» » Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования
27.01.2015

Практическое использование сверхмелкозернистых материалов возможно при условии стабильности их структуры в процессе эксплуатации при рабочих температурах. В чистых металлах движущая сила роста зерен настолько велика, что добиться сильного измельчения зерна в изделиях больших размеров весьма трудно. Одним из действенных способов сдерживания роста зерен является легирование сплавов. Введение легирующих добавок в твердый раствор или присутствие их в сплаве в качестве второй фазы заметно снижают подвижность границ зерен.
Цель данной статьи — дать обзор данных по влиянию легирования на рост зерен и рекристаллизацию и показать, каким образом эти результаты можно использовать при создании сплавов со сверхмелкозернистой структурой.
Рост зерен в чистых металлах

Простейшая теория дает закон роста зерен в виде:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

где D — диаметр зерна;
D0 — исходный диаметр зерна;
К — постоянная;
т — продолжительность выдержки при температуре Т.
Это выражение можно обобщить, сделав следующие допущения в отношении величины Q:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

где Q — энергия активации самодиффузии, дж/г*атом (ккал/г*атом);
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

где Q1 — энергия активации миграции границ зерен. Линейная зависимость энергии активации Q от температуры плавления сплава Тпл известна давно, а выбор коэффициента пропорциональности в уравнении (2) равным 35 был сделан, видимо, на основе данных работы. Справедливость равенства (2а) зависит от типа и количества присутствующих в сплаве примесей, движущей силы роста зерен и от ряда других факторов, рассмотренных в работах.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Полагая K=0,1 см/сек, из уравнений (1) и (2) получим:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Здесь Тн=Т/Тпл гомологическая температура.
Обозначим через т2х время, необходимое для удвоения диаметра исходного зерна. Приведенная серия прямых на рис. 1 иллюстрирует связь этого параметра с диаметром исходного зерна D0 и гомологической температурой Тн. Прямые построены в предположении, что диаметр исходного зерна удваивается за время т=1 сек при гомологической температуре Тн=0,6. Для различных металлов это соответствует температуре:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Принимая время в 1 сек за минимальное время процесса деформирования материалов, находим, что температура Тн=0,6 является, вероятно, тем верхним пределом, при котором могут обрабатываться чистые металлы со сверхмелкозернистой структурой.
Принимая т2х=1 году и диаметр исходного зерна D0=1 мкм, получим предельное значение рабочей температуры Tн=0,3.
Для различных металлов это соответствует:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Рост зерен в присутствии выделений

Частицы включений и выделения второй фазы существенно ограничивают рост зерен в металлах и сплавах.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Зенер и Смит получили выражение для диаметра максимального зерна в металлах при наличии включений:
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

где R — радиус включений;
F — объемная доля.
Последующая экспериментальная проверка и более тщательный теоретический анализ показали, что это выражение является достаточно точным. Прямые, приведенные на рис. 2, графически представляют соотношение (4) в диапазоне сверхмелкого зерна. Для того чтобы диаметр наибольшего зерна Dmax сплава был меньше 1 мкм, количество частиц второй фазы в нем должно составлять несколько объемных процентов, а диаметр этих частиц не должен превышать нескольких сот ангстрем.
Влияние легирования

В бинарных сплавах зависимость температуры рекристаллизации от содержания легирующего элемента является линейной, но при определенной (критической) концентрации на кривой этой зависимости наблюдается перелом.
При легировании переходных металлов температура рекристаллизации, как правило, повышается, причем влияние различных легирующих элементов неодинаково. Например, на температуру рекристаллизации железа титан влияет эффективнее, чем кобальт (рис. 3). Чем интенсивнее рост температуры рекристаллизации сплава при малых концентрациях легирующего элемента, тем быстрее происходит изменение наклона кривой состав — температура рекристаллизации.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

С увеличением содержания легирующего элемента температура рекристаллизации сплава повышается, что обусловливает снижение скорости роста зерен при какой-либо заданной температуре. Ho это справедливо только до определенной концентрации, выше которой скорость роста зерен снижается менее интенсивно и даже может возрастать (рис. 4). Вольфрам оказывает подобное влияние на свойства железа (рис. 5): из всех исследованных сплавов с различным содержанием вольфрама и одинаковым исходным размером зерна наиболее мелкозернистым после холодной деформации и отжига оказался сплав с содержанием вольфрама, близким к критической концентрации.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Теперь можно сформулировать ряд требований и условий, выполнение которых необходимо для успешного практического применения мелкозернистых материалов:
1. Температура рекристаллизации таких материалов должна быть достаточно высокой, чтобы иметь возможность повысить температуру их эксплуатации.
2. Температуру эту следует выбирать таким образом, чтобы за время службы не произошло значительного роста зерен материала.
3. Необходимо обеспечить минимальный рост зерен при горячей деформации мелкозернистых материалов и повысить стабильность конечной мелкозернистой структуры путем введения легирующих добавок в критических концентрациях, а также частицами выделений второй фазы, распределенными в сплаве.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Реальность и выполнимость требований и условий зависят от целого ряда факторов, влияние которых на свойства материалов было исследовано на примере сплавов на основе стали 1010 с различным содержанием вольфрама, выбранного в качестве ингибитора роста зерен. Вольфрам вводили в сплавы в количествах от 0,1 до 0,8% (по массе). Выплавку проводили в дуговой печи с защитной атмосферой. Полученные слитки ковали при 700—760° С суковом не менее трех. В этом температурном диапазоне сплавы претерпевают при ковке непрерывную рекристаллизацию, а размер карбидных частиц составляет менее 0,1 мкм. Зависимость величины зерна кованой стали 1010 от содержания вольфрама представлена кривой 1 на рис. 6: критическая концентрация вольфрама равна 0,17% (ат.). В результате последующей холодной деформации на 50% и отжига при 590° С в течение часа размер зерна уменьшился до 0,5 мкм для сплава с 0,17% (ат.) W (см. рис. 6, кривая 2); при других концентрациях это изменение было меньшим. Во всех сплавах форма и характер распределения карбидных частиц были одинаковыми. Рентгеноструктурный анализ показал, что все выделяющиеся частицы являются карбидами Fe3C.
Из рис. 6 следует, что в кованой стали 1010 без добавок вольфрама диаметр зерен составляет более 20 мкм. Холодной деформацией и рекристаллизацией зерно можно измельчить до 5 мкм. При легировании стали вольфрамом в количествах, меньших критической концентрации, размер зерна сплавов уменьшается незначительно; по достижении этой концентрации диаметр зерна кованого металла становится равным 5 мкм, а после холодной деформации и рекристаллизации 0,5 мкм, т. е. влияние вольфрама на величину зерна стали 1010 аналогично его влиянию на чистое железо (см. рис. 5).
В сплавах с содержанием 0,17% (ат.) W с повышением содержания углерода объемная доля карбидной фазы возрастает, что обусловливает измельчение зерна феррита (см. рис. 2).
Во всех исследованных сплавах зерно субмикронного порядка стабильно при 590° С (Тн=0,48) в течение более чем недели. При более высоких температурах оно может увеличиваться до 10 мкм.
Проведенные исследования показали, что если поддерживать температуру ковки рассматриваемых сплавов относительно постоянной (~700°С), то в сплаве с 0,17% (ат.) W можно измельчить зерно до 1 мкм. Последующей холодной деформацией и рекристаллизацией удается снизить эту величину до 0,3 мкм.
Получение сверхмелкозернистых сплавов методом контролируемого легирования

Для оценки эффекта изменения природы ингибитора роста зерен легирование вольфрамом заменяли на легирование ниобием, критическая концентрация которого оказалась равной 0,5% (ат.) для стали 1010, и влияние его на величину зерна стали было аналогично влиянию вольфрама. Используя холодную деформацию и рекристаллизацию, можно получить зерно субмикронного порядка и в сплавах с ниобием.
Диаграмма состав — температура рекристаллизации сплавов Fe-Nb отличается от большинства подобных диаграмм других бинарных систем на основе железа тем, что ниобий продолжает повышать температуру рекристаллизации сплава при легировании им в количествах, превышающих критическую концентрацию. По-этому для большей стабильности зерна при высоких температурах и повышения температуры превращения в стали 1010 несколько выше 900°С содержание ниобия доводили до 0,6% (ат.). Сплав деформировали при 840—870° С и после такой обработки он имел зерно величиной 0,8—1,0 мкм, причем оно было стабильно вплоть до температуры превращения (на рис. 1 это соответствует температуре, при которой зерно размером 1 мкм в чистом железе удваивается в диаметре менее чем за 1 сек).
Эффективность описанной обработки (ковка+холодная деформация+рекристаллизация) для металлов, имеющих г. ц. к. решетку, подтверждается и результатами, полученными на медном сплаве, содержащем 1,0% (по массе) Cr, 0,075% Ti и 0,1% Nb. Количество хрома в сплаве выше предела растворимости, вследствие чего выделяется вторая фаза. Титан и ниобий введены для повышения температуры рекристаллизации и сдерживания роста зерна. Обработку проводили при 730—790° С, в результате получалось зерно величиной 0,8—1,0 мкм, а частицы второй фазы имели размер ≤0,1 мкм. Такое зерно устойчиво при температурах 590° С (Тн=0,64; см. рис. 1). Интересно отметить, что, когда зерно достигает размера 1 мкм, все двойники отжига исчезают.
Наконец, необходимо отметить, что все рассмотренные сплавы оказались не сверхпластичными, несмотря на то что были чрезвычайно мелкозернистыми. Это произошло потому, что границы зерен были заблокированы выделениями, что и предотвратило скольжение по границам зерен, в значительной мере способствующее проявлению сверхпластичности.