Введение к работе
з
Актуальность темы
Современны!! уровень развития техники .требует создания конструкционных материалов, обладающих заранее заданным комплексом механических свойств, причем уровень требований постоянно повышается. Свойства материала определяются многими факторами - от его исходного химического состава и до режимов специальной обработки. Подбор оптимального состава и технологических параметров путем проведения соответствующих экспериментов является чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим, а во многих случаях и, вообще, невозмоясным из-за большого числа варьируемых параметров, а также из-за синергетических эффектов, возникающих при одновременном действии ряда факторов. По этой причине все большее значение приобретает оптимизация технологии и подбор состава с помощью компьютерного моделирования структурных превращений, которые происходят в материале на протяжешш всей технологической цепочки его производства и которыми, в конечном счете, определяются его свойства.
Основное требование, предъявляемое к малоуглеродистой тонколистовой стали, - это способность к глубокой вытяжке (иначе говоря, деформируемость), обеспечішающая возможность создашія из стального листа изделий сложной формы. Способность к вытяжке зависит от анизотропии пластичшости листа, которая, в свою очередь, определяется кристаллографической текстурой.
Текстура стального листа формируется на двух этапах технологического процесса: в ходе холодной прокатки и при последующем рекристаллизациогшом отжиге. Текстура прокатки практически не зависит от химического состава стали, и определяется степенью обжатия, которая обычно не может значительно варьироваться. С другой стороны, текстура рекристаллизации существенно зависит как от состава, так и от технологических параметров. Следовательно, именно с этапом рек-ристаллизационного отжига связана возможность оптимизации технологии с целью повышения способности к глубокой вытяжке. Таким образом, перед физическим материаловедением встает задача моделирования процесса формирования текстуры рекристаллизации.
Процессы, протекающие при рекристаллизации, включают в себя сложные коррелированные перемещения дислокаций и миграцию новых межзеренных гра-шщ. Формирующаяся при этом текстура является результатом взаимодействия и взаимовлияния многих факторов: энергетических (движущие силы, связанные с запасенной энергией пластической деформации), кинетических (подвижность дисло-кадий, дислокационных субграниц и границ зерен), структурных (локальная кри-
визна кристаллической решетки, связанная с неоднородіїостями микроструктуры пластически деформированного материала). Кроме того, на кинетику рекристаллизации может существенно повлиять наличие дисперсных выделений второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования рекристаллизации позволили в значительной мере вскрыть механизмы этого влияния. Большой вклад в исследование природы текстурообразования при рекристаллизации внесли работы отечест-вешиых ученых С.С. Горелика, В.Ю. Новикова и др. Однако вопрос количествешю-го описания формирования текстуры в условиях, которые соответствуют реальньш технологиями, оставался открытым. При изучении и описании рекристаллизации малоуглеродистой листовой стали, раскисленной алюминием, дополнительную сложность составляет взаимодействие рекристаллизации и процесса выделения частиц нитрида алюминия, которое, как предполагается, существенно влияет на тек-стурообразоваиие.
Целью работы
Целью работы является развитие компьютерной модели эволюции текстуры применительно к рекристаллизации малоуглеродистой листовой стали в ходе нагрева после холодной прокатки. В задачи работы входило:
-
Создание модели образования новых зерен с учетом ориентациошюй зависимости параметров субструктуры, сформировавшейся в результате холодной прокатки.
-
Анализ особенностей взаимодействия между процессами рекристаллизации и выделения нитрида алюминия при отжиге малоуглеродистой стали.
-
Создание модели формирования текстуры рекристаллизации, протекающей в условиях предварительного или одновременного выделения нитрида алюминия.
-
Разработка методики прогнозирования текстуры рекристаллизации малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия (в пределах марочного состава) и режима отжига.
Научная новизна
-
Предложена модель развития текстуры рекристаллизации, в которой ориентированное зарождение новых зерен определяется параметрами текстуры и субструктуры деформированного состояния.
-
Предложена модель образования зародышей рекристаллизации в результате селективного роста части субзерен, сформировавшихся в процессе холодной де-
формации и начальной стадии отжига, при наличии распределения мелкодисперсных частиц нитрида алюминия.
-
Показано, что оптимальная, с точки зрения достижения наилучшей деформируемости стального листа, скорость нагрева соответствует наибольшему перекрытию процессов рекристаллизации и выделения.
-
Показано, что рекристаллизация, протекающая одповремешю с выделением нитрида алюминия, существешю изменяет кинетику выделения.
-
Предложена гипотеза, согласно которой влияние рекристаллизации на выделе-іше нитрида алюминия связано с перераспределением азота из областей с нерек-ристаллизованной субструктурой на границы новых зерен.
-
Разработана методика, включающая калибровочные эксперименты и компьютерное моделирование, для прогнозирования текстуры малоуглеродистой стали в зависимости от содержания азота и алюминия и от режима отжига.
Научная и практическая ценность
Теоретический подход к моделированию рекристаллизации, развитый в работе примеїштельно к малоуглеродистой стали, может быть использован в качестве основы для моделирования текстурообразования, протекающего при неизотермических отжигах в различных металлах к сплавах. Результаты, полученные в диссертации, являются основой для компьютерной системы оптимизации состава и технологии производства .чистовой стали с целью достюкешм максимальной способности готового листа к глубокой вытяжке.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Модель зарождения новых зерен в процессе рекристаллизации малоуглеродистой стали, согласно которой они образуются в результате селективного роста части субзерен, сформировавшихся в процессе деформации и начальной стадии отжига, а влияние частиц нитрида алюминия на рекристаллизацию заключается в уменыпении доли субзерен, способных расти.
-
Объяснение природы формирования текстуры реіфксташшзащш в холоднокатаной малоуглеродистой стали на основе механизма ориентированного зарождения.
-
Результаты анализа взаимодействия между процессами рекристаллизации и выделения нитрида алюминия, согласно которым не только выделение контролирует ход рекристаллизации, но и рекристаллизация, протекающая одновременно с выделением, существешю изменяет кинетику последнего.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на российской научно-технической конференции «Инновациошше наукоемкие технологии» (СПбГТУ, 25-27 апреля, 1995, СПб); научном семинаре в техническом университете Гамбург-Харбург (TUHH) (25 ноября 1996, Харбург, Германия); X International Student's Symposium "Microcomputers in Engineering" (7-10 мая 1997, Лодзь-Шклярска По-ремба-Прага, Польша-Чехия); международной конференции «Высокие технологии в современном материаловеденье» (27-28 мая 1997, СПб); Internationa] workshop on new approaches to Hi-Tech meterials'97 "Nondestructive testing and computer simulation in material science and engineering" (NDTCS'97, 9-13 июня 1997, СПб); международной конференции «Textures and properties of material» - ICTPM'97 (28 сентября - 5 октября 1997, Екатеринбург);
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 115 стр., из них 10 - список литературы из 104 наименований и 25 листов шілюстраций.