7 JANUSZ RYŚ
Krystalograficzne aspekty oddziaływania ferrytu i austenitu w bikryształach i stalach dwufazowych
Streszczenie
Jedną z podstawowych przyczyn podjęcia tematyki odkształcenia plastycznego nie- rdzewnych stali ferrytyczno-austenitycznych typu duplex stanowił brak w literaturze przed- miotu jednolitego podejścia do interpretacji zmian tekstury i mikrostruktury w tych materia- łach. Złożony charakter procesu odkształcenia w stalach duplex jest konsekwencją struktury dwufazowej oraz tworzącej się podczas walcowania pasmowej morfologii ferrytu i austenitu, z granicami międzyfazowymi (α/γ) usytuowanymi w większości równolegle do płaszczyzny walcowania. Stwarza to odmienne warunki dla przebiegu procesu odkształcenia plastyczne- go w porównaniu do stali jednofazowych, pomimo że podstawowe mechanizmy kontrolują- ce sposób odkształcenia w obszarach pasm obu faz są zasadniczo takie same jak w stalach ferrytycznych i austenitycznych.
Przedstawione w pracy wyniki badań dotyczą dwóch różnych pod względem charakteru rodzajów materiałów. Pierwszy z nich stanowiły materiały modelowe w postaci bikrysz- tałów dwufazowych (α/γ) ze stali duplex, składające się z łączonych dyfuzyjnie w stanie stałym monokryształów ferrytu i austenitu, które poddano próbie rozciągania. Do badań wy- brano bikryształy (α/γ) wykazujące dwie istotnie różne relacje krystalograficzne pomiędzy monokryształami austenitu i ferrytu, tzn. zależności Kurdjumova–Sachsa (K-S) oraz Baina, w każdym przypadku w dwóch wariantach wyjściowych orientacji składowych kryształów.
Drugim rodzajem materiałów były polikrystaliczne stale dwufazowe o strukturze ferry- tyczno-austenitycznej, odkształcane na drodze walcowania na zimno w szerokim zakresie deformacji. Prezentowane w monografii wyniki dotyczą trzech różnych stali typu duplex o zróżnicowanych składach chemicznych oraz odmiennych procedurach wstępnej obróbki cieplno-plastycznej i wynikających stąd różnych wyjściowych rozkładach orientacji.
W bikryształach dwufazowych (α/γ) granice międzyfazowe rozdzielają struktury kry- staliczne ferrytu i austenitu o wyraźnie zróżnicowanych właściwościach sprężystych i pla- stycznych, skąd wynika złożony charakter poślizgu w tzw. przygranicznej strefie odkształca- nia. Przeprowadzona analiza wskazuje, że efekty strukturalne występujące przy granicach (α/γ) są rezultatem szeregu czynników, ale przede wszystkim rozkładu naprężeń w pobliżu granic międzyfazowych. Złożony stan naprężeń występujący na granicach (α/γ) w trakcie odkształce- nia plastycznego wynika w zasadniczym stopniu z niezgodności odkształceń plastycznych oraz lokalnych koncentracji naprężeń pochodzących od spiętrzeń dyslokacji w przylegających kryształach. Należy również zaznaczyć rolę anizotropii (niezgodności) sprężystej występują- cej pomiędzy kryształami ferrytu i austenitu, w początkowych etapach odkształcenia. Wyniki badań przeprowadzonych na rozciąganych bikryształach dwufazowych (α/γ) ze stali duplex
8
jednoznacznie wskazują, że obraz poślizgu w strefie przygranicznej, wynikający z charak- teru zgodności odkształceń plastycznych, zależy w zasadniczym stopniu zarówno od relacji krystalograficznych, jak również wyjściowych orientacji składowych monokryształów fer- rytu i austenitu. Na znaczenie obu tych czynników wskazują wyraźne różnice w przebiegu odkształcenia w każdym z dwóch wariantów, o odmiennych wyjściowych orientacjach skła- dowych kryształów, zarówno w bikryształach wykazujących relacje Baina, jak i Kurdjumo- va–Sachsa. Bardzo ważnym czynnikiem strukturalnym, który determinuje przebieg poślizgu w pobliżu granic międzyfazowych, jest ponadto różnica w wartościach wektorów poślizgu, wynikająca z odmienności struktur krystalicznych obu faz.
We wszystkich badanych stalach typu duplex zasadniczy wpływ na kształtowanie się mikrostruktury w obszarach ferrytu i austenitu, jak również na przebieg tworzenia się końco- wych tekstur walcowania, wywiera stopniowy rozwój pasmowej morfologii struktury dwu- fazowej w trakcie procesu odkształcenia. Bardzo istotny czynnik stanowią także wyjściowe rozkłady orientacji w obu fazach oraz relacje krystalograficzne pomiędzy głównymi składo- wymi tekstury po wstępnej obróbce cieplno-plastycznej. Wpływ orientacji wyjściowych oraz relacji krystalograficznych zaznaczył się m.in. poprzez aktywację systemów odkształcenia, które wykazywały określoną wzajemną orientację oraz symetrię względem kierunku walco- wania. Działanie w obszarach pasmach ferrytu i austenitu systemów odkształcenia o jedna- kowych lub zbliżonych wartościach względnych naprężeń ścinających oraz symetrycznych względem granic międzyfazowych (α/γ) zapewniło w istotnym stopniu plastycznie zgodne odkształcenie pasmowej struktury ferrytu i austenitu w szerokim zakresie deformacji. Re- zultatem tego była stabilność tekstur obu faz obserwowana w tych zakresach odkształceń.
Podstawowym przejawem takiego przebiegu odkształcenia był nieciągły charakter zmian tekstur walcowania, obserwowany zwłaszcza w przypadku ferrytu. W rezultacie tekstury walcowania w badanych stalach duplex różniły się od tekstur stali jednofazowych. Należy jednak podkreślić, że różnice te dotyczyły w głównej mierze tekstur ferrytu, pomimo że we wszystkich stalach stanowił on osnowę (udział objętościowy około 60%). Widocznym przejawem takiego przebiegu formowania tekstury była nieobecność szeregu składowych tekstur lub włókien orientacji typowych dla stali jednofazowych lub ich niska intensywność w bardzo szerokim zakresie odkształceń.
9 JANUSZ RYŚ
Crystallographic aspects of ferrite and austenite interaction in two-phase steels and bicrystals
Summary
One of the main reasons for taking the subject of plastic deformation of duplex type ferritic-austenitic steels is lack of uniform approach in the literature to the interpretation of microstructure changes and texture formation in these materials. The complex character of deformation process in duplex steels is a consequence of two-phase structure and formation of ferrite-austenite band-like morphology in the course of rolling, with (α/γ) phase bound- aries arranged mostly parallel to the rolling plane. It creates different conditions for plastic deformation in comparison to one-phase steels, despite the fact that basic mechanisms con- trolling deformation behavior within the areas of both component phases are essentially the same as in ferritic and austenitic steels.
The results of investigations presented in this work concern two distinct in character types of materials. The first of them represents model materials in the form of two-phase (α/γ) bicrystals, consisting of diffusionally bonded ferrite and austenite single crystals, sub- jected to tension. The (α/γ) bicrystals selected for the examination showed two very differ- ent crystallographic relations, namely Bain and Kurdjumov–Sachs relationships, with two variants of initial orientations of the component crystals in each case. The second type of materials comprises polycrystalline two-phase steels, having the ferritic-austenitic structure, subjected to cold-rolling within a wide range of deformations. The results presented in this study are based on the examination of three steels of duplex type with different chemical compositions, various procedures of thermo-mechanical pre-treatment and the resulting dif- ferent initial orientation distributions.
In two-phase (α/γ) bicrystals the interphase boundaries separate the crystal structures of ferrite and austenite with clearly different elastic and plastic properties, what results in a complex character of slip within the so-called interface deformation zone. The performed analysis indicates that the structural effects occurring at the phase interfaces are the result of several factors, but first of all they ensue from the stress distribution adjacent to the (α/γ) boundaries. The complex stress state that occurs at the interphase boundaries during plastic deformation results to a large extent from incompatibility of plastic strains and local stress concentrations from dislocation pile-ups in adjacent crystals. Additionally, the role of elastic anisotropy (incompatibility) occurring between ferrite and austenite crystals should be not- ed at the onset of deformation. The results of the examination performed on tensile tested two-phase (α/γ) bicrystals clearly indicate that the slip pattern within the interface deforma- tion zone, ensuing from the character of plastic strain incompatibility, depends on both, the crystallographic relationship as well as the initial orientations of the components ferrite and
10
austenite single crystals. The importance of these two factors is confirmed by significant differences in the course of the deformation in each of the two variants, with different initial orientations of the component crystals, for the (α/γ) bicrystals showing Bain and Kurdju- mov–Sachs orientation relationships. Very important structural factor that determines the course of slip near the phase boundaries is also a difference in the values of the slip vectors resulting from the distinct crystal structures of both phases.
A gradual development of band-like morphology of two-phase structure upon the pro- cess of plastic deformation exerts a significant influence on the formation of the final rolling textures as well as the microstructure evolution within the areas of ferrite and austenite in all examined duplex steels. Very important factors are also the initial orientation distributions in both phases and the crystallographic relationships between the main texture components after the thermo-mechanical pre-treatment. The effect of initial orientations and crystallo- graphic relations was marked among others by the activation of deformation systems, which showed a specific mutual orientations and symmetry with respect to the rolling direction.
Operation of deformation systems, within the areas of ferrite and austenite bands, having the same or similar values of relative shear stresses and symmetric with respect to the (α/γ) phase boundaries made possible plastically compatible deformation of ferrite and austenite band- like structure in a wide range of deformations. Therefore the stability of the rolling textures in both phases was observed within these deformation ranges. The primary manifestation of such a course of the deformation was a discontinuous character the rolling texture devel- opment, as observed especially in the case of ferrite. As a result, the rolling textures in the examined duplex steels differed from those in one-phase steels. It should be noted, however, that these differences were related mainly to the textures of ferrite, despite the fact that in all steels it formed a matrix with volume fraction of about 60%. A striking manifestation of such a course of texture formation was the absence or low intensity of some texture components or orientation fibers typical for one-phase steels in a wide range of reductions.
