REVERSNÍ PROCESY PØI REKRYSTALIZACI

Transkript

1 Material Structure, vol. 9, number 2 (2002) 94 Re vere pro cee at recrytallization REVERSNÍ PROCESY PØI REKRYSTALIZACI Joef Kal 1, Jarolav Fiala 2, Petr Zuna 3 Škoda Výzkum.r.o., Plzeò Nové technologie-výzkumné centrum. Západoèeká univerita Plzeò Fakulta trojní, ÈVUT v Praze Key word Recrytallization, diffraction imaging Ab tract At a def i nite tage of the growth of the recrytalized grain in a polycrytalline material, thi pro ce ome time halt and turn back. Thi eem to be caued by paracrytalline di tor tion that cu mu late dur ing the growth of the cry tal. At in creaed tem per a ture or af ter pro longed heat ing the cry tal lite (or, more ex actly mo aic block, co her ently dif - fract ing re gion) tart to grow again. But af ter ome time, uch a re ver al of the recrytallization pro ce may re cur. Abtrakt V urèitém tadiu rùtu rekrytalizovaných zrn dochází nìkdy v polykrytalickém materiálu k zatavení tohoto proceu a jeho zvratu. Pravdìpodobnì je to zpùobeno parakrytalickými ditoremi, jež e pøi rùtu krytalù nahromadí. Po zvýšení teploty nebo delším etrváním na teplotì krytalky (vlatnì moaikové bloky, difrakènì koherentní oblati) opìt zaènou rùt. Po urèité dobì e však takový zvrat rekrytalizaèního proceu mùže opakovat. 1. Úvod Pro monitorování rekrytalizace kovových materiálù e èato používá vìtelná mikrokopie (SM) èi øádkovací elektronová mikrokopie (ØEM). V pøípadì øádkovací elektronové mikrokopie lze výhodou užít kontratu daného kanálováním elektronù, který je ilnì citlivý na deorientaci jednotlivých oblatí materiálu. Ukazuje e však, že rtg difrakce je leckdy ještì mnohem citlivìjší. Pomocí rtg difrakce e nám napøíklad podaøilo pozorovat reverní procey, ke kterým dochází pøi rekrytalizaci velmi mìkkých (IF) ocelí. Podobné reverzní procey pozorovali ve fázi rekrytalizace Pluhaø a Zuna poprvé v letech [1, 2] a dále popali napø. v [3]. V tomto èlánku naše nová pozorování popíšeme a nabíd neme vyvìtlení reverních proceù na bai Hoemannovy kon - cepce parakrytalinity [4-6] pøihlédnutím k výledkùm [1-3]. 2. Rtg difrakèní zobrazování Rtg difrakèní zobrazování je zvláštní topografická technika, která umožòuje rozlišovat jednotlivé krytalky (pøenìji jednotlivé difrakènì koherentní oblati (DKO), tedy píše moaikové bloky) polykrytalického materiálu. Pokud jou tyto DKO v reflexní poloze (úhel dopadu je roven úhlu odrazu a navíc je plnìna Braggova podmínka) dojde k difrakci a na filmu nebo na elektronickém dvojrozmìrném poiènì citlivém detektoru dotaneme difrakèní topu ( reflexi ), která je topogramem, víceménì vìrným zobrazením této DKO [7-9]. Jou-li DKO menší než 10 m, bude jich v ozáøeném objemu tolik, že e jejich reflexe pøekryjí a vytvoøí pojitý difrakèní kroužek - mluvíme také o laterálním èi azimutálním profilu difrakèní linie (viz vlevo dole na obr.1). Jou-li však vìtší, budou jejich reflexe už rozlišené (viz vpravo dole na obr.1). Rtg difrakèní zobrazování (anglicky x-ray dif frac tion im ag - ing nebo grain-by-grain map ping [13, 14]) e tedy mùže znamenitì uplatnit pøi ledování rekrytalizaèního proceu. To demontruje obr.1, v jehož dolní èáti jou repro duko - vá ny difrakèní kroužky (111) a (200) autenitu, rep. egmenty tìch difrakèních kroužkù, které e vešly na film použitý pøi regitraci. Jedná e o difraktogramy ve dvou mítech výkovku oceli , které jou na obrázku oznaèeny bílými kroužky, z Braggovy-Brentanovy emi - fokuaèní kamery o prùmìru 114,6 mm (kobaltová anoda, beta filtr, fokuaèní úhel 30 ). Vlevo je míto z oblati, kde deformace byla tak malá, že e nálednì plnì neroz bìhla rekrytalizace. Z mikronímku je patrna mírná de for mace zrn, lokálnì lze pozorovat rekrytalizaèní zárodky. Jednotlivé DKO, které zde v øadì pøípadù pøed tavují deformaèní buòky, pøípadnì novì vzniklá ubzrna, nebo re kry talizaèní zárodky jou menší než 10 m a v ozá - øeném objemu je jich tolik, že e jejich reflexe vzájemnì pøekrývají - difrakèní kroužky jou pojité. Vpravo je difrakce z oblati intenivní deformace, kde nálednì probìhla rekrytalizace: nìkteré DKO jou zde menší než 10 m a reflexe od tìchto drobných DKO tvoøí pojité po - za dí difrakèních kroužkù; na tomto pozadí pak vynikají otré olitérní reflexe od velkých DKO, o rozmìru ai 40 m, které vznikly rekrytalizací deformovaného au - tenitu. Z uvedeného je zøejmé, že pøi tudiu rekrytalizace je vhodné kombinovat jednotlivé metody vìtelnou mikro - kopií, pøípadnì øádkovací elektronovou mikrokopií rtg difrakcí a doplòovat tato zjištìní elektromikrokopickým tudiem tenkých folií. Rtg difraktogramy však v našem pøípadì hodnì mikronímky ze vìtelné mikrokopie prokazují, že rekrytalizace probìhla v pravé èáti výkovku, ale nikoli v jeho levé èáti. Svìtelná mikrokopie dobøe rozlišuje primární licí zrna, jejichž rozhraní jou zvýraznìna leptáním v dùledku obohacení doprovodnými prvky, které nižují bod tání. Když potom dojde k deformaci, zrna e deformují, dochází k fragmentaci na bloky, jejichž rozhraní jou pod vìtelným mikrokopem ménì zøetelná než hranice primárních licích zrn. A tak deítky mikrometrù velká zrna patrná na mikrofotografii truktury levé èáti výkovku na obr.1 vlevo byla kováním rozdrcena na velké množtví moaikových blokù menších

2 95 REVERZNÍ PROCESY PØI REKRYSTALIZACI Obr. 1 Mikrotruktura a rtg difraktogramy (difrakèní linie (111) a (200) autenitu) ze dvou mít oznaèených na výkovku z ocele bílými kroužky než 10 m, které jou difrakènì koherentní, a proto dávají pojité difrakèní kroužky (na obr.1 vlevo dole), ale na mikrofotografii je nerozeznáme. Do pravé èáti výkovku bylo vloženo kováním více energie než do èáti levé, a to e talo hnací ilou rekrytalizace, jež nálednì v pravé èáti výkovku probìhla, jak je zøejmé z difraktogramu (na obr.1 vpravo dole). Zrna patrná na mikrofotografii pravé èáti výkovku (na obr.1 vpravo nahoøe) jou útvary, opticky koherentní vzhledem k použitému rtg záøení. Chceme-li tudovat rekrytalizaèní procey, nemìli bychom proto opomenout použití rtg difrakèního zobra zo - vání. Kontrat, který vzniká na rtg topogramech, je difrakèní: dva moaikové bloky (dvì DKO) rozpoznáme proto, že jou vùèi obì (napøíklad deformací) trochu klonìny nebo pounuty. A to trochu e mìøí velikotí vlnové délky rtg záøení, která je nìkolik-tiíckrát kratší než vlnová délka vìtla. Proto je rtg difrakce pøi zjiš ování toho, k èemu došlo deformací rep. nálednou rekry - talizací, mnohem citlivìjší než vìtelná mikro kopie. 3. Rekrytalizace IF oceli Experimenty byly provádìné na plechu z IF ocele po válcování za tudena [15]. Chemické ložení materiálu v hm. % je uvedeno v tabulce 1. Z výchozího polotovaru e pøipravily páy o tlouš ce 1,2 mm. Výledná hodnota deformace byla 70 %. Rekrytalizaèní žíhání e provedlo

3 J. Kal, J. Fiala, P. Zuna 96 Tabulka 1 Prvek C Si Mn P S Al Ti N Cu Cr Obah 0,004 0,01 0,12 0,005 0,006 0,034 0,051 0,0039 0,01 0,02 Tabulka 2 Doba žíhání [] Prùmìr ,008 0,34 0,93 0,92 0, Rekrytal izovaný podíl Sm. odch ,006 0,07 0,04 0,01 0, Min ,18 0,84 0,98 0, Max ,190 0,45 0,98 1,00 1, Velikot zrna [ m] na vzorcích o rozmìrech 20x25 mm pøi teplotì 800 C v rozahu èaù 0 až 300 v roztavených olích náledným ochlazením ve vodì. Struktura byla pozorována v rovinì rovnobìžné rovinou válcování pomocí ØEM. Nezrekrytalizované oblati byly identifikovány opticky na základì odlišného kontratu, manuálnì na obrázcích vyznaèeny a pomocí oft ware Im age Pro Plu byla (ze edmi mìøení) tanovena tøední hodnota jejich plošného podílu. Výledky mìøení podílu zrekrytalizovaného materiálu v záviloti na dobì žíhání jou uvedeny v tabulce 2 a pøíklady mikrotruktur na obr. 2. Pøi daných podmínkách dochází k rekrytalizaci ve velmi krátkém èaovém intervalu. Za 20 ekund zre - krytalizuje ai 90 % objemu materiálu. Na rekrytalizaci zbývajících 10 % je však tøeba dalších 25 ekund. Na rekrytalizaèní køivce je patrná prodleva rep. mírný pokle zrekrytalizovaného podílu v období mezi 20 až 30 ekund celkové doby žíhání. Po 45 ekundách je materiál témìø úplnì zrekrytalizován. Pozorované zpomalení rekry - talizace mezi 20 a 45 je ve hodì výledky [10-12], kde bylo prokázáno, že závilot rekrytalizovaného podílu na dobì žíhání nemá v Arramiho ouøadnicích v celém roz - ahu pøímkový charakter, ale že v konci proceu do chází ke zlomu, rekrytalizace e zpomaluje. Souvií to e ku teè - no tí, že nukleaèní rychlot a rychlot migrace hranic zrn není kontantní. Nukleaèní rychlot doahuje max ima a potom kleá, rychlot migrace G plòuje vztah Gt = kont. Pøi dokonèování rekrytalizace e nukleace uplatòuje minimálnì, proce e dokonèuje rùtem rekry talovaných zrn. Pøi dalším žíhání je patrno hrubnutí zrna a nové zjemnìní tab. 2. Zmìny pozo ro vané vì - tel nou mikrokopií e odráží na rentge nogramech (obr. 3): Do 30 ekund ohøevu e difrak ènì koherentní oblati DKO (v podtatì moaikové bloky, nìkdy e používá oznaèení rentgenografické zrno ) zvìtšují, ale po 45 ekundách dojde k reveri rekry talizaèního proceu a DKO e opìt rozpadnou. Otøe ohranièené olitérní reflexe na bez - pozaïové difrakèní linii po 30 ekundách ohøevu e po 45 ekundách ohøevu zmìní na difuní, pøekrývající e klatry na ilném pojitém pozadí. Po 120 ekundách ohøe vu opìt pojité pozadí zmizí a na difrakèní linii vyni kají otøe ohra - nièené olitérní ref lexe od DKO velkých m; reverní ta dium tedy po mi nulo a rekry ta li za ce pokroèila vpøed. Ale po 300 ekundách ohøevu došlo znovu k reveri, velké DKO e znovu rozpadly a na difrak èní linii e obje - vilo ilné pojité po zadí od DKO menších než 10 m. Tato zjištìní rovnìž vìdèí o opakování rekry tali zaè ní ho proceu. Prùbìh rekrytalizace Velikot úekù zrn Rekrytalizovaný podíl 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Velikot úekù [ m] 70,0 60,0 50,0 40,0 30, log(t) [] log(t) [] Obr. 2a Obr. 2a

4 97 REVERZNÍ PROCESY PØI REKRYSTALIZACI t = 10 t = 15 t = 10 t = 15 t = 30 t = 45 t = 30 t = 60 t = 120 t = 300 Obr. 3 Prùbìh rekrytalizace IF oceli pøi žíhání na 800 C, jak e projevuje na laterálním (azimutálním) profilu rtg difrakèní linie (211) železa t = 120 K podobným zjištìním došly i práce [1-3]. Obr. 4 zachycuje závilot velikoti zrna na dobì žíhání modelové litiny FeNi36, FeNi36 a autenitické oceli 18/9 tváøené za tepla vyokou rychlotí. Obr. 5 záviloti velikoti zrna, poètu rekrytalizaèních zárodkù urèovaných elektro mikro - ko picky a hutoty dilokací na dobì žíhání pro litinu FeNi36. Z obrázkù je patrno, že po fázi hrubnutí zrna do - chází k opìtovnému zjemnìní. Tento dìj byl pozdìji popán jako potdynamické rekrytalizace. Opako vaná další zjemnìní nebyla doud interpretována. Bylo kon - tatováno, že každému opakovanému zjemnìní zrna vždy pøedchází fáze hrubnutí zrna, pøerozdìlení dilokací, po - hyb dilokací od hranic zrn do interiéru a vznik nových zárodkù, z rtg pozice vznik nových DKO. Opakovaná zjem nìní mají útlumový charakter. Tyto výledky po - tvrzují dílèí dìje pozorované pøi rekrytalizaci IF ocelí popiované v tomto pøípìvku. 4. Parakrytalické ditore t = 300 Obr. 2c Prùbìh rekrytalizace IF oceli pøi žíhání na 800 C, jak e jeví na nímcích z ØEM (zv. 1000x) Zatavení rùtu zrn a jejich rozpad bude patrnì zpùoben nahromadìním trukturních defektù, ke kterému pøi rùtu krytalkù dochází. Rolf Hoemann a jeho žáci prokázali rozborem difraktogramù širokého pektra látek, že k takové kumulaci trukturních defektù (obr. 6) dochází pøi rùtu krytalkù prakticky u všech možných materiálù [16-21]. Nahromadìním parakrytalických ditorí e zvýší volná entalpie rotoucího krytalku poléze natolik, že dojde k zatavení jeho rùtu a náledné fragmentaci. Vzniklá rozhraní nových moaikových blokù fungují pak jako kanály anomálnì rychlé difue, jíž dojde k re kon - figuraci atomù a relaxaci parakrytalických ditorí, pro - vázené nížením volné entalpie. Po delší výdrži na dané teplotì (nebo pøi zvýšení teploty) zaènou moaikové bloky znovu rùt Pøitom ovšem zae vznikají parakrytalické ditore a ty mohou èaem rekrytalizaèní proce opìt zreverovat, jak jme to pozorovali pøi rekrytalizaci IF-ocelí. Z toho, jak univerálnì e Hoemannùv model para krytalických ditorí uplatòuje, mùžeme oudit, že i reverní procey pøi rekrytalizaci budou ai èatým jevem. To, že je o nich referováno zøídka, je ai zpùobeno menší cit livotí vìtelné mikrokopie, jež e vìtšinou pøi le do - Obr. 4. Závilot tøední velikoti zrna na dobì výdrže na tváøecí teplotì (a,b opakované zkoušky na témže materiálu).

5 J. Kal, J. Fiala, P. Zuna 98 vání rekrytalizace používá. Rtg difrakce e k tako vému pozorování hodí lépe (je mnohem citlivìjší). 5. Závìr Rozhraní mezi bloky, na které e bìhem rùtu rozpadají zrna v dùledku nahromadìné parakrytalické ditore, pøedtavují trajektorie anomální (anomálnì rychlé) difue. Proto budou reverní procey pøi rekrytalizaci výraznì ovlivòovat kinetiku proceù, k nimž v materiálu dochází pøi výrobì a v prùbìhu exploatace. Studiu tìchto proceù by e tedy patøilo vìnovat vìtší pozornot. Podìkování Dìkujeme Minitertvu školtví, mládeže a tìlovýchovy Èeké republiky za finanèní podporu v rámci projektu výzkumu a vývoje è. LNOOB084, pøi jehož realizaci tato práce vznikla. Literatura 1. J. Pluhaø, P. Zuna.: Kovové materiály VI, 3, 1968 tr J. Pluhaø, P. Zuna.: JISI, 1, 1969 tr P. Zuna, J. Pluhaø, K. Macek: 1. B38, 1988 tr R. Hoemann, Zeitchrift für Kritallographie, 189 (1989), pp A. M. Hindeleh - R. Hoemann, J. Phy. C: Solid State Phy ic, 21 (1988), pp J. Fiala, Ce ramic - Silikáty, 36 (1992), pp J. Fiala, I. Schindler, K. Foret, S. Nìmeèek, Strojnický èaopi, 53 (2002), pp J. Fiala, S.Nìmeèek in: Ap plied Cry tal log ra phy, H.Morawiec, D.Stroz (ed), , Sin ga pore 2001, World Sci en tific Pub lihing. 9. J. Fiala, S. Nìmeèek, Ad vance in X-ray Anal y i, 44 (2001), pp P. Zuna: Hutnické lity XLIII (1988) è.6 tr P. Zuna: Sb. mezinárodní konference Tvaøitelnot litin, Dùm techniky ÈSVTS Otrava, Tály J. Pluhaø, P. Zuna, K. Macek: Kovové materiály, 27 (1989) è.6 tr S. Weimann, L.H. Lee, Prog re in Cry tal Growth and Characterization, 18 (1989), pp R. L. Snyder - J. Fiala - H. J. Bunge (ed): De fect and Microtructure Anal y i by Dif frac tion, New Tork 1999, Oxford Univerity Pre. 15. K. Oravec, J. Kal, L. Horniak, Stanovenie kinetiky rekryštalizácie in ter ti tial free ocele po vyokoteplotnom žíhaní, Sb. Nové mery vo výrobných technológiach, Prešov, èerven R. Hoemann, A. Lange, M. P. Hentchel, Acta Crytallographica A41 (1985), pp R. Hoemann, Colloid and Poly mer Sci ence, 260 (1982), pp W. WiIke, Colloid and Poly mer Sci ence, 258 (1980), pp R. Hoemann, M. Hentchel, F. J. Baltá-Calleja, E. Lopez Cabarco, A. M. Hindeleh, Experimentelle Technik der Rhyik, 33 (1985), pp B. K. Vainhtein, Acta Crytallographica B47 (1991), pp J. Fiala in: Ap plied Cry tal log ra phy, H.Morawiec, D.Stroz (ed), , Sin ga pore 1998, World Sci en tific Pub - lihing. Obr. 5. Závilot tøední velikoti zrna (a), poètu malých zrn charakteru zárodku (b) a dilokaèní hutoty (c) na dobì žíhání na tváøecí teplotì pro litinu FeNi36 Obr. 6. Parakrytalické fluktuace polohy trukturního motivu e zvìtšují odmocninou poètu ouedù, které tento motiv oddìlují od dané referenèní poice

6 99 REVERZNÍ PROCESY PØI REKRYSTALIZACI