CC BY
104
УДК 621.7.044: 669.14: 620.18
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА GLEEBLE 3500
М.В. Чукин, О. А. Никитенко, Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, М.П. Барышников, А.С. Ишимов, М.С. Жеребцов
Исследованы возможности физического моделирования деформационного измельчения структуры углеродистой стали с использованием комплекса Gleeble 3500*. Опробованы различные энергосиловые и температурно-скоростные режимы и найдены режимы, обеспечивающие получение УМЗ структур с размером зерна 150-1250 нм, подобно тому, как это достигается при холодной пластической деформации с большими степеням.
Ключевые слова: углеродистая сталь, ультрамелкозернистая структура, высокоскоростная и многоцикловая деформация, горячая пластическая деформация, комплекс Gleeble 3500, равноканальное угловое прессование, растровая электронная микроскопия, программный продукт Thixomet PRO, количественный анализ, микротвердость.
В настоящее время получение объемных материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой осуществляется в основном методами холодной пластической деформации [1-2], что накладывает существенные ограничения на режимы технологического процесса. Перспективным направлением получения УМЗ-структур в металлах и сплавах является использование методов горячей пластической деформации, однако закономерности таких процессов и получаемых свойств материалов изучены не в полной мере. Поэтому актуальным является исследование режимов деформирования для получения УМЗ- структуры методами горячей высокоскоростной (ВСД) и многоцикловой (МЦД) пластической деформации.
Как известно, структуру и свойства металла при деформации определяют такие факторы, как величина давления (или импульса), скорость деформации (или продолжительность процесса) и температура. Большие возможности для моделирования процессов горячей пластической деформации предоставляют комплексы физического моделирования Gleeble 3150, 3500, 3800 [3-4]. Они являются, по сути, высокоскоростным пласто-метром с возможностью реализации практически неограниченного числа стадий обработки металлов давлением с постоянной или переменной по ходу обработки температурой или скоростью деформации. Простое в использовании собственное программное обеспечение формирует удобный интерфейс для создания программ термомеханических испытаний и физического моделирования, а также сбора и анализа полученных данных.
Нагрев образца осуществляется прямым пропусканием электрического тока, что позволяет нагревать образцы со скоростью до 10000 °С/с, а также поддерживать постоянную температуру с точностью 1 оС. Благодаря высокой теплопроводности медных захватов, в которых закрепляется образец, в комплексе 01ееЬ1е 3500 возможно достигать высоких скоростей охлаждения [4].
Целью данной работы является использование физического моделирования на комплексе 01ееЬ1е 3500 различных режимов ВСД и МЦД для выяснения возможности получения УМЗ-микроструктуры в стали 20.
Исследования проводились на образцах диаметром 10 мм и длиной 100 мм, изготовленных из стали марки 20 путем деформирования на модуле «сжатие-растяжение» на комплексе 01ееЬ1е 3500. Высокоскоростная деформация была осуществлена при температурах 750, 800, 900, 1000 и 1200 оС со скоростью деформирования 1000 мм/с и с последующим свободным охлаждением в захватах. Степень деформации при различных температурах была одинаковой и задавалась сжатием образца на 25 мм, которое осуществлялось перемещением траверсы на соответствующее расстояние. Для проведения МЦД были использованы различные режимы, представленные в таблице.
Режимы деформации в процессе обработки при МЦД
№ режима обработки Температура начала деформации, оС Вид деформации Степень деформации Условия охлаждения
1 880 Сжатие 0,4 Свободное охлаждение в захватах (ср. скорость ~ 40 оС/с)
2 880 1 цикл «Растяжение-Сжатие» 0,4
3 1100 20 циклов «Растяжение-Сжатие» 8
4 880 20 циклов «Растяжение-Сжатие» 8
Перед деформированием образцы нагревались до 1200 оС в течение 1 минуты, после нагрева проводилась выдержка в течение 1 минуты при данной температуре для гомогенизации аустенита. По завершению аусте-нитизации образец охлаждался в течение 15 секунд до температуры 1100 оС, а затем со скоростью 2,8 оС/с - до температуры начала деформирования. Для выявления качественных и количественных характеристик микроструктуры использовался оптический микроскоп Meiji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO [5-6], а также растровая электронная микроскопия (РЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа JSM 6490 LV.
Исходная микроструктура горячекатаного образца представлена на рис. 1. Она представляла собой характерную ферритоперлитную структуру: объемная доля перлита составляла примерно 24 %, феррита -76 % (рис. 1, а), размер зерен находился в пределах от 15 до 30 мкм, а среднее межпластиночное расстояние в перлите составляло 0,32 мкм (рис. 1, б).
Микроструктура после ВСД приведена на рис. 2. Она характеризуется наличием параллельных или взаимно перпендикулярных деформационных полос, расположенных с шагом 300...1000 нм, которые образуются в наиболее благоприятно ориентированных зернах и подобны полосовым структурам, возникающим при традиционных способах деформации со степенями e £ 3 - 4. Одновременно прослеживается разбиение деформационных полос и исходных «чистых» зерен феррита (в которых отсутствовали деформационные полосы) на более мелкие по размерам области (фрагменты). Наименьший размер зерна (150 нм) и большее относительное количество фрагментированного феррита наблюдались в образцах, деформированных при температуре 750.800 оС (рис. 2, а, б). При этих температурах деформация стали 20 совершалась в межкритическом интервале Ас1-Ас3, т.е. в двухфазной области аустенит + феррит, когда одновременно деформировались и аустенитные, и ферритные зерна. При этом происходила частичная динамическая рекристаллизации, в результате чего фрагменты феррита приобрели практически равноосную форму. Однако процесс рекристаллизации, очевидно, полностью завершиться не успевает, значительного роста рекристаллизованных зерен не происходит и поэтому зерна диспергированного феррита остаются ультрамелкими - размером в среднем около 400 нм.
Структура, полученная ВСД при температурах 750.800 оС, оказалась во многом аналогична структуре, которая наблюдалась в стали 20 после РКУП при температуре 400 оС (в микроструктуре также формировались деформационные полосы и ультрамелкие зерна размером 300. 500 нм [7- 8]), а также при динамическом канально-угловом прессовании титана при повышенных температурах [9].
Рис. 1. Микроструктура стали 20 в исходном состоянии
Деформация при температуре выше температуры Ас3 (900, 1000 и 1200 оС) протекала в однофазной аустенитной области и также обеспечивала деформационное измельчение структуры. При этом структура после ВСД при 900 и 1000 оС оказалась во многом аналогична структуре после деформации при 800 оС и отличалась только большей величиной зерна (рис. 2, в, г). При этом вследствие более высокой температуры деформации динамическая рекристаллизация протекала более полно, а также происходил рост рекристаллизованных зерен, что привело к увеличению размера зерна до 750...2500 нм.
в г
Рис. 2. Микроструктура стали 20 после высокоскоростной деформации при температуре 750 °С (а), 800 °С (б), 900 (в)
и 1000 °С (г)
Сравнение микротвердости стали 20, полученной при ВСД при повышенной температуре и при РКУП, иллюстрирует рис. 3. Заметное уменьшение твердости наблюдается только после деформации при температуре 1200 оС, а по сравнению с РКУП твердость после ВСД понижена. Однако после ВСД при температурах 750.1000 оС твердость по сравнению с исходным состоянием возросла примерно на 20 %, что обусловлено измельчением зерна и фрагментацией феррита.
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
исх 750 800 900 1000 1200
Температура деформации, град С;
Рис. 3. Сопоставление микротвердости стали 20 после высокоскоростной деформации при различных температурах и после РКУП при 400 С
Характерные особенности микроструктуры, полученной после МЦД, представлены на рис. 4.
а
б
Рис. 4. Микроструктура стали после обработки по режиму 1
При исследованных скоростях охлаждения феррит имеет игольчатое строение и наряду с пластинчатой ферритокарбидной смесью наблюдаются бейнитно-мартенситные участки.
22
г
После эксперимента, осуществленного по режиму 2, микроструктура получилась аналогичная той, которая наблюдалась после эксперимента 1 (рис. 5). Однако в ферритных участках появились деформационные полосы (рис. 5, г), подобно тем, которые были обнаружены при ВСД. После эксперимента, осуществленного по режимам 3 и 4 с большими степенями деформации, микроструктура получилась аналогичная той, которая наблюдалась после режимов 1 и 2 (рис. 6). Однако в ферритных участках появились деформационные полосы, подобно тем, которые были обнаружены при ВСД. При этом размер структурных элементов (ориентированных участков) уменьшился до 15 мкм по сравнению с исходным размером зерна.
Рис. 5. Микроструктура стали после обработки по режиму 2
Из результатов проведенного микроструктурного анализа видно, что большая степень деформации приводит к измельчению структуры. Изменение направления деформации способствует образованию деформационных полос.
Рис. 6. Характерная микроструктура стали после обработки
по режиму 3 и 4
Результаты физического моделирования с использованием комплекса Gleeble 3500 показали принципиальную возможность обеспечения деформационного измельчения структуры стали 20 при высокоскоростной деформации при температурах 750.. .1000 оС до размера зерна 150.. .400 нм подобно тому, как это достигается при больших пластических деформациях без нагрева металла или с небольшим нагревом, не превышающим температуру рекристаллизации.
Выявлено, что при МЦД при больших степенях (е~8) происходят диспергирование структуры и уменьшение размера структурных элементов.
Исследования выполнены в ЦКП НИИ Наносталей при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием высшего образовательного учреждения (контракт 02.G25.31.0040), а также программы стратегического развития университета на 2012 - 2016 гг. (конкурсная поддержка Минобразования РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО).
Список литературы
1. Overview of processing, microstructure and mechanical properties of ultrafine grained bcc steels / R. Song. [et al.] // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 441. № 1-2. P. 1 - 17.
2. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.
24
3. Исследование структуры и свойств TRIP-сталей на комплексе GLEEBLE-3800 / А.И. Рудской [и др.] // Чёрные металлы. 2010. № 2. С. 8-14.
4. Чукин Д.М., Ишимов А.С., Жеребцов М.С. Использование комплекса Gleeble 3500 для анализа фазовых превращений в стали эвтектоид-ного состава, микролегированной бором. // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. М.В. Чукина. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. Вып. 38. С. 53-57.
5. Копцева Н.В., Чукин М.В., Никитенко О. А. Использование программного продукта Thixomet PRO для количественного анализа ультрамелкозернистой структуры низко- и среднеуглеродистой стали, подвергнутой равноканальному угловому прессованию // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 8. С. 12-17.
6. Количественный анализ микроструктуры заготовок из ультрамелкозернистой стали марок 20 и 45, полученных методом равноканально-го углового прессования / А.И. Мешкова [и др.] // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2011. № 1. С. 153-156.
7. Формирование структуры и механических свойств углеродистой конструкционной стали в процессе наноструктурирования методом равно-канального углового прессования / Н.В. Копцева [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 7. С. 11-17.
8. Копцева Н.В. Деформационное измельчение структуры углеродистых конструкционных сталей методом равноканального углового прессования для повышения прочности продукции метизного производства. // Сталь. 2012. № 8. С. 50-56.
9. Повышение механических свойств титана методом динамического канально-углового прессования / В.И. Зельдович [и др.] // Вопросы материаловедения. 2012. № 1 (69). С. 29-37.
Чукин Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., первый проректор-проректор по научной и инновационной работе, заведующий кафедрой, M. Chukin@,mail. ru, Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г. И. Носова,
Никитенко Ольга Александровна, канд. техн. наук, ст. преподаватель, olganikitenko@,list. ru, Россия, Магнитогорск,МГТУ им. Г. И. Носова,
Ефимова Юлия Юрьевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Магнитогорск, МГТУ им.Г.И. Носова,
Копцева Наталья Васильевна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Магнитогорск, МГТУ им.Г.И. Носова,
Барышников Михаил Павлович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Магнитогорск, МГТУ им.Г.И. Носова,
Ишиов Алексей Сергеевич, асп., [email protected], Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова,
Жеребцов Максим Сергеевич, асп., [email protected], Россия, Магнитогорск, МГТУ им.Г.И. Носова
DEFORMATION CRUSHING OF STRUCTURE OF CARBONACEOUS STEEL WITH USE GLEEBLE 3500 COMPLEX
M. V. Chukin, O. A. Nikitenko, Yu. Yu. Efimova, N. V. Koptseva, M.P. Baryshnikov, A.S. Ishimov, M.S. Zherebtsov
In work possibilities of physical modeling of deformation crushing of structure of carbonaceous steel with the use of complex Gleeble 3500* are investigated. Various power and temperature and high-speed modes are tested and the modes providing UMZ of structures with a size of grain of 150-1250 nanometers just as it is reached at cold plastic deformation with big degrees are found.
Key words: carbonaceous steel, ultrafine-grained structure, high-speed and multicycle deformation, hot plastic deformation, Gleeble 3500 complex, equal-channel angular pressing, raster electronic microscopy, Thixomet PRO software product, quantitative analysis, micro hardness.
Chukin Mikhail Vitalyevich, doctor of technical science, professor, the first vice rector for scientific and innovative work, the head of the department of machine-building and metallurgical technologies, M. Chukinamail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Nikitenko Olga Aleksandrovna, the senior lecturer, Cand.Tech.Sci., chair of machine-building and metallurgical technologies, olganikitenkoalist. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Еflmova Yulia Yurevna, associate professor, Cand.Tech.Sci., chair of machinebuilding and metallurgical technologies, jefimova 78@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Kopceva Natalia Vasylievna, doctor of technical science, professor, chair of foundry production and materials science, koptsev2002@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Baryshnikov Mikhail Pavlovich, associate professor, professor, chair of machinebuilding and metallurgical technologies, koptsev2002@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Ishiov Alexey Sergeyevich, postgraduate, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Stallions Maxim Sergeyevich, postgraduate, chair of machine-building and metallurgical technologies, koptsev2002@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Zherebtsov Maxim Sergeyevich, postgraduate, chair of machine-building and metallurgical technologies, koptsev2002@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Stallions Maxim Sergeyevich, postgraduate, chair of machine-building and metallurgical technologies, koptsev2002@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
УДК 006.012
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТИЗНОЙ ПРОДУКЦИИ: ОСОБЕННОСТИ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Г.Ш. Рубин, Г.С. Гун, М.А. Полякова
Рассмотрены основные особенности современного этапа развития стандартизации. Проанализированы существующие проблемы стандартизации и определены пути их решения. На примере разработанных методов получения углеродистой проволоки с ультрамелкозернистой структурой показана необходимость развития научных основ стандартизации.
Ключевые слова: стандартизация, метизная продукция, комплексная стандартизация, параметрическое согласование, структурное согласование, опережающая стандартизация, углеродистая проволока.
В настоящее время управление качеством продукции связано, прежде всего, с определением ее соответствия определенным нормам, в частности действующим стандартам. За время своего исторического развития стандартизация превратилась в стройную систему теоретических и практических действий, направленных на установление норм и правил на продукцию и услуги. Однако к настоящему времени в данной сфере деятельности накопилось большое количество проблем, являющихся в определенной степени барьерами на пути взаимодействия производителей и потребителей.
Метизные изделия являются одним из востребованных видов продукции. Номенклатура производимых метизов насчитывает десятки наименований. Однако существующее положение дел в системе стандартизации метизной продукции сдерживает внедрение передовых технологий в производство. Многие действующие в настоящее время стандарты не пе-
