Влияние больших деформаций в горячем состоянии на структуру и свойства низкоуглеродистой стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



УДК 669-179

Влияние больших деформаций в горячем состоянии на структуру и свойства низкоуглеродистой стали

Н. Г. Колбасников, 0. Г. Зотов, В. В. Дураничев, А. А. Наумов, В. В. Мишин, Д. А. Рингинен

Ключевые слова: комплекс в1ееЬ1е-3800, большие деформации, формирование структуры, механические свойства.

Введение

В настоящее время большие пластические деформации считаются одним из перспективных способов получения ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры металлов, которая может обеспечить высокий уровень механических свойств. Однако необходимо признать, что в большинстве случаев при холодной деформации значительное повышение прочности сопровождается привычным снижением пластичности. На наш взгляд, горячая деформация является более оправданным с практической точки зрения методом измельчения структуры, который позволяет обеспечить одновременное повышение прочностных и пластических свойств. В данной работе исследование влияния больших деформаций при постоянной и переменной температуре на структуру и свойства сталей выполнено на испытательном комплексе Gleeble-3800, который был приобретен Санкт-Петербургским государственным политехническим университетом при помощи государственной субсидии по проекту «Инновационный вуз».

Краткая характеристика комплекса Gleeble-3800

Комплекс Gleeble-3800 изготовлен фирмой Dynamic Systems, Inc. (США) в модульном исполнении и предназначен для имитации процессов термомеханической обработки и сварки (рис. 1). К основному силовому блоку подсоединяются модули для выполнения различных поставленных задач:

• деформация сжатием или растяжением;

• кручение;

• ударная деформация;

• многоосевая деформация.

Каждый модуль имеет свою рабочую камеру (рис. 2), которая соединена с вакуумной системой, обеспечивающей разряжение не менее 1 . 10-4 мм рт. ст. Испытания

можно проводить при более низком вакууме, в среде защитного газа или на воздухе. Нагрев образцов (рис. 3) производится путем прямого пропускания электрического тока, при мощности сварочного трансформатора 75 кВА; это обеспечивает максимальную скорость нагрева до 12 000 °С/с. Температура, скорости нагревания и охлаждения контролируются термопарой, приваренной к образцу на прилагаемой к комплексу установке.

Рис. 1. Общий вид комплекса Gleeble-3800

Рис. 2. Общий вид рабочей камеры для испытаний на растяжение и сжатие

ME

[АПШ

Рис. 3. Устройство рабочей камеры модуля многоосевой деформации

Возможна одновременная запись температуры в четырех точках рабочей части образца, причем одна из термопар является управляющей. Система регулирования температуры обеспечивает ее переколебание при нагреве со скоростью 1000 °С/с не более 5-6 °С и поддержание на заданном уровне с погрешностью не более ± 1 °С. В процессе проведения экспериментов охлаждение образцов производится разными способами:

• теплоотвод в водоохлаждаемые медные или стальные захваты;

• обдув воздухом или инертным газом;

• обтекание водой снаружи, внутри образцов или одновременно снаружи и внутри.

Для обеспечения испытаний к основному блоку и модулям подводится электропитание, масло для работы гидропривода, сжатый воздух и дистиллированная охлаждаемая вода. Максимальная скорость охлаждения, достигнутая при испытаниях комплекса на образцах толщиной 6 мм, составляет 4500 °С/с. При охлаждении образцов воздухом или водой вакуумная система отключается от рабочей камеры.

Испытания можно проводить при температуре, варьирующей от комнатной вплоть до температуры плавления, причем для исследований жидко-твердого состояния предусмотрено использование специальных кварцевых трубок. Максимальное усилие при растяжении составляет 10 тс, при сжатии — 20 тс, при ударных воздействиях — 20 тс.

Для записи усилий и деформаций используются тензодатчики и датчики перемещений подвижной траверсы соответственно. Модуль для испытаний на растяжение и сжатие снабжен высокочувствительными измерителями продольной и поперечной деформации, а так-

же дилатометром; все они позволяют выполнять высокоточные измерения перемещений и определять температуры фазовых превращений в заданном диапазоне скоростей нагревания и охлаждения после пластической деформации или без нее.

Максимальные скорости деформации до 200 с-1 достигаются при испытаниях на образцах размером 0 10 х 15 мм при использовании модуля для ударных испытаний, для которого скорость движения рабочей траверсы составляет 2,5 м/с. Таким образом, скорости деформации на Gleeble-3800 перекрывают весь диапазон скоростных режимов деформации самых современных станов горячей прокатки.

Модуль для многоосевой деформации MaxStrain предназначен для получения ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры металлов, что актуально для современного материаловедения. Количество программируемых на комплексе Gleeble-3800 операций нагрева, охлаждения, деформаций с заданной скоростью и степенью деформации, пауз, подстуживаний практически не ограничивается и определяется только свойствами металла.

Комплекс Gleeble-3800 является первой установкой подобного типа в России и по комплектации является уникальным в мировой практике. В лаборатории СПбГПУ, созданной на базе этого комплекса, проводятся исследования механических свойств при помощи испытательных машин, твердомера и копра фирмы Zwick/Roell, для изучения структуры используются микроскопы Leica и Carl Zeiss, оснащенные системами анализа изображений «ВидеоТест» и ThixoMet с системой шлифоподготовки и микротвердомером компании Buehler.

В данной работе пластическую деформацию сталей SAE 1018 и 10Г2ФБ выполняли на модуле «растяжение — сжатие» и на модуле для многоосевой деформации. В первом случае нагрев проводили со скоростью 100 °С/с до температуры 1200 °С, образцы охлаждали до Т = 900 или 1000 °С, затем деформировали многократно при постоянной температуре (900 или 1000 °С), после чего охлаждали естественным способом до комнатной температуры. Во втором случае образец также нагревали до 1200 °С, после чего осуществляли многократную деформацию при снижающейся температуре.

Многократная циклическая деформация «растяжение — сжатие» при постоянной температуре

Пластическую деформацию (рис. 4) проводили растяжением с истинной деформацией 0,2, затем практически без паузы — сжатием

т,°с 1000900800700600500400300200100 0

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00 0,05

\

2

0 100 200 300 400 500 600 700

г, с

Рис. 4. Диаграмма обработки образцов из стали ВЛЕ 1018 при Т = 1000 °С с паузами 15 с: 1 — температура образца, показания термопары; 2 — деформация образца

с той же величиной деформации. После паузы 5 или 15 с цикл «растяжение — сжатие» повторяли еще 19 раз. Таким образом, суммарная истинная деформация образцов в = 8.

На рис. 5 представлена фотография образцов до и после испытаний на модуле «растяжение — сжатие». Знакопеременная деформация привела к образованию двух шеек по обе стороны от небольшой бочки в центральной части образца, где была приварена термопара и подсоединен измеритель деформации. Интересен сам факт самоорганизации формы образца в течение всех циклов обработки.

Для проведения механических испытаний из металла, обработанного на 01ееЬ1е-3800, был изготовлен образец для испытаний на растяжение диаметром 6 мм и длиной рабочей части 20 мм. Испытания проводили при комнатной температуре со скоростью растяже-

Рис. 5. Образцы до и после многократной горячей знакопеременной деформации на комплексе 01ееЬ1е-3800 (а) и образец для испытаний на модуле МахВ^ат (б)

ния 20 мм/мин, вели запись усилий и перемещений в продольном и поперечном направлениях. Результаты исследования структуры и свойств стали ВЛЕ1018 в исходном состоянии представлены на рис. 6. Данная структура представляет собой ферритно-перлит-ную смесь (рис. 6, б). Диаграмма растяжения образца в исходном состоянии представлена на рис. 6, а. Как видно, исходные механические свойства металла не имеют существенных

а) ст,МПа 5004003002001000

б)

о)

0,04 0,08 0,12 0,16 в

й>

1200 —

1000 --

§ 800 +

§ I

3 N е 600

3

400 --

200 --

0

ГГТГГТ I

1 4 7 10 13 Размер зерна, мкм

Рис. 6. Исходные образцы из стали ВЛЕ1018: а — диаграмма условных напряжений в зависимости от деформации ст и деформации в; б — микроструктура, х500; в — гистограмма распределения размера зерна

1

а) о, МПа

600 -

б)

500 -

400 -

300 -

200 -

100 -

о, МПа 700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 -0

0,0

0,0

Рис. 7. Зависимость условных напряжений от деформации при испытаниях на растяжение образцов: а — Т = 1000 °С, пауза между циклами 15 с; б — Т = 900 °С, пауза между циклами 5 с

*12■ ¡11-N10

4 9 §8-

Э1 5.

П 5

г

| 4 <з 3-

§ 1

Ъ 0-

~т

~т

~Г

т

т

т

5 7 9 11 13 15 17 19 21

Размер зерна феррита, мкм

Рис. 8. Структура стали 8ЛЕ 1018: а — после деформации при 900 °С, е = 8, время пауз — 5 с (режим 1); б — после деформации при 1000 °С, е = 8, время пауз 15 с (режим 2); в — гистограмма распределения размера зерна феррита, обработанного по режиму 1; г — поверхность разрушения в шейке после растяжения

0

7

1 2

1

отличий от аналогичных российских марок сталей, например 15ГС, для которой предел текучести от = 300 г 320 МПа, предел прочности ов = 450 г 490 МПа, относительное удлинение 5 = 18 г 22 % [1].

После многократной знакопеременной деформации при е = 8 структура и механические свойства металла существенно изменились. Против ожидания предел текучести снизился до значений от = 70 г 120 МПа, в то время как предел прочности возрос до значения ов = = 650 МПа (рис. 7). Обращает на себя внимание вязкий характер разрушения и высокое относительное удлинение 5 = 43 г 52 %. Растяжение образца после площадки текучести сопровождается сильным деформационным упрочнением вплоть до предела прочности.

Структура образцов во время деформации претерпела значительные изменения. На рис. 8 представлена структура стали ЯЛЕ 1018 после знакопеременной деформации е = 8 при различных температурах деформации и временах пауз между циклами, гистограмма распределения размера зерна феррита для одного из режимов обработки и фотография поверхности разрушения в шейке образца.

Многократная циклическая деформация образцов из стали 10Г2ФБ на растяжение — сжатие при переменной температуре

Испытание (рис. 9) проводили на образцах диаметром 10 мм и длиной рабочей части 30 мм. В средней части каждого из них была приварена термопара. В том же сече-

е Т, °С

1300

0 25 1200 1100

0 20 1000 900

0 15 800700

0 10 600 500

0 05 400 300

0 00 200 100

0 05

I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I

0 50 100150200250300 350400450500550 600650 700

г, с

Рис. 9. Температурно-деформационный режим многократной циклической обработки:

1 — температура; 2 — деформация

нии был закреплен высокоточный измеритель поперечной деформации. Именно там сосредотачивалась пластическая деформация металла. Металл подвергался деформации после нагрева до 1200 °С, выдержки в течение 1 мин и подстуживания до 1100 °С. Логарифмическую деформацию задавали растяжением е = 0,2, которую контролировали при помощи измерителя деформации, а затем без паузы проводили такую же деформацию сжатием. Скорость деформации — 0,1 с-1. После паузы 5 с повторяли цикл «растяжение — сжатие». Всего было выполнено 20 циклов при непрерывном охлаждении от 1100 до 760 °С. Суммарная пластическая деформация составила е = 8. По окончании деформации металл охладили со скоростью 20 °С/с до температуры 560 °С, далее — со скоростью 1 °С/с до 300 °С, а затем при естественном охлаждении до 20 °С.

Металлографические исследования показали, что структура образца по длине рабочей части различается. Так, в его центральной части, где был точно реализован заданный температурно-деформационный режим многократной циклической деформации, структура представляет собой игольчатый бейнит (рис. 10, а).

В периферийной части образцов наблюдается феррито-бейнитная структура (рис. 10, б). Количество феррита увеличивается по мере отдаления от центральной части образцов. Причиной указанных структурных отличий является то, что охлаждение центральной части образца в температурном интервале 760-560 °С происходит достаточно быстро и феррит не успевает выделиться, а скорость охлаждения периферийной части образцов гораздо ниже. Следует отметить, что разрушение образца при испытаниях на растяжение произошло именно по периферийной зоне. Очевидно, феррито-бей-нитная структура является более слабым звеном при разрушении по сравнению с бейнит-ной. Обладая феррито-бейнитной структурой, металл имеет характерные для такого состояния свойства: условный предел текучести 00 2 = = 490 г 500 МПа, ов = 660 г 680 МПа при относительном удлинении до 42 % (рис. 10, в).

Многократная деформация образцов из стали SAE 1018 на модуле для многоосевой деформации MaxStrain

Условия деформации на модуле Мах81;гат для проведения двухосной деформации (рис. 11) таковы, что практически невозможно замерить ее величину непосредственно в ходе процесса. Это удается выполнить, деформируя об-

ME

[АПШ

а)

б)

разец постадийно, извлекая его из захватов. Приближенный график зависимости истинных деформаций от количества ударов бойков представлен на рис. 12.

Истинная (логарифмическая) деформация при обработке на модуле Мах81;гат комплекса 01ееЬ1е-3800 составила в « 15,6. Деформация происходила при переменной температуре от 1150 до 725 °С, после чего образец охлаждался естественным путем за счет теплоотво-да в захваты машины. Как видно по рис. 13 и данным таблицы, в результате обработки металл приобрел ультрамелкозернистую структуру со средним размером зерна феррита 1,68 мкм. В металле появилась фракция зерен феррита с размерами до 1,00 мкм в количестве около 20 %.

P, кН -25 -

-20 -

-15 -

-10 -

-5

0

T,°C 1150 1100 1050 1000 950900850800-

370

380

390

400

410

t , с

Рис. 11. Зависимость температуры г и усилия деформации Р при обработке образцов на модуле МахВ^ат:

1 — зависимость температуры Т от времени г; 2 — зависимость усилия деформации Р от времени г

20

Удлинение, %

Рис. 10. Структура стали 10Г2ФБ после многоцикловой обработки: а — после обработки в центральной части образца в месте приварки термопары; б — после обработки на периферии, в месте разрыва при растяжении; в — диаграмма растяжения.

Точками обозначены по горизонтальной оси: предел прочности, условный предел текучести, напряжение при разрыве образца; по горизонтальной оси: удлинение при максимальном напряжении без учета упругого участка и полное, удлинение при разрушении без учета упругого участка и полное

0 50 0 45 0 40 0 35 0 30 0 25

о

во

••и

....

'288 • " о

0

10

20

30

40

N

Рис. 12. График зависимости истинных деформаций от количества ударов бойков N при испытаниях на модуле МахВ^ат: о — нечетные деформации; • — четные деформации

Б

Средний диаметр, мкм

Рис. 13. Образец из стали ВАЕ1018, обработанный на модуле МахВ'Ъгат: а — структура; б — гистограмма распределения размера зерна феррита

Результаты количественного анализа структуры стали с использованием анализатора изображений Thixomet

Измерение Среднее значение

Общее количество измеренных зерен 5183

Количество зерен на 1 мм2 620 353

Средняя площадь зерна, мм2 0,000002 (2,00 мкм2)

Средний диаметр зерна, мм 0,0013 (1,27 мкм)

Коэффициент анизотропии зерна 1,01

Номер зерна 16

Таким образом, физическое моделирование больших пластических деформаций на комплексе 01ееЪ1е-3800 является эффективным инструментом для выявления режимов термомеханической обработки, обеспечивающих требуемые структуру и свойства промышленных металлов вплоть до нанокристаллического объемного состояния.

Литература

1. Марочник сталей и сплавов: Справочник / Ред. В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вят-кин и др.; под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

ITE объединяет усилия с Deutsche Messe для совместного проведения ряда новых промышленных выставок в москве в 2010 году

ITE Group PLC заключила партнерское соглашение с Deutsche Messe Hannover о проведении четырех новых специализированных промышленных выставок в Москве осенью 2010 года.

Выставки «CeMAT RUSSIA / Транспортная логистика. Интралогистика», «MDA RUSSIA / Механизмы. Приводы. Автоматика», «Industrial Automation RUSSIA / Промышленная автоматика. Автоматизация капитального строительства» и «Surface RUSSIA / Промышленная обработка поверхностей» пройдут под общим названием «Международная промышленная выставка ITFM» с 28 сентября по 1 октября 2010 года в новом современном павильоне на территории Всероссийского выставочного центра (ВВЦ).

ITFM — это российский аналог всемирно известной Ганноверской промышленной ярмарки. Являясь крупнейшим международным промышленным и экономическим форумом, Ганноверская промышленная ярмарка активно используется официальными и деловыми кругами многих стран как площадка для продвижения товаров и услуг, позволяющая поддерживать и обновлять контакты с зарубежными партнерами.

Д-р Андреас Грушов, член Совета директоров Deutsche Messe, отметил: «Несмотря на мировой экономический кризис, Россия есть и останется ключевым рынком для международного экспортного сектора. Наши четыре специализированные промышленные выставки охватывают все ключевые аспекты модернизации российского промышленного сектора. Мы уверены, что подъем отрасли не за горами, и что российский рынок снова вступит на путь развития. И поэтому мы приняли тщательно продуманное решение об инвестировании средств в этот исключительно важный растущий сектор».

Россия продолжает придерживаться планов по модернизации промышленности и сопутствующей инфраструктуры. Машиностроительная отрасль в России имеет долгую и успешную историю развития, но в настоящее время существует колоссальная потребность в модернизации этого сектора, что дает российским и зарубежным производителям промышленных установок и оборудования огромные возможности для развития.

1TFM • •••

ЗЫК 1.19 за 1С Наехал. ВВЦ