,0±1,7 43,0±1,3 26,в±2,8 26,6±1,6 26,511,6 26,3*1,8 26,3+1,6 14,4±2.4 14,3+1,6 14,2+1,4 14,1±1,3 14,1±1,3 16,1±2.2 15,3±1,9 16,2±2,0 16,7±2,3 16,6+2,2

Табл.2. Распределение границ по величине Г при различном максимальном отклонении от,идеальной разориентировки £3 (N=100)

Тип границ Доля границ . %

максимально .допустимое отклонение Д0

■1° 2° 3°

£3 44,8±3,9 "45 4±4,0 42,8±2,9

£9' ' 25,2±2,'3 "' 18 8±2,4 17,8+2,2

£27 : 7.'311,7 7 3+1,6 7,4±1,2

остальные ' ' 28 5±5,1 29,1±3,9

-к ,£рли> д-кроме т:процесса двОйникования, в материале со спектром ^границ £3П идет, например, рост зерен за счет миграции границ.;, он 1 не::может приводить к-появлению границ, не принадлежащих классу £3П,- поскольку при любой встрече (взаимодействии) границ типа £Зпмогут образовываться только границы такого же

типа. Этоллледует-из :закона сложения разориентировок, который в

к 1 к+1

терминах величин в данном случае имеет вид: £3 +£3 =£3 ~ . спосгГаким;..образом-,; результаты;моделирования свидетельствуют о ТОМ, ¡ЧТО множественное Двойникование является процессом, ответственны»*■ за формирование устойчивых спектров в ГЦК-поликристаллах. ; <■'

Во втором разделе данной главы приведены результаты исследования"' Спектров ГЗ 1 в вЫбрайных сталях. Изучено влияние на о Л£2 . л-', -г.,. -

спектры различных факторов: химического и фазового составов сталей, предыстории, полноты протекания статической рекристаллизации, вида рекристаллизации. Установлено, что в статически рекристаллизованных состояниях (СРС) исследуемых аустенитных сталей независимо от их химического и фазового состовов, исходного состояния и термообработки спектры ГЗ имеет устойчивый характер со значительной долей границ типа ЕЗП. В качестве примера в первой колонке табл.3 приведен спектр ГЗ в стали Х16Н15МЗБ с размером зерен 60 мкм (стадия собирательной рекристаллизации). При неполном протекании статической рекристаллизации (НСРС) доля двойниковых границ значительно снижена (вторая колонка табл.3 - сталь Х16Н15МЗБ с размером зерен 10 мкм). После динамической рекристаллизации (ДРС) в стали 12Х18Н10Т спектр ГЗ имеет совершенно другой вид: двойниковых границ практически не было выявлено, в спектре (третья колонка табл.3) обнаружена значительная доля (около 35 %) малоугловых границ (МУГ).

Табл.3. Распределение границ по величине £ в некоторых состояниях исследуемых сталей в зависимости от стадии и вида рекристаллизации.

Тип Состояние

границ СРС НСРС ДРС

ЕЗ 34 ,6 22,3 1,8

Е9 6,0 1.0 -

£27 5,3 1,9 -

остальные 54,1 74,2 98,2

На распределениях разориентировок в исследуемых сталях видны скопления точек (проекций осей разориентировок) в стандартном стереографическом треугольнике и максимумы на распределении разориентировок по углам.соответствующие границам ГЗП, однако в стали Х16Н15МЗБ высота этих максимумов ниже в неполностью статически рекристаллизованном состоянии и они практически не выражены в динамически рекристаллизованном состоянии стали 12Х18Н10Т. Обнаруженные отличия спектров ГЗ в различных состояниях исследуемых сталей связаны с особенностями рекристаллизации и могут быть проанализированы с учетом »-развития множественного двойникования. Действительно, на начальном этапе статической рекристаллизации процесс множест—

венного двойникования протекает еще не достаточно активно, поэтому и доля границ типа 23п в этом случае оказалась сильно занижена по сравнению с полностью рекристаллизованными состояниями. Различие в распределениях ГЗ по разориентировкам зерен после статической и динамической рекристаллизаций (см.табл.3) можно объяснить тем, что при динамической рекристаллизации важным механизмом формирования спектра ГЗ является не множественное двойникование, а перестройка дислокаций, приводящая к увеличению доли МУГ.

В третьем разделе главы сопоставлены результаты моделирования и экспериментальных исследований спектров ГЗ. Сравнение экспериментальных данных (см.табл.3) с результатами машинного моделирования (см. табл.1,2) указывает на близость экспериментальных и модельных спектров границ зерен. В то же время имеются некоторые количественные различия в долях границ ЕЗП, что, как показано в работе, объясняется несколькими факторами: экспериментальными погрешностями, не позволяющими абсолютно достоверно найти тип всех исследуемых границ (фактически в табл.3 указаны нижние пределы долей границ £3П). Еще одна причина различий модельных и экспериментальных спектров границ может заключаться в следующем. При моделировании все границы принадлежат классу £3П, а в реальных условиях в материале, по-видимому, присутствуют и другие разориентировки. При рекристаллизации взаимная разориентация зародышей может быть случайной. Разориентировки границ, образующихся при встрече зародышей.даже изменяясь при дальнейших эволюциях структуры, будут наследоваться и вносить в спектр ГЗ отклонения от спектра границ ЕЗП.

В целом, сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования подтверждает вывод о том, что доминирующую роль в спектре границ зерен в статически рекристаллизованном материале, склонном к двойникованию при отжиге, играют границы ЕЗП, появляющиеся в результате множественного двойникования.

Совокупность всех полученных данных позволяет утверждать, что существует некоторое устойчивое распределение границ по разориентировкам во всех материалах, склонных к двойникованию при отжиге, прошедших статическую рекристаллизацию. Доминирующую роль в спектре границ зерен играют границы типа £3? При эволюции структуры в ходе статической рекристаллизации спектр меняется подобно самому себе, т.е. спектр имеет квазистационарный характер. Развитие процесса множественного двойни-

кования контролирует формирование спектров в ГЦК-материалах: при неполном развитии этого процесса на начальном этапе статической рекристаллизации снижается доля границ ЕЗП, при подавлении множественного двойникования в ходе динамической рекристаллизации спектр принципиально меняется. В нем практически не обнаружены двойниковые границы, значительно увеличивается доля МУГ.

ГЛАВА IV. ТЕКСТУРЫ В ИССЛЕДУЕМЫХ СТАЛЯХ.

В данной главе проведено моделирование процесса текстуро— образования, основанное на алгоритме множественного двойникования, описанном выше, а также экспериментально изучены текстуры в исследуемых сталях с различными спектрами ГЗ. На основе алгоритма множественного двойникования получены модельные текстуры в виде ФРО. Показано, что развитие множественного двойникования приводит к размытию исходной текстуры, поскольку оно приводит к возникновении большого числа новых ориентировок.

Для сравнения с данными моделирования были исследованы текстуры в статически рекристаллизованных состояниях двух сталей 12Х18Н10Т и Х17Н14МЗГ2 с одинаковыми размерами зерен (около 10 мкм), кроме того были исследованы текстуры в стали 12Х18Н10Т в состояниях с различными спектрами ГЗ, полученных после статической и динамической рекристаллизации при близких размерах зерен (не более 4 мкм).

Текстуры в статически рекристаллизованных состояниях с более крупным зерном описываются главными компонентами [110} <001> (сталь Х17Н14МЗГ2) и 1110} <011> (сталь 12Х18Н10Т). В состояниях с мелким зерном стали 12Х18Н10Т после статической рекристаллизации текстура описывается орг1ентировкой (110]<001>, после динамической рекристаллизации обнаружена ограниченная (с радиальным углом 0°з«з55°) аксиальная текстура с расположением нормалей <100> от нормального направления ПФ к направлению течения материала.

В целом, текстуры статически рекристаллизованных исследуемых сталей различаются как по компонентам, так и по интенсив-ностям при близких спектрах ГЗ, что свидетельствует о более сильной зависимости текстуры от химического состава и обработки, чем спектра ГЗ

Различие в текстурах при близких спектрах может быть связано с неоднозначностью кристаллогеометрического описания

этих параметров, поскольку ориентировки в текстуре усредняются по объему, а при исследовании спектров учитывается только ближайшее соседство зерен. Кроме того, при изучении распределения разориентировок зерен, все разориентировки приводятся к описаниям с минимальным углом и осью, лежащей в стандартном стереографическом треугольнике. Например, для разориентировки £3 выбирали описание 60°<111>, в то время как имеются также следующие эквивалентные описания: 70,53° <110>, 109,47° <110>, 131,81° <210>, 146,44° <311>, 180° <111> и 180° <211>. Для анализа взаимосвязи спектров границ зерен и текстуры необходимо учитывать все описания. В данной работе для каждой разориентировки, найденной для статически рекристаллизованных состояний сталей 12Х18Н10Т и Х17Н14МЗГ2, находили все эквивалентные описания и проверяли имеются ли оси разориентировок, отличающиеся не более, чем на 5° от кристаллографических направлений с малыми индексами (а именно - <100>, <110> и <111>). Кроме того, для каждой разориентировки искали ось разориентировки, максимально близкую к направлению <110>.

Оказалось что, большинство границ может быть описано разориентировками вокруг осей <110>. Более того, максимальное отклонение от оси разориентировки <110> составляло в стали 12Х18Н1ОТ 13,3°, а в стали Х17Н14МЗГ2 10,6°. Следовательно, все границы в исследуемых состояниях данных сталей могут быть описаны разориентировками вокруг осей, близких к <110> в пределах 13.3°для стали 12Х18Н10Т и в пределах 10,6°для стали Х17Н14МЗГ2. Такое описание можно назвать "текстурой ближайших соседей".

Сравним текстуру ближайших соседей и кристаллографическую текстуру. Основные текстурные компоненты находятся вблизи идеальных ориентировок [110] <110> и (110) <001> в стали 12Х18Н10Т и вблизи идеальной ориентировки (110) <001> в стали Х17Н14МЗГ2, следовательно, в большом числе зерен в обеих сталях имеют близкую ориентацию плоскости типа (110). Тогда в этих зернах близко ориентированы и нормали к этим плоскостям, т.е. направления типа <110>.

Таким образом экспериментально наблюдаемое качественное различие вида текстур при близких спектрах ГЗ очевидно связано с неоднозначностью описания этих параметров. Вместе с тем компьютерный анализ эквивалентных описаний свидетельствует о наличии корреляции спектров ГЗ и текстур в исследуемых сталях.

Из вышесказанного следует, что из качественного сравнения

текстуры и спектров ГЗ не удается выяснить связь этих параметров структуры, поиск их взаимосвязи требует проведения количественного анализа спектров ГЗ и текстур с использованием методов машинного моделирования и учетом всех неоднозначностей их кристаллогеометрического описания.

ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ В

РАЗЛИЧНЫХ Состояниях.

Получение в исследованных сталях различных состояний с надежно аттестованными структурными параметрами открывает путь к изучению влияния этих параметров на механические свойства сталей. Хорошо известно,что свойства сталей в значительной мере зависят от размера зерен, объемной доли и размера выделений. Полученные в настоящей работе данные о спектрах ГЗ и текстурах позволили изучить роль указанных параметров в деформационном поведении аустенитных сталей в области высоких и низких температур.

Было исследовано распределение зернограничных выделений и установлено соотношение коэффицентов зернограничной диффузии на различных типах границ зерен в стали Х17Н14МЗГ2.

Выяснилось,что плотность выделений на двойниковых границах в различных состояниях стали Х17Н14МЗГ2 в среднем в 15 раз меньше плотности выделении на произвольных границах. Скорость диффузии, оцененная по изменению размеров частиц до и после старения,по произвольным границам оказалось почти в 35 раз выше скорости диффузии по двойниковым границам. На основании этого можно полагать, что при наличии высокой доли двойниковых границ будет значительно уменьшаться уровень диффузионных свойств.

Особый интерес представляет исследование деформационного поведении исследуемых сталей с различными спектрами ГЗ. Были исследованы жаропрочные свойства стали Х16Н15МЗБ после различных режимов термооораоотки. в ходе которых сформировались разные спектры ГЗ (ем колонки 1 и 2 табл.3).

Установлено. что при температуре испытаний 923 К в состоянии НПч: скорость ползучести повышена,примерно, в 30 раз, а долговечность снижена в 10 раз по сравнению с состоянием СРС.

Было проанализировано влияние на скорость ползучести различии п размер»; зерен, объемной доле выделений и спектров ГЗ в этих двух состояниях стали Из проведенного анализа следует, что изменение среднего размера зерен с 10 мкм в состоянии- НСРС

до 60 мкм в состоянии СРС приводит к снижению скорости ползучести СРС в 5...6 раз, тогда как существенное уменьшение объемной доли выделений в состоянии с более крупным зерном, наоборот, должно приводить к почти пятикратному увеличению скорости ползучести. Таким образом вклад измельчения зерна в увеличение скорости ползучести практически полностью компенсируется присутствием в состоянии с мелким зерном значительного числа выделений. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что важной причиной наблюдаемых различий в жаропрочных свойствах двух состояний стали Х16Н15МЗБ может являться отличие их спектров ГЗ. Эти отличия сводятся к тому, что состояние НСРС (см. табл.3.) содержит меньше границ типа £3П. Примерно 75% границ в нем - произвольного типа, тогда как в СРС таких границ менее 55%. Сопоставляя особенности спектров и свойства исследуемых состояний стали Х16Н15МЗБ, можно сделать вывод, что снижение жаропрочных свойств в состоянии НСРС связано с уменьшением количества двойниковых границ в его спектре ГЗ и, следовательно, более активным протеканием зернограничного проскальзывания (ЗГП).

В стали 12Х18Н10Т были исследованы механические свойства при комнатной и повышенной (1173 К) температурах в состояниях близких по структурным параметрам, но с существенно отличающимися текстурами и спектрами ГЗ.

Исследования механических свойств при разных температурах испытаний после различных обработок показывают, что в состоянии, полученном после статической рекристаллизации при комнатной температуре испытаний условный предел текучести примерно на 20% меньше, а пластичность больше, чем в состоянии, полученном после динамической рекристаллизации. Тогда как при температуре испытаний 1173 К ситуация меняется на противоположную.

Как показано в диссертации влияние различий в плотностях дислокаций и объемных долях выделений в двух состояниях стали (см.табл.4) на прочностные свойства не существенны. Кроме указанных в табл.4, обнаружены различия в текстурах двух состояний стали 12Х1ЙН10Т. Текстурные компоненты состояний СРС и ДРС описываются, соответственно, ориентировкой {110} <001> и ограниченной аксиальной текстурой (см.главу 4).

"абл.4 Характеристики структуры двух состояний стали 12Х18Н10Т

Состояние Размер зерна, мкм Плотность дислокаций, х 109см~2 Размер частиц, нм Объемная доля частиц, %

СРС 3,2 1,5 44 0,05

ДРС 3,6 1,9 56 0,04

В работе на основе известной теории Тейлора была произ-¡едена оценка влияния текстуры на прочностные характеристики 1сследуемых состояний. Одним из ключевых понятий этой теории шляется фактор Тейлора М, определив величину которого можно :удить о характере влияния текстуры. Оказалось, что для ориен--ировки {110} <001> в СРС значение фактора Тейлора практически •акое же, как и для аксиальной текстуры, обнаруженной в ДРС :тали. Следовательно, разница в текстурах не оказывает сметного влияния на наблюдаемое механическое поведение юследуемых состояний стали 12Х18Н10Т. Как показано выше, в :остояниях СРС и ДРС обнаружены принципиально отличные спектры •раниц (см.табл.3).Более 40% границ в СРС занимают границы £3П, ■огда как в спектре ДРС примерно такую же долю занимают мало- и :реднеугловые границы (с углом разориентировки менее 15°). 'акие отличия спектров могут обуславливать различные механи-[еские свойства рассматриваемых состояний.

Уменьшение предела текучести в состоянии СРС, по сравнению I состоянием ДРС при комнатной температуре испытаний, видимо, южно объяснить тем, что двойниковые границы, занимающие основою долю в спектре границ зерен в статически рекристалли-юванном состоянии, более "проницаемы" для дислокаций. Тогда |ффективный пробег дислокаций (т.е. "эффективный размер зерна") | СРС больше,чем в ДРС. Следовательно,в состоянии, имеющем этот эффективный размер зерна" меньший, прочностные свойства должны |ыть выше (по примеру известного соотношения Холла-Петча).

Изменение механического поведения материала при повышенной ■емпературе испытаний очевидно связано с изменением роли ГЗ в тих условиях. .Хорошо известно, что в сталях при таких емпературах испытания активно развивается 3ГП, причем скорость соскальзывания по произвольным границам значительно выше, чем 'о специальным. Учитывая это, можно ожидать,, что ЗГП, с которым вязано разупрочнение и следовательно, уменьшение прочностных войств,будет развиваться значительно активнее в состоянии ДРС,

что и наблюдалось в эксперименте. Таким образом, различия в спектрах ГЗ могут определять различия в деформационном поведении стали 12Х18Н10Т как в области низких, так и области повышенных температур.

Выводы

1. Методами электронной микроскопии установлено, что спектры границ зерен в исследуемых аустенитных сталях после статической рекристаллизации имеют устойчивый характер, независимый от предыстории, химического состава и среднего размера зерен и отличаются высокой долей (до 50%) границ типа

2. Разработан алгоритм и осуществлено машинное моделирование процесса множественного двойникования, протекание которого характерно при отжиге ГЦК-материалов с невысокой энергией дефектов упаковки, к которым относятся исследуемые стали. Показано, что при множественном .двойниковании формируется квазистационарный спектр ГЗ.

3. Сравнение данных машинного моделирования и результатов электронно-микроскопических исследований свидетельствует, что экспериментально установленная устойчивость спектров границ зерен в исследуемых сталях после статической рекристаллизации определяется процессом множественного двойникования.

4. Подавление множественного двойникования в ходе динамической рекристаллизации или незавершенной статической рекристаллизации ведет к изменению спектра ГЗ - к уменьшению доли двойниковых границ и возрастанию доли произвольных большеугловых или малоугловых границ.

5. Моделированием на ЭВМ показано, что при развитии множественного двойникования происходит размытие текстуры, связанное с появлением большого числа новых ориентировок в процессе множественного двойникования.

6. Методами рентгеноструктурного анализа определены кристаллографические текстуры в исследуемых аустенитных сталях с близкими спектрами ГЗ. При этом установлено, что из качественного сравнения текстур и спектров ГЗ не удается выяснить взаимосвязь этих параметров, что может быть обусловлено кристаллогеометрической неоднозначностью используемых оТТйсаний спектров ГЗ и текстур.

7. На границах разного типа в стали Х17Н14МЗГ2 произведено 1змерение размеров дисперсных выделений. На основе этих 1змерений показано, что скорость диффузии на двойниковых границах в 35 раз меньше, чем на произвольных ГЗ.

8. Обнаружено различие в деформационном поведении 1сследуемых сталей в состояниях с разными спектрами ГЗ как в области низких, так и в области повышенных температур 1спытаний. Анализ влияния разных структурных факторов на 1еформационное поведение сталей доказывает важную роль сарактера спектров границ зерен в проявлении различных механических свойств.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: L. Герцман В. Ю., Даниленко В.Н., Гаянов P.M., Мишин О.В. "пектр границ зерен в материалах, склонных к двойникованию при зтжиге.// Тезисы докладов V Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" - Уфа - 1987.-С.168-169.

2. Герцман В.Ю., Мишин О.В. Моделирование спектра границ зерен з материале, склонном к двойникованию при отжиге. // Леталлофизика-1989.-11- N 4- С.26-33.

3. Герцман В.Ю., Алябьев В.М., Мишин О.В., Пономарева Е.Г. 1сследование статистики границ зерен в нержавеющей стали (16Н15МЗБ. // Металлофизика-1990.-12- N 2,- С.113-115.

I. Gertsman V.Yu., ValievR.Z., Danilenko V.N., Mishin O.V. îrain boundary distribution in materials susceptible to mnealing.twinning. // Coll. de Phys.-1990 -51-N 1- P. 151-154. j. Герцман В.Ю..Мишин О.В., Короткова O.K., Аверин С.В.,Сафонов i.A. Исследование распределений границ зерен.дислокаций и выде-юний в нержавеющей стали 04Х17Н14МЗГ2 . //ФШ-1991-Ш2-С. 80-86. i. Алябьев В.M., Герцман В.Ю., Кузнецов В.Н., Лапин С.С., Мишин ).В., Пономорева Е.Г., Сагарадзе В.В., Шалаев В.И. Влияние тем-1ературы отжига на статистику границ зерен, жаропрочные свой-;тва и распухание стали Х16Н15МЗБ. // ФММ- 1992- N 5-С.101-105.

Алябьев В.М., Мишин О.В. Исследование статистики границ ¡ерен, жаропрочных свойств и распухания стали Х16Н15МЗБ. // Тезисы докладов III Международной конференции "Физика прочности 1 пластичности металлов и сплавов" - Самара - 1992.-С.121.