КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-79-00126

НазваниеВлияние двойниковых границ на структурообразование и формирование физико-механических свойств функциональных изделий из ГЦК-металлов и сплавов

РуководительЗорина Мария Александровна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2020

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые словаГЦК-металл, деформация, рекристаллизация, двойники отжига, ориентационная микроскопия, специальные разориентации, РСУ границы.

Код ГРНТИ53.49.05

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследования в области образования двойников при деформации и рекристаллизации металлических материалов с ГЦК-решеткой, как процессов, существенно влияющих на структуру и, соответственно, физико-механические свойства изделий, в основном обусловлены требованиями промышленности. В настоящее время существует большая потребность в создании обоснованных моделей этих процессов, которые могут быть применены к металлургическим технологиям, чтобы контролировать, улучшать и оптимизировать микроструктуру и функциональные свойства готовой продукции. Обработка многих металлических материалов включает промежуточные отжиги. Процессы возврата, первичной рекристаллизации и роста зерен являются основными стадиями этой обработки. Размер зерна и ориентация зерен после отжига в основном определяются как процессами деформации, так и рекристаллизации. Например, уменьшение размера кристаллитов (включая двойники, как деформации, так и отжига) существенно увеличивает прочность аустенитной стали, при сохранении или даже увеличении ее пластичности («twin»-эффект). В то же время крупный размер зерна в суперсплавах на основе никеля способствует уменьшению скорости ползучести при высоких температурах в ходе эксплуатации. Контроль ориентации зерен (текстуры) важен для прохождения дальнейших стадий деформации металла, например, при глубокой вытяжке сплавов на основе алюминия и меди. Важной проблемой при исследовании структурно-текстурных состояний в ГЦК металлах с низкой и средней величиной энергии дефекта упаковки является образование двойников (как деформационных, так и отжига). Данное явление до сих пор остается непонятным, по крайне мере, в деталях, но давно отмечено, что двойникование является важным механизмом, определяющим структуру рекристаллизации. При этом границы двойников влияют на развитие процессов роста зерен. Следует отметить, что формирование двойников отжига оказывает значительное влияние на текстуру рекристаллизации, поскольку приводит к появлению новых ориентаций зерен, «отсутствующих» в деформированной структуре. Образование двойников отжига является единственным способом создания ориентаций, которые существенно отличаются от ориентаций, присутствующих в деформированном состоянии до рекристаллизации. При этом двойникование может играть как положительную, так и отрицательную роли в формировании ориентационно-зависимых свойств конечного изделия, что активно исследуется в настоящее время. Структура малоугловых границ хорошо понятна, гораздо меньше известно о структуре высокоугловых границ. В ранних работах предполагалось, что граница зерна является тонким «аморфным» слоем. В настоящее время существует несколько подходов к описанию структуры высокоугловых границ, из которых можно выделить следующий. Все высокоугловые межкристаллитные границы являются строго кристаллографическими структурами, но могут отличаться количеством (и, видимо, «качеством») зернограничных дефектов (дефектов кристаллического строения границы). Когерентные границы двойников, обозначаемые в модели решетки совпадающих узлов (РСУ) как Σ3, обладают энергией намного меньшей, чем энергия высокоугловых границ, и практически являются неподвижными. В ГЦК-металлах с низкой и средней энергией дефекта упаковки, неизменно доминирует Σ3^n граница, где n = 1, 2, 3. В последнее время наблюдается интерес к улучшению физико-механических свойств металлов за счет контроля характера границ зерен и максимизации числа РСУ границ с низким Σ, таких как Σ3 двойники, за счет термомеханической обработки. Современный уровень методов экспериментальных исследований локальных структурных состояний, главным образом, ориентационной микроскопии, основанной на дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), позволяет устанавливать наличие и типы границ между элементами мезоструктуры (мало- или высокоугловые, специальные, межфазные), и даже «видеть» какие границы перемещаются при рекристаллизациях. Объяснение рекристаллизационных процессов с использованием эволюции (возникновение, транспортировка, расщепление) специальных границ, представляется вполне оправданным, поскольку только для подобных границ возможно описание их движения на уровне скольжения и переползания дислокаций. Ориентировки двух соседствующих кристаллитов определяют структуру границы между ними, делая ее подвижной или неподвижной, и определенным образом задают направление ее движения. Пространственное распределение ориентации, которое влияет на распределение характерных границ зерен, будет влиять как на инициирование, так и на рост рекристаллизованных зерен. По этой причине направлением данного исследования будет являться установление кристаллографических аспектов «происхождения» зародышей при любых рекристаллизациях, взаимосвязи ориентировок деформации с ориентировками первичной рекристаллизации и далее, ориентировок первичной рекристаллизации с ориентировками либо нормального, либо аномального роста.

Ожидаемые результаты
Для первого этапа исследования в качестве наиболее простых объектов выбраны медь и медные сплавы электротехнического назначения, подвергаемые волочению. В дальнейшем предполагается провести исследования процессов текстурообразования при производстве трубных изделий из коррозионностойких аустенитных сталей, в т. ч. для ядерной энергетики (трубопроводы для теплоносителей, находящиеся под радиационным облучением) и из высококоррозионных сплавов системы Ni-Cr-Mo для химических реакторов. В результате выполнения проекта планируется получить следующие результаты: 1. Построен механизм образования (возникновения) двойников отжига в исследуемых материалах, что в свою очередь позволит сформулировать принципы управления данным процессом. 2. Проанализировано влияние процесса двойникования на формирование текстуры деформации и рекристаллизации. Понимание данной проблемы важно с точки зрения формирования ориентационно зависимых физико-механических свойств полуфабрикатов и готовых изделий. На основе полученных данных будут предложены способы оптимизация технологии термомеханической обработки при производстве электротехнических изделий, а также принципы выбора и создания материалов с заданной текстурой (сверхпроводники). 3. Будет рассмотрена роль двойниковых границ на процессы радиационного распухания материалов в ядерной энергетике, на примере аустенитных сталей, и коррозионную стойкость никелевых суперсплавов. Что позволит обосновывать выбор материалов, используемых для изготовления трубопроводов теплоносителей в ядерной энергетике, структурных компонент реактора и деталей газовой турбин.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Методом ориентационной микроскопии (ДОЭ/EBSD) исследовано структурное и текстурное состояние сплава на основе никеля (Ni–Cr–Mo) после холодной прокатки со степенью деформации ~ 0,7. Показано, что в ходе деформации формируется многокомпонентная текстура, включающая ориентировки: сильную {110}<112>, и более слабые {110}<001> и {110}<111>. В структуре присутствуют полосовые элементы мезоструктуры, которые можно интерпретировать как деформационные двойники и полосы сдвига. Ориентировка кристаллической решетки во всех полосах, сформировавшихся в зернах с основной компонентой текстуры ~ {110}<112>, является близкой к {110}<001>. Эта ориентировка связана с матричной, поворотом вокруг поперечного направления на угол близкий к 70о. Она соответствует двойниковой разориентации или специальной разориентации близкой к РСУ Σ3 (60º, ось <111>). Показано, что все полосовые элементы мезоструктуры в сплаве формируются по механизму деформационного двойникования. Причем, сформировавшиеся в начале процесса специальная разориентация – специальная граница Σ3, сохраняется в процессе деформации как энергетически устойчивый объект. Было исследовано структурно-текстурное состояние в латунных стержнях после горячей экструзии и воздушного охлаждения с помощью ориентационной микроскопии (EBSD). В исследованных образцах была обнаружена значительная концентрация β-фазы с решеткой, близкой к ОЦК, и ГЦК α-фазы. Текстура β-фазы состояла из основных компонент: две близких к {110} <110> и {001} <110>. Текстура α-фазы состояла из основных компонент: близкой к {001} <100> и двух близких к {110} <111>. Анализ кристаллографических связей текстурных компонентов β- и α-фаз показывает, что все они могут быть получены в соответствии с ориентационными соотношениями, которые являются промежуточными между типами Курдюмова-Сакса и Нишияма-Вассермана. Предполагается, что β- α-преобразование началось в β-фазе на совпадающих узлах решетки Σ3 и Σ33a. Исследованы особенности рекристаллизации текстуры методом ориентационной микроскопии в алюминиевой проволоке. Строгие кристаллогеометрические корреляции между ориентациями деформации и ориентациями рекристаллизации являются результатом доминирующей роли в структурных превращениях специальных разориентаций - специальных границ, близких к Σ25b или Σ45c в модели РСУ. Показано, что формирование текстуры отжига можно объяснить исходя из доминирующий роли в процессах структурных превращений специальных границ. Зародышем первичной рекристаллизации в деформированном ГЦК материале с низкой энергией дефекта упаковки становится кристаллит, имеющий с ближайшим окружением специальную границу близкую к Σ25b. При этом предшествующие первичной рекристаллизации полигонизационные процессы приводят к его фрагментации двойниковыми границами Σ3. Движение границы близкой к Σ25b (рост первичнорекристаллизованного зерна) оставляет за собой «следы» в виде границ Σ3 (то есть сопровождается ростом двойников отжига).

Публикации

1. Зорина М.А., Карабаналов М.С., Жиляков А.Ю., Тереня Г.А., Беликов С.В. STRUCTURAL AND TEXTURAL STATE OF A CORROSION-RESISTANT SUPER ALLOYS Ni–Cr–Mo SYSTEM AFTER DEFORMATION XIX International scientific-technical conference “The Ural school-seminar of metal scientists-young researchers”, KnE Engineering, 281-287 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18502/keg.v1i1.4421

2. Резник П.Л., Зорина М.А., Лобанов М.Л. Role of crystallographic misorientations in the evolution of texture in fcc metals Materials Today: Proceedings, - (год публикации - 2019)

3. Данилов С.В., Резник П.Л., Зорина М.А., Лобанов М.Л. Effect of Special Boundaries on Recrystallization Texture of FCC Metals with High Packing Defect Energy AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2019)

4. Зорина М.А., Тереня Г.А., Карабаналов М.С., Карабаналова А.С. Структурное и текстурное состояние сплава на основе никеля после деформации Уральская школа молодых металловедов: сборник материалов и докладов XIX Международной научно-технической школы-семинара металловедов - молодых ученых, С. 375-379 (год публикации - 2018)

5. Лобанов М.Л., Данилов С.В., Пастухов В.И. Crystallographic Peculiarities of β-α Transformation in Brass induced by hot Extrusion Solid State Phenomena, - (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Методом ориентационной микроскопии (EBSD) исследованы структурно-текстурные состояния сплава на основе никеля (Ni–Cr–Mo) после холодной прокатки и последующего отжига. Показано, что в ходе деформации формируется многокомпонентная текстура прокатки. Сформировавшаяся в начале процесса деформации специальная граница Σ3 сохраняется в процессе деформации как энергетически устойчивый объект. В ходе рекристаллизации формируется кристаллографическая текстура, основные компоненты которой связаны с ориентировками деформации через специальные разориентации. Зародыши рекристаллизации, находящиеся с деформированным зерном в разориентации, близкой к РСУ Σ25b (угол поворота 51,68°, ось поворота <331>), Σ41с (угол поворота 55,88°, ось поворота <110>) и Σ45с (53,13º, <221>) имеют большую склонность к росту. Данные специальные разориентации и близкие к ним, вероятно, обладают повышенной подвижностью, как стремящиеся к ближайшему к ним структурному состоянию, обладающему минимальной энергией, – границе РСУ Σ3. Показано, что эквивалентные текстуры деформации Al и Сu трансформируются в различные текстуры рекристаллизации. Зародыши рекристаллизации в Al образуются на высокоугловых границах между деформированными зернами, близких к РСУ-границам Σ3. Зародыши рекристаллизации в Cu образуются внутри деформированных зерен на двойниковых границах (Σ3). Показано, что зародышами рекристаллизации в обоих металлах становятся кристаллиты, имеющие с деформированной матрицей границу, приблизительно соответствующую разориентации: ось поворота <552> на угол 52.5º. В экструдированном латунном изделии исследованы кристаллографические особенности ОЦК-ГЦК превращения. Показано, что компоненты локальных текстур β′- и α-фаз связаны ориентационными соотношениями, близкими к ориентационным соотношениям Курдюмова-Закса. Факт малого числа ограниченных текстурных компонент, образующихся в результате β(ОЦК)→α(ГЦК) превращения, реализующегося в соответствии с многовариантными ориентационными соотношениями, объяснен формированием зародышей новой фазы на специальных границах близких к РСУ-границам Σ3 и Σ33.

Публикации

1. Зорина М.А., Жиляков А.Ю., Карабаналов М.С. Кристаллографические текстуры деформации и рекристаллизации суперсплава системы Ni–Cr–Mo МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ООО "Фолиум" (Москва), - (год публикации - 2020)

2. Лобанов М.Л., Данилов С.В., Пастухов В.И. Crystallographic Peculiarities of β-α Transformation in Brass Induced by Hot Extrusion Solid State Phenomena, Vol. 299, pp 541-545 (год публикации - 2020)

3. Лобанов М.Л., Резник П.Л., Редикульцев А.А., Пастухов В.И., Данилов С.В., Зорина М.А. Crystallography of recrystallization in FCC metals with various stacking fault energy Metallurgical and Materials Transactions A, - (год публикации - 2020)

4. Зорина М.А., Путинцева Е.Д. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕКСТУРЫ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ СУПЕРСПЛАВА СИСТЕМЫ Ni–Cr–Mo Уральская школа молодых металловедов: сборник материалов и докладов XX Международной научно-технической школы-семинара металловедов - молодых ученых, - (год публикации - 2020)

Возможность практического использования результатов
Предложенная кристаллогеометрическая модель возникновения и роста двойников и взаимосвязи текстур деформации и рекристаллизации через специальные разориентации, в том числе через РСУ Σ3, может послужить основой для оптимизации и создания новых технологий производства функциональных материалов, и придания им уникального комплекса ориентационо-зависимых физико-механических свойств. Результаты данного проекта дают новые экспериментальные данные и теоретические модели по механизмам возникновения и развития локальных и интегральных текстур, что, в свою очередь, позволит осуществить переход к передовым производственным технологиям обработки металлических материалов, а так же даст возможность получения новых материалов с заданной анизотропией физико-механических свойств, обусловленной наличием кристаллографической текстуры.