Эволюция морфологии ламелярного перлита

Наше исследование структуры перлита посвящено ориентационным изменениям, происходящим при деформации в масштабе перлитных колоний. Однако изменение морфологии ламелярной структуры перлита также представляет интерес, поскольку, в конечном счете, именно поперечный размер ламели является гем параметром, который определяет прочность холоднотянутого перлита [154−157]: в процессе волочения среднее межпластинчатое расстояние, d уменьшается пропорционально диаметру проволоки, а прочность возрастает обратно пропорционально квадратному корню из d, достигая величины в несколько ГПа. Кроме того, как будет показано ниже, изучение эволюции ламелярной структуры позволяет глубже проанализировать особенности осесимметричной деформации ОЦК металлов. При таком анализе цементитные прослойки служат естественной «координатной сеткой».

Рис. 4.22. Поперечное сечение кристаллита, в котором направление [110] (нормаль к плоскости рисунка) параллельно оси деформации.

Р — плоскость деформации (I 10).

L — плоскость залегания ламели.

Помимо упомянутого выше уменьшения среднего межпластинчатого расстояния, еще в работе Лэнгфорда [154] было отмечено возникновение большого разброса величины d в сильно деформированном перлите. Лэнгфорд попытался объяснить это явление кристаллографическими особенностями деформации перлита. В основе его анализа лежат следующие представления:

• — колонии, имеющие ориентацию оси деформации, близкую к оси текстуры, деформируются не осесимметрично, а испытывают плоскую деформацию: вытягиваются и утоняются в плоскости типа {ПО}, параллельной оси деформации (рис. 4.22): на рисунке это плоскость (110);
• — эволюция межпластинчатого расстояния в данной колонии определяется углом, а между плоскостью деформации и плоскостью залегания цементитной прослойки. При этом межпластинчатое расстояние, также, как и угол а, является постоянным внутри колонии при данной степени деформации.

Действительно, угол, а в исходном состоянии для разных колоний может варьироваться в интервале от 0 до 90°. Как ясно из схемы на рис. 4.22, если в данной колонии а = 90°, то ламели в ней утоняются максимально быстро, а при, а = 0 утонение вообще отсутствует. При данном характере формоизменения колоний (рис. 4.22) с ростом е угол, а должен возрастать, стремясь к 90°. Следовательно, спектр толщин ламелей должен ускоренно расширяться, причем его центр тяжести должен сдвигаться в направлении малых толщин. Как показало численное моделирование [154], при такой схеме деформирования, действительно, можно ожидать сильное размытие распределения и повышение доли колоний с относительно малым межпластинчатым расстоянием.

На рис. 4.23 показано, как изменяется распределение межламелярных расстояний в результате пластической деформации. Наблюдаемое значительное увеличение разброса значений d при г = 2 вполне согласуется с результатами Лэнгфорда. Однако, представленные на рис. 4.24 данные по распределению межпластинчатых расстояний внутри отдельных колоний для е = 2 вынуждают пересмотреть простую картину, нарисованную выше. На рис. 4.24 приведены распределения для шести случайно выбранных колоний, различающихся средней по колонии величиной d_{C (}, i. Среди них есть колонии, в которых величина d_coi меньше, больше и примерно равна среднему межпластинчатому расстоянию = 52 нм, полученному на базе всех измерений для е = 2 (величина, соответствующая макродеформации, г/_Е =d₀e~^bn, равна 59 нм, если взять do= 160 нм). Из рис. 4.24 видно, что широкий спектр межнластинчатых расстояний возникает при е = 2 не только в результате различия деформированных колоний по величине d_coi, но и в масштабе каждой отдельно взятой колонии.

Рис. 4.23. Распределения межпластинчатых расстояний при е = 0 (белые столбики), е = 1 (серые столбики) и е = 2 (черные столбики).

В своей интерпретации экспериментальных данных Лэнгфорд исходил из того, что ориентация колонии в ходе деформирования остается однородной. Однако, как теперь понятно, это предположение не выполняется, и уже при деформации е~1 разориентация между отдельными ферритными ламелями достигает десятков градусов. Очевидно, что ориентационная неоднородность должна, в свою очередь, стимулировать развитие деформационной неоднородности при дальнейшем волочении. Принимая это во внимание, имеет смысл заново проанализировать эволюцию спектра межламелярных расстояний.

Рис. 4.24. Распределение межпластинчатых расстояний в колониях с различным средним по колонии расстоянием d_coi, равным 85 нм (а), 73 нм (б), 56 нм (в), 55 нм (г), 38 нм (д) и 28 нм (е).

Заметим, что ширина распределения для некоторых колоний с большим и средним d_coi примерно равна ширине общего распределения, приведенного на рис. 4.23. При этом в спектре присутствуют расстояния от близких к исходному, do, до величин около 20 нм. Для случая а = 90° толщина ламели должна уменьшаться по закону d_min = </<sub>0сГ⁴, откуда при е = 2.

получаем = 21.5 нм. Таким образом, в спектре отдельной колонии присутствуют расстояния, близкие к d_mm.

Применим способ рассуждений Лэнгфорда к отдельной колонии, учтя ее возникающую ориентационную неоднородность. Допустим, что неоднородность утонения ламелей возникает при деформации колонии с осью, направленной вдоль оси волочения, и определяется вариациями угла а. Тогда приведенные данные можно интерпретировать следующим образом. При деформировании до е = 1 еще только происходит формирование текстуры. Поэтому, несмотря на развивающуюся ориентационную неоднородность внутри колонии, неоднородность ламелей по толщине при е = 1 относительно невелика (рис. 4.23). Зато на этапе деформирования от s = 1 до 2, когда материал уже имеет выраженную текстуру, разброс ламелей по углу а приводит ко все возрастающему их разбросу по толщине, что и зафиксировано экспериментально. Исходя из отмеченного в некоторых колониях разброса значений d от с/,"", до do можно предположить, что спектр межпластинчатых расстояний в отдельной колонии обусловлен спектром значений угла, а от 0 до 90°.

Проверим, существует ли корреляция между углом, а и межпластинчатым расстоянием в пределах отдельной колонии. Для этого специально была найдена колония, внутри которой приблизительно сохраняется ориентация оси зоны. Измерения, результаты которых приведены на рис. 4.25, показывают, что действительно, корреляция существует.

В то же время, полученные экспериментальные данные содержат ряд особенностей, которые не вполне укладываются в описанные выше представления. Заметим, что оценка d,"j"= 21.5 нм, для минимального межпластинчатого расстояния при? = 2, является нижней границей этой величины, поскольку предполагает, что данная микрообласть с самого начала имеет ориентацию вдоль оси проволоки и а=90°. С другой стороны, как текстура, так и неоднородность распределения ориентаций внутри колонии формируются постепенно. Более того, можно непосредственно убедиться (рис. 4.23−24), что при? = 1 разброс межпластинчатых расстояний еще относительно мал, как мала и доля тонких ламелей (для е = 1 4"= 59 нм). Таким образом, согласно экспериментальным данным, размытие спектра межпластинчатых расстояний происходит в основном на этапе деформирования от е=1 до 2. При этих условиях наблюдаемый спектр межпластинчатых расстояний невозможно интерпретировать только как результат предварительного возникновения спектра углов а.

Рис. 4.25. Зависимость межпластинчатого расстояния d от угла, а между плоскостью деформации и плоскостью залегания цементитной прослойки в сильно деформированном перлите; е = 2.

Выше было отмечено, что по мере развития текстуры наблюдается характерное «закручивание» микроструктуры вокруг оси деформирования. Действительно, изгиб является способом взаимной пластической аккомодации колоний, которые испытывают плоскую деформацию (рис. 4.22) при осесимметричной макродеформации. Обычно считается, что закручивание испытывают целые колонии [180]. Однако, внимательное рассмотрение панорамы, представленной на рис. 4.26, показывает, что однородный изгиб испытывают отдельные области внутри колонии, и знак кривизны в пределах колонии может изменяться.

Неоднородному распределению пластического поворота, которое описывается тензором изгиба-кручения, согласно уравнению совместности должно сопутствовать неоднородное распределение пластической деформации [38]. Соответственно, неоднородному изгибу ферритных ламелей, который развивается после е = 1, сопутствует неоднородная деформация, в частности, неоднородное утонение ламелей. Масштаб такой деформационной неоднородности должен соответствовать масштабу вихреобразования, что и наблюдается в действительности. На панораме, представленной на рис. 4.26, видны области, включающие в себя участки связок ламелей примерно равной толщины. Внутри каждой из них характерная толщина ламели слабо меняется, но может значительно отличаться от толщины в соседних областях. Таким образом, наблюдаемый в отдельной колонии широкий спектр межпластинчатых расстояний обусловлен как фрагментацией колонии, приводящей к вариациям угла а, так и характерной неоднородностью деформации ОЦК кристаллов при осесимметричной вытяжке.

В заключении еще раз отметим, что материал настоящей и предыдущих глав позволяет по новому осмыслить понятие «устойчивой ориентировки». Проведенные исследования показывают, что это понятие является относительным, и можно говорить только о локальной устойчивости. А именно, об устойчивости в конкретном локальном окружении. При этом повороты решетки кристаллитов и, в частности, устойчивость их ориентировок контролируются на трех уровнях:

• 1- й уровень (группа зерен): Поворот решетки зерна как целого (средний поворот) определяется ориентацией зерен, его окружающих. Для величины и направления поворота данного зерна существует определенный общий тренд, который предсказывается теорией тексгурообразования, однако локальное окружение вызывает значительные отклонения от этого тренда.
• 2- й уровень (отдельное зерно): Внутри зерна на стадии его фрагментации различные области изменяют свою ориентацию по-разному, в результате чего формируется микротекстура — распределение ориентаций в масштабе зерна, — которое также зависит как от ориентации этого зерна, гак и от его окружения.

Рис. 4.26. Панорама структуры колонии перлита при с = 2.

3-й уровень (фрагмент зерна): При больших деформациях субъектом текстурообразования становится не зерно, а фрагмент. Поворот отдельных фрагментов, а также их устойчивая ориентация, определяется локальным окружением. В результате локально устойчивая ориентировка может быть существенно отклонена от идеальной, которая задается макродеформацией.