Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

MICROSTRUCTURE EVOLUTION IN AUSTENITIC STAILESS STEEL DURING MULTIPLE FORGING AT 500 AND 800 °C

Tikhonova M.S. 1 Belyakov A.N. 1
1 National Research University Belgorod State University
Данная работа посвящена исследованию структурных изменений в аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н8Д3Б в процессе многократной ковки при температурах 500 и 800 °С. Выявлены основные особенности формирования ультрамелкозернистой структуры в процессе интенсивной пластической деформации в зависимости от температуры обработки. Многократная ковка при 500 и 800 °С приводит к формированию ультрамелкозернистой микроструктуры со средним размером зерен 0,22 и 0,69 мкм соответственно. В обоих случаях доля высокоугловых границ составляет 50–55 %. Однако микроструктура, сформированная при 800 °С, характеризуется высокой долей специальных двойниковых границ, которые составляют более 20 % всех высокоугловых границ зерен. Установлено, что формирование микроструктуры при 800 °С происходит вследствие прерывистой динамической рекристаллизации. Уменьшение температуры деформации до 500 °С приводит к тому, что новые зерна образуются по механизму непрерывной динамической рекристаллизации.
This work explores the microstructure of austenitic stainless steel of 08Х18Р8Д3Б evolved during multiple forging at 500 and 800 °C. The mechanisms of ultrafine grained structure formation during intense plastic straining at different temperatures were revealed. The multiple forgings at 500 and 800 °C result in the development of ultrafine grained microstructures with average grain sizes of 0,22 and 0,69 mm. The fraction of high-angle boundaries comprises 50–55 % in the both cases. However, the microstructure developed at 800 °C is characterized by a rather large fraction of special twin-type boundaries, which is 20 % of all high-angle boundaries. The microstructure evolution at 800 °C occurs through discontinuous dynamic recrystallization. A decrease of deformation temperature to 500 °C leads to the new grains formation through continuous dynamic recrystallization.
austenitic stainless steel
multiple forging
grain boundaries
dynamic recrystalization
1. Beladi H. Dynamic recrystallization of austenite in Ni-30 Pct Fe model alloy: Microstructure and texture evolution / Beladi H., P. Cizek, P.D. Hodgson // Metall. Mater. Trans. – 2009. – № 40. – P. 1175–1189.
2. Belyakov A. Grain refinement under multiple warm deformation in 304 type austenitic stainless steel / Belyakov A., Sakai T, Miura H, Kaibyshev R. // Iron Steel Inst Jpn Int –1999. –№ 39. – 592–599.
3. Belyakov A.N. Changes in the grain structure of metallic materials upon plastic treatment / Belyakov A.N. // Physics of Metals and Metallography – 2009. – № 108. – P. 390–400.
4. Dudova N. Dynamic recrystallization mechanisms operating in a Ni-20 %Cr alloy under hot-to-warm working /Dudova N., Belyakov A., Sakai T., Kaibyshev R. // Acta Mater. – 2010. – № 58. – P. 3624–3632.
5. Humphreys F.J. Recrystallization and Related Annealing Phenomena / Humphreys F.J., Hatherly M. – Oxford: Pergamon Press, 2004. – 575 p.
6. McQueen H.J. Recovery and recrystallization during high temperature deformation / H.J. McQueen, J.J. Jonas // Treatise on materials science and technology, Vol. 6 – New York : Academic Press, 1975. – P. 393–493.
7. Sakai T. Plastic deformation: role of recovery and recrystallization / T. Sakai, J.J. Jonas // Encyclopedia of materials: science and technology, Vol.7 – Oxford : Elsevier, 2001. –P. 7079–7084.
8. Tikhonova M. The Formation of Fine-Grained Structure in S304H-Type Austenitic Stainless Steel during Hot-To-Warm Working / Tikhonova M., Dudko V., Belyakov A., Kaibyshev R.// Mater. Sci. Forum – 2012. – № 715–716. – P. 380–385.
9. Tikhonova M. Grain boundary assembles developed in an austenitic stainless steel during large strain warm working / Tikhonova M. et al. // Materials Characterization. – 2012. – Vol. 70. – P. 14–20.
10. Tikhonova M. Kinetics of Grain Refinement by Warm Deformation of 304-Type Stainless Steel / Tikhonova M., Belyakov A., Kaibyshev R. // Materials Science Forum – 2012. – Vols. 706-709. – P. 2328–2334.
11. Yanushkevich Z. Structural strengthening of an austenitic stainless steel subjected to warm-to-hot working / Z. Yanushkevich et al. // Mater. Charact. – 2011. – № 62. – P. 432–437.

Изменение зернённой структуры в процессе пластической деформации традиционно определяют как динамическую рекристаллизацию [6, 7]. В зависимости от условий обработки различают два типа динамической рекристаллизации. Наиболее изученной является динамическая рекристаллизация, протекающая в материалах с низкой энергией дефектов упаковки при высоких температурах [5, 11]. В таких случаях механизм формирования зародышей новых зерен связан с локальной миграцией отдельных участков исходных границ при достижении некоторой критической степени деформации, после чего происходит рост новых зерен. Если деформация будет протекать далее, то в уже ранее рекристаллизованных и затем деформированных зернах будут формироваться новые зародыши, рост которых приведет к формированию новых динамически рекристаллизованных зерен. Такой процесс принято называть прерывистой динамической рекристаллизацией [8]. Другой механизм динамической рекристаллизации связан с формированием устойчивой субструктуры. С увеличением степени деформации увеличивается плотность дислокаций в субграницах, что ведет к увеличению кристаллографических разориентировок между субзернами. Такая трансформация субграниц в обычные высокоугловые границы приводит к формированию новой рекристаллизованной структуры. Данный процесс определяют как непрерывную динамическую рекристаллизацию [1–2, 4]. В настоящее время механизмы структурных изменений в процессе пластической деформации при температурах около 0,5 Тпл (Тпл – температура плавления) являются предметом многочисленных исследований [3,9–10]. Целью данной работы является изучение механизмов динамической рекристаллизации, действующих в процессе интенсивной пластической деформации аустенитной нержавеющей стали при температурах 500 и 800 °С.

Материал и методы исследования

Для проведения исследований использовали аустенитную нержавеющую сталь 08Х18Н8Д3Б следующего химического состава: основа Fe – 0,10 %; C – 18,2 %; Cr – 7,85 %; Ni – 2,24 %; Cu – 0,50 %; Nb – 0,008 %; B – 0,12 %; N – 0,95 %; Mn – 0,10 %. Предварительная термообработка стали заключалась в нагреве до 1100 °С и выдержке в течении 30 мин с последующей закалкой в воду. Интенсивную пластическую обработку методом всесторонней ковки проводили на универсальной испытательной машине Instron 5882 усилием 30 т при температурах 500 и 800 °С. С целью регистрации диаграммы деформации в процессе всесторонней ковки использовали призматические образцы размером 15×12,2×10 мм. Такое соотношение размеров, т.е. 1,5:1,22:1,0, позволяет проводить многократную ковку осадкой с поворотом образца на 90 градусов в каждом проходе с истинной степенью деформации за один проход 0,4 без изменения геометрических размеров в процессе обработки. Для исследования последовательности структурных изменений в процессе всесторонней ковки несколько призматических образцов деформировали до истинных степеней деформации 0,4; 1,2; 2,0; 4,0. Структурные исследования выполняли на растровом электронном микроскопе Quanta 600 3D-методом автоматического анализа дифракции обратных рассеянных электронов.

Результаты исследования и их обсуждение

Микроструктура стали после предварительной термообработки состоит из аустенитных зерен размером около 10 мкм. Доля высокоугловых границ в такой структуре составляет 97 %. После такой термической обработки в структуре наблюдаются специальные границы двойникового типа, их доля составляет 55 %. Дисперсные частицы вторичных фаз со средним размером около 50 нм равномерно распределены в металлической матрице. Согласно данным химического анализа дисперсные частицы в основном представлены карбонитридами ниобия.

Многократная ковка при температурах 500 и 800 °С приводит к формированию ультрамелкозернистых микроструктур (рис. 1) с различным размером зерен и распределением границ зерен по углам разориентировки. При температуре деформации 800°С формируется ультрамелкозернистая структура со средним размером зерен 0,69 мкм. При температуре деформации 500 °С формирующаяся структура состоит из ультрамелких рекристаллизованных зерен и нерекристаллизованных участков. Средний размер зерен составляет 0,22 мкм, в то время как доля рекристаллизованной структуры не превышает 0,54.

pic_76.tif

Рис. 1. Микроструктуры стали 08Х18Н8Д3Б после деформации до истинной степени 4 при различных температурах: а – 800 °С; б – 500 °С. Стрелками указана ось последней осадки. Черным цветом обозначены границы с углом разориентировки более 15 градусов, белом цветом границы от 2 до 15 градусов. Черными толстыми линиями указаны специальные границы двойникового типа

Анализ эволюции микроструктуры в процессе многократной ковки при температурах 500 и 800 °С показал формирование зернограничных ансамблей двух видов (рис. 2). При температуре 500 °С (рис. 2 а), при небольших степенях деформации гистограммы распределения углов разориентировок имеют один ярко выраженный пик в области малоугловых границ. При увеличении степени деформации на гистограмме распределения также имеется пик в области малоугловых границ, но в отличие от малых степеней деформации доля высокоугловых границ возрастает. Распределение в диапазоне границ зерен выше 15 градусов плоское с одинаковой вероятностью границ зерен с различными разориентировками.

При температуре деформации 800 °С (рис. 2 б), гистограммы распределения углов разориентировок границ зерен имеют бимодальное распределение. Первый, ярко выраженный пик наблюдается в области малоугловых границ. С увеличением степени деформации данный пик спадает, т.е. доля малоугловых границ уменьшается. Второй пик соответствует углу разориентировки в 60 градусов, что свидетельствует о наличии специальных границ двойникового типа.

Наличие в структуре двойниковых границ указывает на миграцию границ и, как следствие, рост зерен. Данные структурные изменения характерны для механизма прерывистой динамической рекристаллизации. При температуре 800 °С исходные границы после небольших степеней деформации становятся извилистыми, в отдельных участках наблюдается локальная миграция (выгибание) границ, что ведет к формированию зародышей рекристаллизации (рис. 3). Новые зерна образуются вдоль исходных границ, образуя так называемую структуру «ожерелье».

а)pic_77.tifб)pic_78.tif

Рис. 2. Распределение границ зерен по углам разориентировки стали 08Х18Н8Д3Б в процессе многократной ковки при различных температурах: а – 500 °С; б – 800 °С.

Другая тенденция образования новых зерен наблюдается при температуре 500 °С (рис. 4). На ранних стадиях деформации внутри исходных зерен формируется пространственная сетка субзеренных границ. В процессе дальнейшей деформации разориентировка таких субграниц растет до значений, характерных для границ зерен общего типа.

pic_79.tif

Рис. 3. Типичная микроструктура стали 08Х18Н8Д3Б после многократной ковки до истинной степени деформации 0,8 при температуре 800 °С

pic_80.tif

Рис. 4. Типичная микроструктура стали 08Х18Н8Д3Б после многократной ковки до истинной степени деформации 1,2 при температуре 500 °С.

В результате микроструктурных исследований было установлено, что в зависимости от температуры деформации структурные изменения определяются действием различных механизмов динамической рекристаллизации. Так, при горячей деформации при температуре 800°С новые зерна образуются по механизму прерывистой динамической рекристаллизации. В процессе прерывистой динамической рекристаллизации зародыши новых зерен образуются благодаря локальному выпучиванию границ деформированных зерен; затем новые зерна растут, поглощая при этом деформированную матрицу.

При дальнейшей деформации рекристализованные зерна деформируются, что приводит к новому циклу рекристаллизации, когда новые зерна образуются в уже рекристаллизованной и затем деформированной микроструктуре. Таким образом, рекристаллизованная микроструктура состоит из двух структурных компонентов, т.е. рекристаллизованной и деформированной. В результате конечный зернограничный ансамбль характеризуется наличием границ рекристаллизованных зерен и границ деформационного происхождения.

В отличие от горячей деформации формирование новых зерен при более низких температурах, в данном случае 500 °С, не идет по механизму прерывистой динамической рекристаллизации. Это обусловлено замедлением диффузионных процессов и, как следствие, низкой подвижностью границ зерен. В таких условиях развивается непрерывная динамическая рекристаллизация. В отличие от прерывистой динамической рекристаллизации процесс непрерывной динамической рекристаллизации не сопровождается существенным ростом рекристаллизованных зерен. Микроструктура, развивающаяся в результате непрерывной динамической рекристаллизации, состоит из многочисленных деформационных субзерен, угловые разориентировки между которыми возрастают до значений, свойственных обычной высокоугловой границе. Границы зерен после непрерывной рекристаллизации соответствуют границам зерен в деформированной микроструктуре.

Заключение

Многократная ковка при 500 и 800 °С приводит к формированию ультрамелкозернистой микроструктуры со средним размером зерен 0,22 и 0,69 мкм, соответственно. В обоих случаях доля высокоугловых границ составляет 50–55 %. Однако микроструктура, сформированная при 800 °С, характеризуется высокой долей специальных двойниковых границ, которые составляют более 20 % всех высокоугловых границ зерен. Формирование таких структур происходит по различным механизмам динамической рекристаллизации. Так, непрерывная динамическая рекристаллизация при 500 °С приводит к развитию границ зерен деформационного происхождения, в то время как прерывистая динамическая рекристаллизация в процессе деформации при 800 °C сопровождается миграцией границ зерен и образованию двойников отжига.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Рецензенты:

Кайбышев Р.О., д.ф.м.н., профессор кафедры «Материаловедение и нанотехнологий», руководитель лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород;

Иванов О.Н., д.ф.м.н., руководитель Центра коллективного пользования научным оборудованием НИУ «БелГУ» «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 29.11.2012.