Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Свойства штрипса трубной стали и развитие теории полевой текстуры

Славов В.И., Купчик Г.А., Митрофанов А.В., Попкова Н.А. ОАО “Северсталь”, Череповец, Россия

Исследовали образцы горячекатаной стали 09ГСФ толщиной 10 мм: №1 (начало полосы) и №2 (середина полосы). Химический состав стали, вес.%: C=0.10, Si=0.52, Mn=0.62, P=0.008, S=0.002, Cr=0.25, Ni=0.02, Cu=0.12, Al=0.04, Mo=0.002, V=0.077, Nb=0.019, Ti=0.017. Режимы горячей прокатки на стане “2000”: температура подката толщиной 46мм за 5-й клетью Т5=10960С, температура металла за 6-й клетью Т5= 9690С, заправочная скорость Vз = 2.44 м/с, температура конца прокатки Ткп= 8310С, Тсм=5120С, скорость охлаждения в 1 и 2-й секциях Vохл.1= 8.260C, Vохл.2 = 3.360C.

Механические свойства стали: образец №1-т= 444 МПа, в=548 МПа, 10 = 26%, KCV-50 =188-220 Дж/см2, доля волокнистой составляющей в изломе В= 80-100%; образец №2-т= 486 МПа, в=588 МПа, 10 = 27%, KCV-50 =203-233 Дж/см2, доля волокнистой составляющей в изломе В= 50-55%.

Горячекатаная сталь имеет ферритно-перлитную структуру, величина зерна феррита 11-12 баллы в 1-м образце и 12-11 баллы во 2-м образце (рис.1).

Образец №1.

продольное сечение поперечное сечение

Образец №2

продольное сечение поперечное сечение

Рис. 1 - Микроструктура стали в двух сечениях, х 400

Поле физического воздействия определённой группы симметрии (14 точечных симметрий полярных и аксиальных тензоров 2-го ранга по А.В. Шубникову) приводит к совершенно определённым наборам ориентаций кристаллитов в многокомпонентной текстуре поликристаллов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В свою очередь, эти ориентации являются индикаторами симметрии воздействовавших на поликристаллические тела физических полей и их суперпозиций. Ниже приведена блок-схема разработанной теории взаимодействия полей напряжений и тепловых полей с кристаллами и их границами, упрощающая физику поликристалла и объясняющая его механические свойства. [1-21].

Кристаллографическую текстуру трёх главных плоскостей проката исследовали методом обратных полюсных фигур (ОПФ) по 21-и дифракционным отражениям (HKL) на рентгеновском аппарате ДРОН-4 в MoК - излучении. Режимы рентгеновской съёмки: U= 25кВ, I = 20 ma, щели 2-8-0.25 мм, скорость вращения детектора 2o/мин. После компьютерной обработки дифракционных спектров вычисляли значения относительной интегральной интенсивности (I) и физического уширения (B) каждой линии феррита (НKL). Экспериментальные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

На основании этих данных строили ортогональные матрицы кристаллографических ориентировок, нормали к плоскостям которых располагаются в направлении нормали к плоскости проката (НН), в направлении прокатки (НП) и поперечном ему направлении (ПН). Коды (группы симметрии) ориентировок приведены в фигурных скобках. Вычисляли параметры ячеек ориентационных решёток (ЯОР): t НН, r НП, s ПН и их объёмы (VОР). По кодам находили их принадлежность к аксиальным или полярным полевым тензорам 2-го ранга. Стрелки указывают направление развития мультиплетных ориентаций в “цепях”, принадлежащих одной группе симметрии ориентированных кристаллитов, образованных в условиях одинаковых напряжённых состояний. Внизу рассчитаны границы зёрен, образующие решётки совпадающих узлов (РСУ) и полных решёток наложения (ПРН), а также ряды величин обратной плотности совпадений узлов соседних пар кристаллических решёток .Рассчитали параметры и элементарные объёмы (VРСУ и VПРН ) границ зёрен. Два примера расчёта трёхмерных ориентировок зёрен приведены ниже.

Образец № 1

1)

2•m V=20a3 2•m V=68a3

Границы зёрен: моноклинные РСУ 37,55,77 115,145

Расчёт элементарных объёмов ориентационной решётки (VОР) и границ зёрен (VРСУ).

Образец № 2

1)

m•2:m V=a3/6 m•2:m V=a3/22 m•2:m V=a3/38

Границы зёрен: (ромбические РСУ 9, 11,19,27,33…)

Ниже приведена схема трёхмерных ориентаций зёрен образцов (>-аксиальные ори- ентации, +- полярные ориентации) с указанием во втором ряду величин VПРН/ VОР, и - в третьем ряду - групп симметрии полевых тензоров напряжения 2-го ранга ( - цепи ориентаций кристаллитов, принадлежащих одной группе симметрии).

Образец № 1

1) > > 2) > > > 3) > > 4) > > 5) + 6) > 7) > 8) >

1/2 1/2 1 1 1 1 1 1/5 1/5 1 1/30 1/2 4

2•m ?:2 ?:2 2 m•2:m m 2•m 4•m

Образец № 2

1) + + + 2) + + 3) > > 4) > > 5) + + + 6) > 7) +

12 44 76 16 40 1 1 1 1 28 20 12 1 20

m•2:m m•?:m ?:2 ?:2 2:m ?/ ? m•?:m

8) + 9) + 10) > 11) > 12) + + 13) + 14) + 15) + 16) +

24 2 1 1/2 1/5 1/5 12 140 336 48

m•2:m m•2:m m 2:2 2 m•2:m 2:m m•2:m m•2:m

17) + 18) > 19) > 20) > 21) > 22) > 23) > 24) > >

168 2/17 1/2 1 1/2 3 1 1/2 1/10

2:m ?:2 2•m ?:2 2• m 4•m 2:2 ?:2

В 1-м образце было найдено 13 трёхмерных ориентировок зёрен, преимущественно принадлежащих полям осевой симметрии. Во 2-м образце обнаружено 33 ориентировки кристаллитов, из них 18 принадлежат полярным тензорам и 15 - ориентировкам кристаллитов, образованных в осевых полях симметрии физических воздействий. Доля полярных ориентировок в этом образце 54,5% совпадает с долей волокнистой составляющей в изломе 50-55%.

Обсуждение результатов.

В данной стали наблюдали нетривиальную картину: в начале полосы при величине В = 80-100% ударная вязкость стали KCV-50 =188-220 Дж/см2 была ниже, чем в её середине KCV-50 =203-233 Дж/см2, при 2-х кратном снижениив последней доли волокна в изломе (50-55%). Объяснения несоответствия ударной вязкости и доли волокна в изломах в рамках “классического” металловедения не было найдено.

Анализ трёхмерных кристаллографических ориентаций кристаллитов феррита в ферритно-перлитной структуре стали двух образцов показал на принципиальное отличие основной массы ориентировок зёрен в составе их текстуры. В образце №1 большая часть ориентировок принадлежит к нецентросимметричным осевым полям физического воздействия (суперпозициям одноосных растягивающих или сжимающих напряжений деформаций и градиентного теплоотвода), выраженных в терминах симметрии аксиальных тензоров 2-го ранга. В образце №2 (середина полосы) половина ориентировок принадлежит к центросимметричным полям напряжений - полярным тензорам 2-го ранга.

Анализируя спектры ориентаций зёрен феррита в стали 09ГСФ, обнаружили, что в них получили развитие цепи (мультиплеты) кристаллографических ориентаций, принадлежащих к одной группе симметрии. Расчёты параметров ориентационных решёток t, r, s в направлении главных осей прокатки и их объёмов показали, что в аксиальных цепях величины этих параметров и, соответственно, объёмов ячеек ориентационной решётки возрастают, а в полярных цепях уменьшаются.

Вязкое разрушение (до 100% волокна в изломе), присущее образцу № 1, произошло в результате образования пор и их конгломератов, накопившихся в больших ячейках (Vор) мультиплетных рядов аксиальных ориентаций. В то же время неуравновешенность и локальность пиковых напряжений в осевых структурах (ограниченный симметрией множитель повторяемости Р плоскостей ОР) выдерживали сравнительно небольшие пластические деформации до разрушения при ударных испытаниях образцов.

Другие процессы происходили во время ударных испытаний образца № 2: порообразование при ударном деформировании было заблокировано в маленьких ЯОР полярных ориентаций кристаллитов, что понижало возможность вязкого разрушения. С другой стороны релаксация напряжений в объёмах центросимметрично ориентированных кристаллитов (большой множитель повторяемости Р) приводила к резкому спаду усилия после достижения критических величин в микрообъёмах металла. На диаграмме динамической деформации образца наблюдали “срывы” усилий (релаксацию) до меньших величин, после которых вновь начинался повторный их рост.

В гиббсовском методе поверхностных избытков необходимо задать способ выделения объёмных и поверхностных объектов системы, различающихся термодинамическими свойствами. В качестве элементарной объёмной части зерна выбрали объём его ориентационной решётки (VОР), а в качестве элементарного объёма его поверхности на границе - объём полной решётки наложений VПРН. Расчёты соотношений указанных объёмов в каждом конкретном зерне дают уникальную возможность сравнения объёмных и поверхностных энергий зёрен и прогноза физико-механических свойств поликристалла.

Поликристаллические тела состоят из упорядоченно распределённых кристаллитов или зёрен. Термин “упорядочивание” следует связывать не только с кристаллографически детерминированными в общей массе зёрен компонентами “идеальных” текстур, но и с принадлежностью зёрен разных ориентаций, объединённых одинаковым кодом симметрии и принадлежащих полю физического воздействия одинаковой группы симметрии (полевые текстуры). В зависимости от симметрии внешней нагрузки материала одноименные (из одной совокупности трёхмерных кристаллографических индексов) компоненты текстуры по-разному располагаются в пространстве поликристалла. Например, в образцах после растяжения (группа симметрии тензора 2-го ранга m?m) зёрна из семейства одноименных ориентаций располагаются равномерно по периферии поперечного сечения, в то время как в образцах после кручения (группа симметрии тензора 2-го ранга ?:2) такие зёрна располагаются в диаметрально противоположных местах.

Каждое зерно, имеющее трёхмерную кристаллографическую ориентацию данной группы симметрии, может иметь соседнее зерно той же группы симметрии, связанное с ней границей совпадения в терминах РСУ. На примере последовательности “1)” образца №2 рассмотрим “разветвление”, связанное границами РСУ 9, образованное разориентировками соседних зёрен на угол 38,940 вокруг оси поворота <110>. Зёрна ориентировок (110)<UVW> и их РСУ принадлежат группе симметрии ориентировки {5-3-7-4} кубических кристаллитов, соответствующей полю напряжений группы симметрии m•2:m.

Чтобы вычислить индексы ориентировок второго зерна, совпадающие с НП и ПН, сумму квадратов соответствующих индексов 1-го зерна необходимо умножить на число 2 (в конкретном примере 2=81) т.е. найти сумму квадратов индексов 2-го зерна и по ней вычислить тройку кристаллографических индексов в данных направлениях проката. При определении индексов РСУ в границе такую же операцию нужно произвести умножением на число . Объёмы VПРН в границе пар зёрен в десятки (для 1-го зерна) и в тысячи (для 2-го зерна) раз больше объёмов VОР самих зёрен.

Это различие усиливается в последовательности экспериментально обнаруженных ориентировок (110)<112> (110)<332> (110) <116> и в ряду РСУ соседних зёрен.

Зерно 1 Зерно 2 РСУ

=9 +

VОР = a3/M a3/6 a3/486 a3/54

12= 108 972= 8748 108= 972

12 972 108

горячекатаная сталь поликристалл феррит

Образование в структуре металла цепей кристаллографических ориентаций на базе основных ориентировок, отвечающих тензорам напряжений полярных групп симметрии, приводит к скачкообразному возрастанию элементарных объёмов поверхности и доминированию их над сопоставимыми объёмами ориентированных зёрен металла. Соответственно, внутренняя энергия границ быстро возрастает по мере образования высоко индексов ориентировок зёрен и процессы разрушения металла с большей вероятностью локализуются в границах зёрен.

Противоположное соотношение сравниваемых объёмов и энергий обнаружено в трёхмерных ориентациях, образованных под влиянием тензоров напряжений 2-ранга аксиальных групп симметрии. Рассмотрим на примере последовательности “4)”образца №2 “разветвление”, связанное с каждой ориентировкой границами РСУ 9, образованное разориентировками соседних зёрен на тот же угол 38,940 вокруг оси поворота <110>.

Зёрна ориентировок (110)<221> и (134)< 221> и их РСУ принадлежат группе симметрии {6-3-2-3} кубических кристаллитов, соответствующих полю напряжений при кручении группы симметрии ?:2.

Зерно 1 Зерно 2 Зерно 3 РСУ

= 9 + или

VОР = Ma3 9a3 729a3 729a3 81a3

2/9 = 2 2/729= 2/81 2/81= 2/9

2/9 2/729 2/81

Образование в структуре металла цепей кристаллографических ориентаций на базе ориентировок, отвечающих тензорам напряжений аксиальных групп симметрии, приводит к скачкообразному возрастанию элементарных объёмов зёрен VОР и доминированию их над сопоставимыми объёмами VПРН границ зёрен металла. Соответственно, внутренняя энергия зёрен быстро возрастает и процессы разрушения металла преимущественно развиваются в теле зёрен.

Выводы

Сравнительно низкий уровень прочностных и пластических свойств образца №1, несмотря на 80-100% волокна в ударных изломах, объясняются неравномерным распределением напряжений, описываемых аксиальными группами симметрии полей внешнего воздействия. Они возникают в технологии прокатки начала полосы (меньшие деформации при задаче полосы в стан, повышенные температуры из-за отсутствия охлаждения на рольганге при выходе полосы из чистовой клети). Образование в структуре металла цепей кристаллографических ориентаций на базе основных ориентировок, отвечающих тензорам напряжений аксиальных групп симметрии, приводит к скачкообразному увеличению объёмов элементарных ячеек ориентированных зёрен металла и доминированию их над элементарными объёмами межзёренных границ. Соответственно, энергия границ становится меньше, чем энергия сопоставимых с ними объёмов ориентированных решёток, вследствие чего последние заполняются вакансиями и их конгломератами вплоть до момента образования пор. Процессы разрушения металла инициируются внутри зёрен, в изломах образцов превалирует волокнистая составляющая. В этих условиях пиковые напряжения локальны из-за ацентричной осевой симметрии взаимодействия поля и кристаллита, при этом релаксация напряжений в объёме металла ограничена. По этой причине разрушение срезом происходит преждевременно, хотя и сопровождается желательной картиной волокнистого излома после сериальных ударных испытаний.

В трёхмерной текстуре образца №2, взятого из середины полосы, присутствуют как аксиальные, так и полярные ориентации зёрен феррита. Их соотношение точно соответствует экспериментально обнаруженной доле волокна 50-55% в изломах. Вместе с тем наличие в металле последовательностей или цепей преимущественно полярных трёхмерных ориентаций, ограничивая вероятность объёмного разрушения матрицы, создаёт благоприятные условия многочисленной пространственной релаксации пиковых напряжений, равномерно распределяя их по всему объёму образца. В результате, несмотря на смешанный вид излома, уровень механических свойств данного образца заметно выше, в сравнении с образцом №1.

Литература

1. А.В. Шубников. Изв.АН ССР, сер.физ., 1949, т.13, c.347-375.

2. А.В. Шубников, В.А. Копцик. Симметрия в науке и искусстве. Изд”Наука”.1972.339 c.

3. В.Д. Дурнев, И.П. Талашкевич. Симметрия в технологии. Изд.“ Политехника”.1979. 255 c.

4. И.C. Желудев. Симметрия и её приложение. Изд.“Атомиздат”.1976. 285c.

5. Славов В.И., Вишняков Я.Д. Периодическая система индексов и симметрия текстур кристаллов.Сб.“Методы и структурные исследования по физике твёрдого тела”. Вологда, 1974, с.60-101.

6. Славов В.И. Исследование симметрии текстуры в кристаллических материалах. Автореферат кандидатской диссертации. М. 1974. МИСиС.

7. Вишняков Я.Д., Бабарэко А.А., Владимиров С.А., Эгиз И.В. Теория образования текстур в металлах и сплавах, М., Наука, 1979. 340 c.

8. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Периодическая система кристаллографических индексов - алгоритм расчёта специальных разориентировок зёрен. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1999. № 3. с.17-24.

9. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Расчёт разориентировок <UVW> кубических решёток, образующих решётки совпадающих узлов разных сингоний. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. № 3. с.22-25.

10. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Способ дифракционного анализа спаренных спецграницами зёрен поликристаллов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1999. № 11. с.15-23.

11. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Исследование ромбических решёток совпадающих узлов на специальных границах стального листа. Металлы. 2000. №3. c. 72-79.

12. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Исследование текстуры ромбических решёток совпадения узлов на зёрнах (112) рекристаллизованной листовой стали. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. № 3. с.25-31.

13. Славов В.И., Наумова О.М., Пучков А.В. Гексагональные РСУ на специальных границах <111> стального листа. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2002. № 10. с.26-31.

14. Славов В.И., Наумова О.М., Яковлева Т.П. Реперная дифракция моноклинных РСУ в специальных границах стального листа. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. № 6. с.32-39.

15. Slavov V.I., Naoumova O.M., Jakovleva T.P. Method laue-repere investigation special boundaries and fine structure in sheet steel. Abstracts of International Conference on Texture and Anisotropy of Polycrystals. Clausthal. Germany. 1997.s.116.

16. Slavov V.I., Naoumova O.M., Jakovleva T.P. Method laue-repere investigation of texture CSL and grains in commercial material. Abstracts of International Conference Texture and Properties of Materials. Ekaterinburg. 1997. s.57.

17. Slavov V.I., Naumova O.M.,Yakovleva T.P. The texture and special grain boundaries in the steel sheet // Proceeding of The Sixth Sino-Russia International Sumposium on New Materials and Technologies, China, 2001, p.462.

18. Slavov V.I., Kostylev S.N., Naumova O.M. Puchkov A.V. The investigation of texture and special boundaries in hot-rolled and cold-rolled IF-steel. International Forum for the Properties and Application of IF Steels “IF STEELS 2003”, Tokio, Japan, 2003, p.377-380.

19. Slavov V.I., Naumova O.M., Kostylev S.N.,Puchkov A.V. Application of the Repere Diffraction to Study of Special Grain Boundaries in Recrystallized Metals // Proceedings of the Joint International Conference on Recrystallization and Grain Growth, Part 2, Annecy, France, 2004, p.1413-1417.

20. Slavov V.I., Chaschin S.N., Kostylev S.N, Naumova O.M.,Khlybov O.S., Puchkov A.V. Impact of Coil Cooling Rate on Texture, Special Boundaries and Properties of Hot Rolled Strip // Proceedings of the Joint International Conference on Recrystallization and Grain Growth, Part 1, Annecy, France, 2004, p.323-328.

21. Славов В.И. Кристаллографические и рентгенодифракционные методы исследования специальных границ зёрен. Автореферат докторской диссертации. М. 2003. МИСиС.

Размещено на Allbest.ru