Структура деформированных металлов
Бернштейн М.Л.
Металлургия, 1977 г.
Структура аустенита горячедеформированной стали
Известно, что основным процессом структурных изменений в ходе самой горячей деформации является формирование субструктуры. Рекристаллизация в условиях горячего деформирования, в частности при последеформационных выдержках, идет преимущественно по механизму коалесценции субзерен. Тогда возникает представление, что обычный металлографический анализ позволяет выявить сетку не только границ, но и субграниц . Причем, если размер субзерен после динамической полигонизации, выявляемый приэлектрон-номикроскопическом исследовании на «просвет», составляет 1—3 мкм, то субзерна, выявляемые при обычном металлографическом анализе, имеют размеры ~7— 10 мкм.
Можно предположить, что в своеобразных условиях горячей деформации внутри исходных, окаймленных высокоугловыми границами зерен образуется субструктура двух видев: 1) субзерна (фрагменты) размером несколько десятков микрон, 2) в пределах этих фрагментов более мелкие субзерна размером несколько микрон. Возникновение субструктуры двух видов при горячей деформации обусловлено тем, что вместо обычных возврата и полигонизации (при нагреве холоднодеформированного металла) при горячей обработке имеет место динамический возврат и динамическая полигонизация. В этом случае неизбежно наличие и динамической «рекристаллизации на месте». Термин «динамическая» предусматривает протекание «рекристаллизации на месте» в условиях непрерывно сопровождающего этот процесс деформирования с созданием внутри крупных фрагментов более мелкой субструктуры динамической полигонизации.
При непрерывно продолжающемся деформировании внутри выросших в ходе динамической «рекристаллизации на месте» крупных субзерен (7-10 мкм и более) возникают более мелкие субзерна (1-3 мкм), выявляемые при электронномикроскопических исследованиях. Внутри исходного зерна эти процессы идут в течение горячего деформирования, один за другим.
Применение модельных сталей и сплавов с мартенситной точкой ниже 0°С в качестве объектов исследования позволяет адекватно описать высокотемпературное строение аустенита и его влияние на кинетику мартенситного превращения и структуру мартенсита. Быстрое охлаждение до комнатной температуры фиксирует высокотемпературное состояние аустенита и дает возможность изучить его с помощью современных методов физического металловедения. Комплексное исследование тонкого строения горячедеформированного аустенита и его изменений при последеформационной выдержке проведено на модельных сталях 120X6 и 120Г5 с мартенситной точкой Мн<0° С.
Высокотемпературная деформация увеличивает ширину линии В {311} аустенита сталей 120X6 и 120Г5 (рис. 228 и 229), что связано с повышением плотности дефектов строения аустенита. Последеформационная выдержка приводит к снижению ширины линии, причем .интенсивность разупрочнения (по скорости падения величины В) зависит от состава стали и степени деформации X.
В стали 120Г5 уменьшение ширины линии заметно уже через 6 с после деформации. Последеформационная выдержка т, равная 60 с, в случае обжатия на 60% вызывает практически полное разупрочнение. После деформации на 40% и такой же выдержки величина В значимо превышает уровень контрольной обработки и сравнивается с ним лишь через 10 мин. Сталь 120X6 при этих же условиях деформации и выдержке более устойчива против разупрочнения: выдержка в течение 60 с после деформации на 60% практически не влияет на величину В, а после деформации на 40% и через 10 мин заметного снижения В не происходит.
Изучение зеренного строения аустенита этих сталей под оптическим микроскопом выявляет корреляцию между изменением ширины линии и микроструктуры аусте-нита. Во всех случаях падение В связано с появлением новых, равноосных объемов размером 10—20 мкм, которые четко видны на фоне исходных аустенитных зерен размером 200—500 мкм.
Таким образом, деформация на 40% приводит к образованию более устойчивой структуры аустенита, чем на 60%. Важно подчеркнуть, что в обоих случаях при выдержке до 60 с основные структурные изменения стали 120X6 происходят внутри деформированного зерна, на субструктурном уровне.
Более медленное развитие процессов разупрочнения в стали, легированной хромом, связано, видимо, не только с различием диффузионных констант, но и с тормозящим влиянием карбидных выделений, а также с различием в исходной (после деформации) субструктуре, образованной при деформации этих разных аустенитных структур.
В зависимости от состава стали наблюдается различие в поведении периода решетки аустенита аупри деформации и выдержке.
Статистическое изучение характеристик тонкого строения горячедеформированного аустенита под электронным микроскопом позволило выявить подробности процессов формирования субструктуры в условиях горячей деформации и при последеформационной выдержке (по данным Л. М. Капуткииой, С. Д. Прокошкина, Н. А. Никишова).
Тонкая структура аустенита после горячей деформации характеризуется как полигонизованная. Наблюдаются четкие субграницы (рис. 230), окаймляющие объемы с довольно высокой (~Ы09 см-2) внутренней плотностью дислокаций (табл. 3). В плоскости фольги видны как участки с удлиненными субзернами, ограниченными кристаллографически направленными субгра-ницами (рис. 230,а), так и с примерно равноосными, часто четырехгранными, полигональными образованиями (рис. 230,6).
Предполагается, что возникновение равноосных субзерен связано с участием в скольжении нескольких его систем, и это приводит к «разрезанию» вытянутых полигонов субграницами, образующимися по другим системам скольжения в процессе деформации. В дальнейшем происходит перестройка субграниц и скругление субзерен; движущая сила этого процесса — уменьшение поверхностной энергии. Наблюдаемая после деформации «четырехгранная» система субграниц (рис. 230,6) свидетельствует в пользу этого предположения. Представ-
ление о формировании равноосных субзерен путем «сфероидизации» вытянутых, видимо, не соответствует действительности, так как в этом случае равноосные субзерна имели бы размер примерно на порядок больший наблюдаемого. Наблюдение равноосных субзерен может быть частично и результатом «разрезания» разных сечений удлиненных субзерен плоскостью фольги.
Средняя величина азимутальной разориентировки между соседними субзернами, измеренная по микро-электронограммам, составила 2—3° (рис. 231). Максимальная величина азимутальной составляющей разориентировки на площади 12 мкм2, включающая около 15 субзерен (рис. 232), не превышала 8° , а рефлексы на микроэлектронограмме в этом случае разбиты не более чем на 4 фрагмента — свидетельство частичной компенсации разориентировок субзерен.
Результаты определения разориентировок субмикро-объемов аустенита стали 120X6 по методу рентгеновского микропучка, обеспечивающему существенно меньшую локальность анализа, также подтверждают представление о значительной компенсации разориентировок в гоячедеформированном аустените (Л. М. Капуткина, А. В. Лютцау, С. Д. Прокошкин). Рефлекс {200} аустенита, полученный с площади в несколько сотен квадратных микрон, сплошной в отсутствие деформации (рис. 233), в результате деформации на 60% разбивается обычно на два (рис. 233,6), иногда на три-четыре (рис. 233, б) довольно четких фрагмента с угловым расстоянием 1—5° между ними. Максимальная же азимутальная разориентировка по такой площадке, на которой умещается несколько сотен субзерен, не превышает 12°.
Из сопоставления результатов, полученных с помощью электронной дифракции, рентгеновского микропучка и рентгеновской топографии, видно, что горячая деформация в условиях образования полигонизованной
субструктуры приводит к фрагментации исходного зерна аустенита на области, разориентированные на малые углы, со скомпенсированной (знакопеременной) разориен-тировкой субзерен внутри них. Разбиение рефлексов на микрорентгенограммах и топограммах от сравнительно больших областей, включающих сотни, тысячи и более субзерен, всего на несколько четких фрагментов указывает на существование нескольких близко ориентированных комплексов субзерен.
Эти экспериментальные данные позволяют объяснить ряд явлений, наблюдающихся при структурных исследованиях горячедеформированных сталей и сплавов. Во-первых, компенсация разориентировок в значительных по протяженности объемах горячедеформированного аустенита уменьшает стимул к его рекристаллизации при последеформационных выдержках. Действительно, как показано во многих исследованиях (см. выше), строение горячедеформированного аустенита является весьма термически устойчивым, и разупрочняющие процессы в нем протекают сравнительно вяло. Во-вторых, при наличии достаточно больших близкоориен-тированных комплексов коалесци-рующих субзерен нивелируется роль исходных (до горячей деформации) большеугловых границ. И, наконец, в-третьих, эти крупные комплексы коалесцирующих субзерен, которые иногда принимают за зерна, имеют внутри более мелкие субзерна также со скомпенсированными разориентироеками- Таким образом, показано существование в горячедеформированном аустените субструктуры двух порядков (рис. 235), особенно четко выявляемой при последеформанионных выдержках.