Формирование структуры и кристаллографической текстуры в изделиях из перспективных реакторных сталей с оцк-структурой при пластической деформации и термообработке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Доброхотов Петр Леонидович

• Доброхотов Петр Леонидович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Доброхотов Петр Леонидович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Кристаллографическая текстура, структура и свойства сталей с ОЦК структурой при

различных видах их обработки

1.1. Способы описания кристаллографической текстуры сталей с ОЦК-структурой

1.2. Текстура и структура ОЦК сталей при их горячей прокатке

1.3. Изменения текстуры и структуры ОЦК сталей при холодной прокатке

1.4. Изменение кристаллографической текстуры в ОЦК сталях при различных видах

термообработки

1.5. Влияние кристаллографической текстуры сталей с ОЦК-структурой на анизотропию

механических свойств

Выводы к главе

Глава 2. Методы анализа образцов листов и труб из сталей с ОЦК-структурой

2.1 Рентгеновские методы исследования структурно-фазового состояния и текстуры

оболочечных труб

2.1.1 Метод рентгеновского фазового анализа

2.1.2 Метод анализа профиля рентгеновских дифракционных максимумов

2.1.3 Особенности метода построения полюсных фигур

2.1.4 Метод восстановления функции распределения ориентаций

2.2. Метод определения анизотропии механических свойств с учетом кристаллографической

текстуры

2.2.1. Расчет анизотропии модуля Юнга

2.2.2. Расчет анизотропии пластической деформации и предела текучести

2.3. Особенности подготовки образцов из труб разного диаметра для исследования структурно-

фазового состояния и текстуры

Выводы по главе

Глава 3. Закономерности формирования кристаллографической текстуры и механические

свойства изделий из сталей с ОЦК-структурой при их горячей прокатке

3.1. Исследованные образцы

3.2. Неоднородность текстуры и структуры по толщине горячекатаных листов

3.3. Механизмы формирования послойной структурной и текстурной неоднородности в

горячекатаных сталях с ОЦК-структурой

3.4. Влияние текстурной и структурной неоднородности горячекатаных сталей с ОЦК-

структурой на их механические свойства

Выводы к главе

Глава 4. Основные закономерности формирования кристаллографической текстуры в изделиях из

ферритно-мартенситных сталей при их холодной прокатке

3

4.1. Описание исследованных образцов

4.2. Закономерности формирования кристаллографической текстуры при холодной прокатке

листов из ферритно-мартенситных сталей

4.3. Особенности формирования кристаллографической текстуры при холодной прокатке труб

из ферритно-мартенситной стали

4.3.1. Общие закономерности развития текстуры

4.3.2. Вариации в интенсивности текстуры в зависимости от марки стали

4.3.3. Вариации в интенсивности текстуры по толщине прокатанных труб

4.4 Влияние геометрических параметров прокатки труб на текстуру сталей с ОЦК-

структурой

4.5. Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию механических свойств

ферритно-мартенситных сталей после их холодной прокатки

Выводы к главе

Глава 5. Закономерности изменения кристаллографической текстуры в сталях с ОЦК структурой

при их термообработке и длительной изотермической выдержке

5.1. Исследованные образцы

5.2. Влияние отжига на кристаллографическую текстуру и структурное состояние ферритно-

мартенситных сталей

5.3. Влияние режимов закалки и отпуска на кристаллографическую текстуру и структурное

состояние ферритно-мартенситных сталей

5.4. Влияние длительной изотермической выдержки на кристаллографическую текстуру и

структурное состояние ферритно-мартенситных сталей

5.5. Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию механических свойств

ферритно-мартенситных сталей после их термообработки

Выводы к главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Приложение. Акт внедрения

4

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ НАИМЕНОВАНИЙ

ОЦК – объемно-центрированная кубическая;

ЯЭУ – ядерные энергетические установки;

ДУО – дисперсно-упрочняющие оксиды;

ППФ – прямая полюсная фигура;

ФРО – функция распределения ориентаций;

НП – направление прокатки;

ПН – поперечное направление;

НН – нормальное направление;

НИР – научно исследовательская работа;

EBSD – electron back scattering diffraction;

VPSC – visco-plastic self-consistent;

ГЦК – гранецентрированная кубическая;

ДДС – динамическое деформационное старение;

ARB – accumulative roll bonding;

IF – interstitial free;

ТТО – традиционная термическая обработка;

КТО – комбинированная термическая обработка;

ОПФ – обратная полюсная фигура;

ADC – arbitrarily defined cells;

НППФ – неполная полюсная фигура;

РЭМ – растровая электронная микроскопия;

Labotex – оригинальный софт для обработки экспериментальных полюсных фигур;

MTEX – набор инструментов для пакета Matlab для обработки экспериментальных полюсных

фигур;

ОС – ориентационные соотношения;

КЗ – ОС Курдюмова-Закса;

НВ – ОС Нишиямы-Вассермана;

5

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и кристаллографической текстуры в изделиях из перспективных реакторных сталей с оцк-структурой при пластической деформации и термообработке»

Актуальность проблемы

В ядерных энергетических установках (ЯЭУ), работающих на быстрых нейтронах, огромную

роль играют конструкционные стали. В данный момент в качестве оболочек твэлов в реакторах

БН-600 и БН-800 выступают изделия, изготовленные из стали марки ЧС-68 аустенитного класса.

Тем не менее, эксплуатационные характеристики этой стали не отвечают поставленным задачам

по увеличению степени выгорания ядерного топлива, что включает в себя повышение

накопленной дозы и степени радиационных повреждений. В качестве альтернативы

рассматривается использование сталей ферритно-мартенситного класса с ОЦК структурой, ввиду

их более высокой радиационной стойкости. К примеру, в реакторе БРЕСТ-ОД-300 в качестве

оболочек твэлов и других конструкционных элементов планируется использование стали марки

ЭП823 ферритно-мартенситного класса. Кроме того, одним из направлений развития

конструкционных материалов является добавление в стали ферритно-мартенситного класса

наноразмерных упрочняющих частиц, как правило, оксидов Y2O3, которые повышают

жаропрочность матрицы (ДУО-стали). Это позволит использовать их в активной зоне ЯЭУ при

более высоких температурах, а также делает ДУО-стали одним из кандидатов для использования

в первой стенке будущих термоядерных установок.

Для точного прогнозирования эксплуатационных свойств изделий из перспективных ОЦК

сталей необходимо знать их структуру и кристаллографическую текстуру. И если исследования

структуры для данных сталей проводятся в исчерпывающем объеме, то сведения о

закономерностях формирования текстуры при изготовлении изделий из данных сталей

практически отсутствуют. Кроме того, обработка металлов деформацией, в частности, холодная и

горячая прокатка приводят к формированию в изделиях послойной текстурной неоднородности.

Степень неоднородности зависит от условий деформации, поэтому знание характера данной

зависимости позволяет изменять степень неоднородности в изделиях для достижения

необходимых свойств.

Современные металлические изделия, используемые в наукоёмких технологических

установках, изготавливаются по сложным и многоступенчатым маршрутам, которые включают в

себя такие операции, как горячая прокатка, холодная прокатка, термообработка и т.д. Каждый из

этапов изготовления приводит к изменениям кристаллографической текстуры и структуры, что

предопределяет эксплуатационные свойства готового изделия. Кристаллографическая текстура

является основным источником анизотропии физико-механических свойств поликристаллических

материалов. К тому же, она является чувствительным индикатором механизмов пластической

 6

деформации, рекристаллизации и фазовых превращений, реализующихся в процессе изготовления

изделия.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью выявления

закономерностей формирования кристаллографической текстуры, используемой для

прогнозирования свойств, в изделиях из перспективных реакторных сталей с ОЦК-структурой.

Цель работы

Целью работы являлось установление закономерностей формирования

кристаллографической текстуры в листах и трубах из перспективных реакторных сталей с ОЦК-

структурой при пластической деформации и термообработке и выявление пределов варьирования

анизотропии физико-механических свойств изделий.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи.

• Выявление закономерностей и механизмов формирования текстурной и структурной

неоднородностей при горячей прокатке стали 55ХН2МА-Ш и их влияния на механические

свойства горячекатаных листов.

• Установление пределов варьирования кристаллографической текстуры в изделиях из

перспективных реакторных ферритно-мартенситных сталей после их холодной прокатки и

термообработки по различным режимам.

• Выявление факторов, влияющих на развитие послойной текстурной неоднородности труб.

Оценка влияния ДУО частиц на формирование кристаллографической текстуры при

холодной прокатке.

• Установление закономерностей изменения структуры и текстуры ферритно-мартенситных

сталей в результате длительной изотермической выдержки.

• Оценка вклада кристаллографической текстуры в анизотропию механических свойств

ферритно-мартенситных сталей.

Научная новизна работы:

• На примере стали 55ХН2МА-Ш впервые обнаружена послойная неоднородность

анизотропии механических свойств горячекатаных листов, обусловленная особенностями

преимущественной ориентации зерен и затруднением скольжения дислокаций по

плоскостям {112}.

• Впервые установлены закономерности формирования текстуры в листах и трубах из

перспективных реакторных ферритно-мартенситных сталей марок ЭП450 ДУО, ЭП823,

ЧС139, ЭК181 при их холодной прокатке, заключающиеся в росте текстурных компонент

 7

{100}<011>, {112}<110>, {111}<110>, {111}<112>, перечисленных в порядке убывания их

интенсивности.

• Впервые показано, что дисперсные наночастицы оксида иттрия тормозят процесс развития

кристаллографической текстуры при холодной прокатке вследствие их равновероятного

упрочняющего воздействия на все системы скольжения.

• Впервые теоретически и экспериментально показано влияние исходной горячей

деформации, геометрии прокатки и промежуточной термообработки на неоднородность

текстуры по толщине стенки труб из перспективных реакторных ферритно-мартенситных

сталей.

• Впервые выявлено влияние неоднородности текстуры, сформированной при холодной

прокатке, на изменения структуры и текстуры при различных видах термической обработки

труб из сталей ЭП450 ДУО, ЭП823, ЧС139 и ЭК181, заключающееся в том, что внутренние

слои труб претерпевают более интенсивные изменения текстуры и структуры при их

термической обработке.

Теоретическая и практическая значимость работы

Практическая значимость заключается в разработке рекомендаций по оптимизации

технологического маршрута изготовления оболочек твэлов из ферритно-мартенситных сталей для

снижения в них послойной неоднородности кристаллографической текстуры (акт об

использовании результатов работы в АО ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, являющимся головным

разработчиком изделий для ядерной энергетики). Установленные закономерности эволюции

кристаллографической текстуры из ферритно-мартенситных сталей при их холодной прокатке

позволяют оценивать анизотропию физико-механических свойств и пределы её варьирования в

изделиях, изготовленных по многоступенчатым маршрутам.

Теоретическая значимость работы состоит в установлении механизма влияния

кристаллографической текстуры и определенным образом ориентированного цементита на

неоднородность анизотропии свойств горячекатаных листов из ОЦК-стали. С помощью

моделирования процесса прокатки труб с использованием ПО МТЕХ обнаружено влияние Q-

фактора на кристаллографическую текстуру труб из ОЦК-сталей при их холодной прокатке.

Полученные в ходе диссертационного исследования результаты использованы при

выполнении НИР по проектам:

– проект РФФИ №16-32-00180 мол_а на выполнение НИР по теме «Влияние неоднородности

горячекатаных листов из ферритной стали на их механические свойства» в 2016-2017 годах,

руководителем работ являлся соискатель диссертации.

 8

– договор с АО «ВНИИНМ» на выполнение НИР от 01.04.2013 г. № 00-3-700-0868/320-1

«Проведение технологических и материаловедческих исследований перспективных

конструкционных материалов».

– договор с АО «ВНИИНМ» на выполнение НИР от 29.05.2015 г № 00-3-700-1153/320-1

«Проведение технологических и фундаментальных исследований перспективных

конструкционных материалов».

– договор с АО «ВНИИНМ» на выполнение НИР от 28.04.2016 г № 00-3-700-0248/320-1

«Моделирование поведения оксидного слоя, образовавшегося на поверхности образцов из стали

ЭП823 при взаимодействии со свинцовым теплоносителем, в процессе облучения в БР с ТЖМТ.

Изучение формирования структуры и текстуры оболочечных труб из ферритно-мартенситных

сталей в различных исходных состояниях методами рентгеновского анализа».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально установленная зависимость анизотропии механических свойств

горячекатаных листов из стали 55ХН2МА-Ш от неоднородности кристаллографической

текстуры и структурного состояния, а также механизм упрочнения скольжения по

плоскостям {112}.

2. Выявленные закономерности формирования кристаллографической текстуры в листах и

трубах из сталей ЭП450 ДУО, ЭП823 ДУО, ЭП823, ЧС139, ЭК181 при холодной прокатке

и механизмы замедления скорости роста компонент текстуры холодной прокатки в

ферритно-мартенситных сталях в присутствии упрочняющих оксидных наночастиц.

3. Особенности формирования послойной текстурной неоднородности и анизотропии

механических свойств в трубах из сталей ЭП450 ДУО, ЭП823 ДУО, ЭП823, ЧС139, ЭК181

при холодной прокатке, определяющиеся исходной неоднородностью горячекатаной

трубной заготовки, геометрией холодной прокатки и режимами промежуточных

термообработок.

4. Экспериментально установленные закономерности изменения кристаллографической

текстуры и структуры труб из сталей ЭП450 ДУО, ЭП823, ЧС139, ЭК181 в результате

термообработки по различным режимам и длительной изотермической выдержки до 13300

часов.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Полученные результаты по формированию кристаллографической текстуры в изделиях из

сталей с ОЦК-структурой согласуются с известными экспериментальными и теоретическими

данными для других марок стали. Экспериментальные результаты, полученные методами

 9

рентгеновского анализа, электронной микроскопии, а также механические свойства, измеренные

методами наноиндентирования и испытаний на растяжение, согласуются между собой.

Личный вклад автора

Адаптация известных рентгеновских методик, изготовление образцов из ферритно-

мартенситных сталей, проведение съемок на рентгеновских дифрактометрах, механические

испытания и последующий анализ результатов проведены лично автором или при его

непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке задач, планировании

экспериментов и обсуждении результатов.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих

конференциях: XII-я Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2014); международная

школа-конференция «Материалы для экстремальных условий эксплуатации: разработка,

получение и применение» (Москва, 2014); Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015 (Москва, 2015); V

Российско-японский Научно-технический семинар: «Современные методы исследования

структуры материалов и их применения в материаловедении» (Москва, 2015); 10 международная

школа-конференция «Материалы для экстремальных условий эксплуатации: Разработка,

получение и применение» (Москва, 2015); IV и V международная молодежная научная школа-

конференция «Современные проблемы физики и технологий» (Москва, 2015, 2016); VI

Международная конференция «Деформация и Разрушение Материалов и Наноматериалов»

(Москва, 2015); XXIII Уральская школа металлов-термистов, посвященная 100-летию со дня

рождения профессора А.А. Попова «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и

сплавов» (Тольятти, 2016); VIII-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность

неоднородных структур ПРОСТ-2016" (Москва, 2016); Летняя школа RACIRI Summer School 2016,

Convergent science and technology for society (Санкт-Петербург, 2016); 13-ая международной

школа-конференция «Жизненный цикл материалов: старение и деградация материалов в процессе

эксплуатации ЯЭУ» (Москва, 2016); 15-ая международной школы-конференции для молодых

ученых и специалистов «Новые материалы – материалы инновационной энергетики: разработка,

методы исследования и применение» (Москва, 2017); 20-ая международная конференция по

деформации металлов ESAFORM-2017 (Дублин, 2017), семинар «Конструкционные материалы

активных зон быстрых и термоядерных реакторов» КОМАЗ-2017 (Москва, 2017), 22-ая

международная конференция по деформации металлов ESAFORM-2019 (Испания, 2019).

 10

Публикации

По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 6 – статей в реферируемых журналах,

входящих в перечень ВАК, 4 статьи входят в международную базу данных цитирования Scopus.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 109 страницах, содержит 65 рисунков, 15 таблиц,

состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы из 90 наименований.

 11

Глава 1. Кристаллографическая текстура, структура и свойства сталей с ОЦК

структурой при различных видах их обработки

1.1. Способы описания кристаллографической текстуры сталей с ОЦК-структурой

Кристаллографическую текстуру, как преимущественную ориентацию

кристаллографических осей, связанных с кристаллической решеткой зерен, относительно

внешних специально выбранных осей изучаемого образца в литературе и в научной практике чаще

всего представляют графически на прямых полюсных фигурах (ППФ) и с помощью функции

распределения ориентаций (ФРО) [1-7]. На рисунке 1.1 представлены схематичные изображения,

показывающие распределение на стереографической проекции нормалей к плоскостям типа {110},

{100}, которые чаще всего используются для описания текстуры ОЦК-материалов. В качестве

внешних осей, расположение которых также отмечено на рис. 1.1, выбраны направления,

связанные с деформацией листа прокаткой: направление прокатки (НП), поперечное направление

(ПН), нормальное направление (НН, на рисунке не указано, т.к. направлено перпендикулярно

плоскости листа (расположено в центре стереографической проекции).

Рисунок 1.1. Схематическое изображение на стереографической проекции выходов осей

основных текстурных компонент

Более подробное описание текстуры может быть получено путем восстановления из

экспериментальных данных ФРО, которая является распределением в координатах углов Эйлера

(углы поворота системы координат, связанной с кристаллической решеткой относительно системы

координат, связанной с образцом) нормированной функции, отражающей частоту появления

определенной ориентации g = {φ1, Ф, φ2} [4]. Для ОЦК-металлов основные текстурные

компоненты располагаются в сечении ФРО φ2 = 45о, что позволяет рассматривать

 12

кристаллографическую текстуру на двумерном изображении. На рисунке 1.2 показано сечение

ФРО φ2 = 45о с указанием положения типичных текстурных компонент ОЦК-металлов.

В [5-8] отмечается, что кристаллографическая

текстура, сформированная в результате разных

процессов (горячая прокатка, холодная прокатка,

рекристаллизация) в ОЦК сталях описывается

практически непрерывным расположением

текстурных компонент вдоль определенных осей,

которые при визуальном рассмотрении сливаются в

протяженный максимум. Такое распределение

получило в литературе название «волокна» (fiber).

Всего для ОЦК-материалов отмечается несколько

волокон, перечисление которых с указанием

Рисунок 1.2. Сечение ФРО φ2 = 45о с

соответствующих компонент представлено в

указанием основных текстурных

таблице 1.1. Наиболее важными волокнами

компонент и волокон [9]

считаются α-волокно и γ-волокно (рис. 1.2), так как

в них располагаются практически все основные текстурные компоненты ОЦК-металлов.

Таблица 1.1. Основные текстурные волокна для ОЦК-материалов [5-8,10]

Волокно соответствующая ось Прилегающие компоненты текстуры

α <110> || НП {001}<110>-{112}<110>-{111}<110>

γ <111> || НН {111}<110>-{111}<112>

η <001> || НП {001}<100>-{011}<100>

{011}<100>-{011}<211>-{011}<111>-

ζ <011> || НН

{011}<011>

{001}<110>-{112}<111>-{111}<112>-

ε <110> || ПН

{011}<100>

1.2. Текстура и структура ОЦК сталей при их горячей прокатке

Как правило, горячая прокатка проводится при температурах выше температуры фазового

превращения [11].

В ряде работ [12-22] отмечается, что при горячей прокатке сталей с ОЦК структурой

наблюдается существенная послойная неоднородность текстуры и микроструктуры по толщине.

 13

Авторы большинства работ пользуются безразмерным параметром S для определения

исследуемого слоя по толщине листа: S=(t0-t)/t0, где t - расстояние данного слоя от поверхности

листа, 2t0 - исходная толщина листа.

В [6-8] проведена систематизация данных о кристаллографической текстуре,

формирующейся в сталях Fe-3Si, Fe-11Cr, Fe-16Cr, Fe-17Cr. Приводится описание неоднородности

текстуры и микроструктуры, имеющей следующий характер. В поверхностных слоях (S=1,0-0,8)

формируются компоненты {110}<001> (компонента Госса), {011}<112>, {112}<111> (компонента

меди). Большая часть зерен в этих слоях является равноосными, рекристаллизованными.

В центральных слоях формируются

компоненты, принадлежащие α-волокну

{hkl}<110> и γ-волокну {111}<uvw>, а

наиболее выраженными компонентами

текстуры являются {100}<011>, {211}<011>,

{111}<011>, {111}<112>. Зерна в

центральных слоях имеют удлиненную

плоскую форму, присутствует небольшая доля

равноосных рекристаллизованных зерен. На

рисунке 1.3 показано распределение

текстурных компонент {001}<110> и

Рисунок 1.3. Изменение по толщине листа из {110}<001> (Goss) вдоль толщины

стали Fe-17Cr функции ФРО f(g) для

компонент {001}<110> и {110}<001> [5] горячекатаного листа из стали Fe-17Cr.

Неоднородность микроструктуры и

соответствующая текстурная неоднородность показаны на рисунке 1.4 [12], сделанной с помощью

методики дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD-карты) перпендикулярно ПН.

Несколько карт на данном рисунке сшиты в одно изображение, охватывающее половину толщины

исследованного образца из стали Fe-17%Cr. Как следует из рисунка, поверхностные слои

характеризуются зернами различной формы и размеров, четко различаются крупные

рекристаллизованные зерна. В центральных слоях преобладают вытянутые вдоль НП зерна,

наблюдается слоистая структура, характерная для деформации прокаткой. Ориентации зерен,

полученные с помощью данных карт, соответствуют ориентациям, описанным выше.

 14

Рисунок 1.4. EBSD карта образца Fe-17%Cr после горячей прокатки, снятая с ПН [12]

Стали с низким содержанием углерода (0,004%С и 0,023%С) после их горячей прокатки

согласно [13] также отличаются неоднородностью текстуры по толщине. Поверхностные слои в

них обладают текстурой Госса {110}<001>, а центральные стандартными компонентами,

соответствующими α- и γ-волокнам.

В работе [14] для стали Fe-17%Cr применялась горячая прокатка при разных температурах

так, что конечный проход в одном случае проводился при температуре 930оС, а в другом – при

620оС. Отмечено, что в случае высокой температуры прокатки (930оС) интенсивность (острота)

текстуры поверхности ниже, чем в случае прокатки при менее высокой температуре (620оС). При

этом, в центральных слоях прокатка с высокой температурой приводит к формированию острых

компонент α-волокна, а в случае менее высокой температуры в центральных слоях формируются

α- и γ-волокна с равной интенсивностью компонент. Формирование текстуры поверхности в

данной работе объясняется воздействием сдвиговой деформации, связанной с трением между

валками и поверхностью листа, однако различие в остроте текстуры никак не пояснено. Различие

в компонентах текстуры центральных слоев при разной температуре прокатки связано авторами с

влиянием динамического старения (возврата), протекающего в стали с высокой температурой

прокатки, тогда как в стали с менее высокой температурой динамический возврат не начинается.

В работах [15, 16] рассмотрено влияние стратегии прокатки на неоднородность текстуры

стали Fe-3Si. Выявлено, что постепенное уменьшение степени обжатия при горячей прокатке

снижает уровень неоднородности, т.к. влияние высокого уровня деформации на начальных

стадиях при более высокой температуре нивелируется за счёт процесса рекристаллизации, а малые

степени обжатия при последующих стадиях уже не способны привести к значительному

изменению кристаллографической текстуры [15]. Влияние рекристаллизации и степени обжатия

отмечается и в работе [16]: авторы указывают, что снижение степени рекристаллизации и

увеличение степени деформации за проход приводят к формированию более острой компоненты

 15

Госса {110}<001> в поверхностных слоях. В той же работе отмечается, что использование смазки

при прокатке снижает интенсивность компоненты {110}<001> в поверхностных слоях.

В исследовании [17] более детально рассмотрено влияние смазки на развитие текстурной

неоднородности на примере горячей прокатки чистого железа. Авторами показано, что

применение сложноэфирного синтетического масла приводит к исчезновению в поверхностных

слоях компонент текстуры Госса, присущей горячей прокатке. По всей толщине листа отмечается

преобладание компонент {111}<uvw>. Дополнительно авторами исследовано влияние смазки на

сдвиговую деформацию по толщине листа, и показано, что применение масла значительно

уменьшает сдвиговую компоненту тензора деформации, реализующуюся при прокатке.

Таким образом, большинство работ связывает механизм формирования текстурных

компонент, присущих для поверхностных слоев горячекатаных листов, с влиянием деформации

сдвига. В работе [18] проведена намеренная деформация сдвигом стали Fe-17%Cr –

«скальпирование» поверхностного слоя на разной глубине. Показано, что в приповерхностных

слоях после деформации сдвигом появляется компонента {110}<001>, характерная для

поверхностных слоев горячекатаного материала. В той же работе авторами продемонстрировано,

как показано на рисунке 1.5, что интенсивность компоненты Госса коррелирует с величиной

сдвиговой деформации, изменяющейся по толщине прокатанного листа. В зависимости от

скорости прокатки максимум интенсивности компоненты Госса и сдвиговой деформации может

смещаться на разную глубину. Авторами также отмечается, что процесс рекристаллизации,

который может произойти при горячей прокатке, как правило, приводит к снижению текстурной

неоднородности.

В [14, 19, 20] разными авторами

проведено моделирование горячей прокатки с

целью установления связи деформации сдвига

с кристаллографической текстурой. В

дополнение к компонентам тензора

деформации ε11 = -ε33, предполагаемым в

приближении плоской деформации, авторами

задана деформация сдвига ε13. На рисунке 1.6

показана схема, иллюстрирующая геометрию

прокатки и соответствующее послойное

изменение указанной компоненты. В работе

[19] указано, что геометрия деформации в зоне

Рисунок 1.5. Корреляция компонент текстуры

и сдвиговой деформации на разной толщине под валком приводит не только к

листа из стали после горячей прокатки [18] возникновению дополнительной сдвиговой

 16

компоненты, но и создает условия, при которых изменяется знак этой компоненты в тензоре

деформации. Скорость течения материала в зоне входа V0, т.е. слева от нейтральной точки (рис.

1.6) меньше, чем скорость вращения валка. В зоне выхода же скорость течения материала Ve

больше скорости вращения валка. Это приводит к тому, что знак сдвиговой компоненты ε13

изменяется: положительный на входе, отрицательный на выходе из зоны пластической

деформации, а в нейтральной точке ε13 = 0.

Рисунок 1.6. Схема прокатки и распределение компонент деформации по сечению

прокатываемого листа [19]

В работах [14, 19] проведено моделирование прокатки с помощью метода конечных

элементов. На рисунке 1.7 показано распределение компоненты тензора скоростей деформации

для разных слоев по толщине листа, полученное в данных исследованиях. Отмечено, что величина

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Доброхотов Петр Леонидович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Вишняков Я.Д. [и др.]. Теория образования текстур в металлах и сплавах / Я.Д. Вишняков,

А.А. Бабарэко, С.А. Владимиров, И.В. Эгиз, Москва: Наука, 1979. 343 c.

2. Перлович Ю.А., Исаенкова М.Г. Структурная неоднородность текстурованных

металлических материалов / Ю.А. Перлович, М.Г. Исаенкова, Москва: НИЯУ МИФИ, 2015. 396 c.

3. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. В 7 т. / Под общей ред. Б.А. Калина. –

М.: МИФИ, 2012. Том 1. Физика твердого тела. / Г. Н. Елманов, А.Г. Залужный, В.И. Скрытный,

Е.А. Смирнов, Ю.А. Перлович, В.Н. Яльцев. – М.: МИФИ, 2012. – 764 с.

4. Bunge H.J. Texture Analysis in Materials Science / H.J. Bunge, Wolfratshausen: Helga and Hans-

Peter Bunge, 2015. 595 p.

5. Raabe D. Overview on Basic Types of Hot Rolling Textures of Steels // Steel Research. 2003. №

5 (74). p. 327–337.

6. Hölscher M., Raabe D., Lücke K. Rolling and recrystallization textures of bcc steels // Steel

Research. 1991. № 12 (62). p. 567–575.

7. Raabe D., Lücke K. Rolling and Annealing Textures of BCC Metals // Materials Science Forum.

1994. (157–162). p. 597–610.

8. Kestens L.A.I., Pirgazi H. Texture formation in metal alloys with cubic crystal structures //

Materials Science and Technology. 2016. № 13 (32). C. 1303–1315.

9. Lee K.M. [и др.]. Effect of hot band grain size on development of textures and magnetic

properties in 2.0% Si non-oriented electrical steel sheet // Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

2015. (396). p. 53–64.

10. Siedel L.,Hölscher M., Lücke K. Rolling and Recrystallization Textures in Iron-3% Silicon //

Textures and Microstructures. 1989. (11) p. 171-185.

11. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. Учебник. / Новиков И. И. М.:

Металлургия, 1986. 480 с.

12. Huh M.-Y. [и др.]. Effect of Through-Thickness Macro and Micro-Texture Gradients on

Ridging of 17%Cr Ferritic Stainless Steel Sheet // steel research international. 2005. № 11 (76). C. 797–

806.

13. Gao F. [и др.]. Evolution of Through-Thickness Texture in Ultra Purified 17% Cr Ferritic

Stainless Steels // Journal of Iron and Steel Research, International. 2013. № 4 (20). C. 31–38.

14. Huh M.-Y. [и др.]. Evolution of through-thickness texture gradients in various steel sheets //

Metals and Materials. 1999. № 5 (5). C. 437–443.

 101

15. Matsuo M., Sakai T., Suga Y. Origin and development of through-the-thickness variations of

texture in the processing of grain-oriented silicon steel // Metallurgical Transactions A. 1986. № 8 (17).

C. 1313–1322.

16. Barrett C.J. Influence of lubrication on through thickness texture of ferritically hot rolled

interstitial free steel // Ironmaking & Steelmaking. 1999. № 5 (26). C. 393–397.

17. Shimizu Y., Ito Y., Iida Y. Formation of the Goss orientation near the surface of 3 pct silicon

steel during hot rolling // Metallurgical Transactions A. 1986. № 8 (17). C. 1323–1334.

18. Sakai T. [и др.]. Inhomogeneous texture formation in high speed hot rolling of ferritic stainless

steel. // ISIJ International. 1991. № 1 (31). C. 86–94.

19. Engler O., Tomé C.N., Huh M.-Y. A study of through-thickness texture gradients in rolled sheets

// Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. № 9 (31). C. 2299–2315.

20. Fedoseev A.I., Raabe D., Gottstein G. Texture Development and Simulation of Inhomogeneous

Deformation of FeCr during Hot Rolling // Materials Science Forum. 1994. (157–162). C. 1771–1776.

21. Perlovich Yu., Isaenkova M. Effects of Dynamical Deformation Ageing on Structure and

Texture of Hot-Rolled Sheets from Alloyed BCC Metals // International Journal of Material Forming.

2010. № S1 (3). C. 1143–1146.

22. Kang J. [и др.]. Improvement of strength and toughness for hot rolled low-carbon bainitic steel

via grain refinement and crystallographic texture // Materials Letters. 2016. (175). C. 157–160.

23. Shen X.J. [и др.]. Evolution of microstructure and crystallographic texture of microalloyed steel

during warm rolling in dual phase region and their influence on mechanical properties // Materials Science

and Engineering: A. 2017. (685). C. 194–204.

24. Zhang C., Liu Z., Wang G. Effects of hot rolled shear bands on formability and surface ridging

of an ultra purified 21%Cr ferritic stainless steel // Journal of Materials Processing Technology. 2011. №

6 (211). C. 1051–1059.

25. Barnett M.R., JONAS J.J. Influence of Ferrite Rolling on Microstructure and Texture in

Deformed Low C and IF steels 1997. № 7 (37). C. 697–705.

26. Siqueira R.P. [и др.]. Composition and orientation effects on the final recrystallization texture

of coarse-grained Nb-containing AISI 430 ferritic stainless steels // Materials Science and Engineering:

A. 2011. № 9 (528). C. 3513–3519.

27. Schlippenbach U. von, Emren F., Lücke K. Investigation of the development of the cold rolling

texture in deep drawing steels by ODF-analysis // Acta Metallurgica. 1986. № 7 (34). C. 1289–1301.

28. Yan H. [и др.]. Microstructure, texture and grain boundaries character distribution evolution of

ferritic stainless steel during rolling process // Journal of Materials Processing Technology. 2009. № 5

(209). C. 2627–2631.

 102

29. Гервасьева И.В., Зимин В.А. Текстурные и структурные преобразования в изотропной

электротехнической стали // Физика Металлов И Металловедение. 2009. № 5 (108). C. 482–493.

30. Xu Y. [и др.]. Effect of Cold Rolling Process on Microstructure, Texture and Properties of Strip

Cast Fe-2.6%Si Steel // Materials. 2018. № 7 (11). C. 1161.

31. Гервасьева И.В. Закономерности текстурных преобразований и роль мезоструктурных

неоднродностей в процессах деформации и рекристаллизации ОЦК и ГЦК металлических

материалов: дис. д-ра физ.-мат. наук. Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 2003.

32. Dillamore I.L., Roberts W.T. Rolling textures in f.c.c. and b.c.c. metals // Acta Metallurgica.

1964. № 3 (12). C. 281–293.

33. Raabe D. Simulation of rolling textures of b.c.c. metals considering grain interactions and

crystallographic slip on {110}, {112} and {123} planes // Materials Science and Engineering: A. 1995.

(197). C. 31–37.

34. Tikhovskiy I., Raabe D., Roters F. Simulation of the deformation texture of a 17%Cr ferritic

stainless steel using the texture component crystal plasticity finite element method considering texture

gradients // Scripta Materialia. 2006. № 8 (54). C. 1537–1542.

35. Yang H.P. [и др.]. Through-thickness shear strain control in cold rolled silicon steel by the

coupling effect of roll gap geometry and friction // Journal of Materials Processing Technology. 2010. №

12 (210). C. 1545–1550.

36. Yan H. [и др.]. Microstructure and texture of Nb+Ti stabilized ferritic stainless steel // Materials

Characterization. 2008. № 12 (59). C. 1741–1746.

37. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. / Хоникомб Р. - М.: Мир, 1972. - 408 с.

38. Ageev V.S. [и др.]. Structure and thermal creep of the oxide-dispersion-strengthened EP-450

reactor steel // The Physics of Metals and Metallography. 2008. № 3 (106). C. 318–325.

39. Nikitina A.A. [и др.]. Advances in Structural Materials for Fast-Reactor Cores // Atomic Energy.

2016. № 5 (119). C. 362–371.

40. Nikitina A.A. [и др.]. R&D of ferritic–martensitic steel EP450 ODS for fuel pin claddings of

prospective fast reactors // Journal of Nuclear Materials. 2012. № 1–3 (428). C. 117–124.

41. Gururaj K., Robertson C. Plastic Deformation in ODS Ferritic Alloys: A 3D Dislocation

Dynamics Investigation // Energy Procedia. 2011. (7). C. 279–285.

42. Ijiri Y. [и др.]. Consideration of the oxide particle–dislocation interaction in 9Cr-ODS steel //

Philosophical Magazine. 2017. № 13 (97). C. 1047–1056.

43. Kano S. [и др.]. Precipitation of carbides in F82H steels and its impact on mechanical strength

// Nuclear Materials and Energy. 2016. (9). C. 331–337.

 103

44. Jamaati R. [и др.]. Comparison of microparticles and nanoparticles effects on deformation

texture of steel-based composite and nanocomposite fabricated by the ARB process // Materials Science

and Engineering: A. 2014. (607). C. 173–187.

45. Hsun H. Texture of metals // Texture. 1974. (1). C. 233–258.

46. Okada H., Ukai S., Inoue M. Effects of Grain Morphology and Texture on High Temperature

Deformation in Oxide Dispersion Strengthened Ferritic Steels // Journal of Nuclear Science and

Technology. 1996. № 12 (33). C. 936–943.

47. Исаенкова М.Г. Закономерности развития кристаллографической текстуры и

субструктурной неоднородности в циркониевых сплавах при деформации и термообработке. /

Перлович Ю.А., Исаенкова М.Г., Москва: НИЯУ МИФИ, 2014. 528 c.

48. Abreu H.F.G. de [и др.]. Effect of high temperature annealing on texture and microstructure on

an AISI-444 ferritic stainless steel // Materials Characterization. 2006. № 4–5 (57). C. 342–347.

49. Fu J. [и др.]. Texture, orientation, and mechanical properties of Ti-stabilized Fe-17Cr ferritic

stainless steel // Materials Science and Engineering: A. 2018.

50. Lee K.-M. [и др.]. Effect of Texture Components on the Lankford Parameters in Ferritic

Stainless Steel Sheets // ISIJ International. 2012. № 3 (52). C. 522–529.

51. Oliveira V.B., Sandim H.R.Z., Raabe D. Abnormal grain growth in Eurofer-97 steel in the ferrite

phase field // Journal of Nuclear Materials. 2017. (485). C. 23–38.

52. Sinclair C.W. [и др.]. Recrystallization and Texture in a Ferritic Stainless Steel: an EBSD Study

// Advanced Engineering Materials. 2003. № 8 (5). C. 570–574.

53. Leng B. [и др.]. Effects of Two-Step Cold Rolling on Recrystallization Behaviors in ODS

Ferritic Steel // MATERIALS TRANSACTIONS. 2012. № 4 (53). C. 652–657.

54. Sandim H.R.Z. [и др.]. Annealing behavior of ferritic–martensitic 9%Cr–ODS–Eurofer steel //

Materials Science and Engineering: A. 2010. № 15 (527). C. 3602–3608.

55. Proceedings of the International Conference on microstructure and texture in steels and other

materials ; February 5-7, 2008, Jamshedpur, India под ред. A. Haldar [и др.]., London ; New York:

Springer, 2009. 488 c.

56. Ray R.K., Jonas J.J. Transformation textures in steels // International Materials Reviews. 1990.

(35). C. 36.

57. Hutchinson B., Kestens L.A.I. Origins of Texture Memory in Steels под ред. A.D. Rollett,

Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2008. 281–290 с.

58. Yoshinaga N., Kestens L., De Cooman B.C. α→γ→α Transformation Texture Formation at

Cold-Rolled Ultra Low Carbon Steel Surfaces // Materials Science Forum. 2005. (495–497). C. 1267–

1272.

 104

59. Zhang L., Yang P., Mao W. Opposite Relationship between Orientation Selection and Texture

Memory in the Deformed Electrical Steel Sheets during α→γ→α Transformation // Journal of Materials

Science & Technology. 2017. № 12 (33). C. 1522–1530.

60. Литовченко И.Ю., Полехина Н.А., Тюменцев А.Н. Влияние режимов термообработки на

микроструктуру и механические свойства жаропрочной ферритно-мартенситной 12%-ной

хромистой стали ЭК-181 // Вопросы Атомной Науки И Техники. Серия: Термоядерный Синтез.

2014. № 1 (37). C. 41–46.

61. Чернов В.М. [и др.]. Структурно-фазовые превращения и физические свойства ферритно-

мартенситных 12%-ных хромистых сталей ЭК-181 и ЧС-139 // Журнал Технической Физики. 2016.

№ 1 (86). C. 99–104.

62. Николаева Н.С. [и др.]. Оптимизация технологии термической обработки труб из

ферритно-мартенситных сталей ЭК181, ЧС139 // Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия:

Материаловедение И Новые Материалы. 2013. № 2. C. 45–58.

63. Litovchenko I.Yu. [и др.]. Влияние температуры отпуска на фазовые превращения в

ферритно-мартенситной 12%-ной хромистой стали ЭК-181 // Problems of Atomic Science and

Technology, Ser. Thermonuclear Fusion. 2014. № 1 (37). C. 34–41.

64. Gu T. [и др.]. Effect of Long-Term Thermal Aging on Microstructure and High-Temperature

Strength of a 10% Cr Martensite Ferritic Steel // steel research international. 2016. № 5 (87). C. 662–671.

65. Xu Y. [и др.]. Study on the nucleation and growth of M23C6 carbides in a 10% Cr martensite

ferritic steel after long-term aging // Materials Characterization. 2016. (111). C. 122–127.

66. Чернов В.М. [и др.]. Термическая стабильность микроструктуры 12%-ных хромистых

ферритно-мартенситных сталей в процессе длительного старения при высоких температурах //

Журнал Технической Физики. 2016. № 2 (86). C. 53–58.

67. Chernov V.M. [и др.]. Thermal stability of the microstructure of 12% chromium ferritic–

martensitic steels after long-term aging at high temperatures // Technical Physics. 2016. № 2 (61). C. 209–

214.

68. Yano Y. [и др.]. Tensile properties and hardness of two types of 11Cr-ferritic/martensitic steel

after aging up to 45,000 h // Nuclear Materials and Energy. 2016. (9). C. 324–330.

69. Oksiuta Z., Lewandowska M., Kurzydłowski K.J. Mechanical properties and thermal stability

of nanostructured ODS RAF steels // Mechanics of Materials. 2013. (67). C. 15–24.

70. Lu H.-H. [и др.]. Microstructural evolution, precipitation and mechanical properties of hot rolled

27Cr-4Mo-2Ni ferritic steel during 800 °C aging // Materials & Design. 2018. (160). C. 999–1009.

71. Xu Y. [и др.]. Study on the nucleation and growth of Laves phase in a 10% Cr martensite ferritic

steel after long-term aging // Journal of Alloys and Compounds. 2015. (621). C. 93–98.

 105

72. Kocks U.F., Tomé C.N., Wenk H.-R. Texture & Anisotropy / U.F. Kocks, C.N. Tomé, H.-R.

Wenk, Cambridge University Press, 1998. 676 c.

73. Archie F. [и др.]. Anisotropic distribution of the micro residual stresses in lath martensite

revealed by FIB ring-core milling technique // Acta Materialia. 2018. (150). C. 327–338.

74. Pecharsky V.K., Zavalij P.Y. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural

Characterization / V.K. Pecharsky, P.Y. Zavalij, Springer, 2009. 741 c.

75. Powder diffraction: theory and practice под ред. R.E. Dinnebier, S.J.L. Billinge, Cambridge:

Royal Society of Chemistry, 2008. 582 c.

76. Isaenkova M., Perlovich Yu.A., Fesenko V. Modern methods of experimental construction of

texture complete direct pole figures by using X-ray data. IOP Conf. Series: Materials Science and

Engineering, 2016, 130, 012057 doi:10.1088/1757-899X/130/1/012057.

77. Isaenkova M.G., Perlovich Yu.A., Krymskaya O.A., Fesenko V.A., Babich Y.A. Optimization

of the procedure for determining integral texture parameters of products from zirconium-based alloys

using the orientation distribution function. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016,

130, 012056 doi:10.1088/1757-899X/130/1/012056.

78. Perlovich Yu., Bunge H.J., Isaenkova M. The fullest description of the structure of textured

metal materials with generalized pole figures: The example of rolled Zr alloys // Materials Science Forum,

378-381, 2001, pp.180-185.

79. Bunge H.J., Park N.J., Klein H. ODF-Analysis / CuvillerVerlag, Gottingen, 1993.

80. K.Pawlik, P.Ozga: "LaboTex: The Texture Analysis Software",'Göttinger Arbeiten zur Geologie

und Paläontologie', SB4, 1999.

81. Bachmann F., Hielscher R., Schaeben H. Texture Analysis with MTEX – Free and Open Source

Software Toolbox // Solid State Phenomena. 2010. (160). C. 63–68.

82.Banabic D. Sheet metal forming processes: constitutive modelling and numerical simulation / D.

Banabic, Berlin ; New York: Springer, 2008. 301 c.

83. Bunge H.J. Some applications of the Taylor theory of polycrystal plasticity // Kristall und

Technik. 1970. № 1 (5). C. 145–175.

84. Bunge H.J. Program System: Physical Properties of Textured Materials / H.J. Bunge, Göttingen,

Cuvillier Verlag, 1993. 150 с.

85. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер, Москва: Мир, 1984. 428 c.

86. Zhou D.S., Shiflet G.J. Ferrite: Cementite crystallography in pearlite // Metallurgical

Transactions A. 1992. № 4 (23). C. 1259–1269.

87. Liu Y. [и др.]. Experiment investigation of deep-drawing sheet texture evolution // Journal of

Materials Processing Technology. 2003. № 1 (140). C. 509–513.

 106

88. Xie L. [и др.]. Formation of {100} textured columnar grain structure in a non-oriented electrical

steel by phase transformation // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014. (356). C. 1–4.

89. Hashimoto O., Satoh S., Tanaka T. Formation of α→γ→α Transformation Texture in Sheet Steel

// Transactions ISIJ. 1983. (23). C. 1028–1037.

90. Sung J.K. [и др.]. Efficient Generation of Cube-on-Face Crystallographic Texture in Iron and

its Alloys // ISIJ International. 2011. № 2 (51). C. 284–290.

 107

Приложение. Акт внедрения

108

109