Высокотемпературные характеристики сталей С45 и С70 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

2. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Оценка конъюнктуры мирового рынка и областей применения наносруктуриро-ванного высокопрочного листового проката / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Международный сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. Вып. 21. С. 39- 45.

3. Чукин М.В., Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Кузнецова А.С., Алексеев Д.Ю. Анализ технических требований, предъявляемых к наноструктурированному высокопрочному листовому прокату / Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. №2. С.19- 28.

4. Полецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А., Алексеев Д.Ю., Набатчиков Д.Г. Исследование влияния режимов термической обработки на механические свойства высокопрочного листового проката / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 88 - 92.

5. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Исследование влияния температуры нагрева при закалке на механические свойства низколегированной высокопрочной стали / Производство проката. 2015. №5. С. 32 - 37.

6. Тлустенко С.Ф. Теория и режимы нагрева и термообработки заготовок и деталей в процессах ОМД: учеб. пособие / С.Ф. Тлустенко. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. - 80 с.

7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

8. Шрейбер Г. К., Шибряев Б. Ф., Полферов А.П., Перлин С. М., Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности: Справочное руководство. М.: Машиностроение, 1962. -383 с.

9. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка: Учебник. - М.: Машиностроение, 1965. - 503 с.

УДК 669.018.58.017

С. Савицкий1, К. Лабер, Х. Дыя, А. Кавалек

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ С45 И С70

Аннотация. В работе проведен анализ высокотемпературных характеристик пластичности сталей С45 и С70. Целью исследований была оценка деформируемости исследуемых сталей в условиях горячей деформации. Для определения склонности сталей С45 и С70 к трещинообразованию при высоких температурах образцы испытывали на оборудовании для физического моделирования Gleeble 3800. Были определены температура нулевой прочности, нулевой пластичности, температура возврата в пластичное состояние, а также коэффициент трещиноустойчивости и область хрупкого состояния.

Полученные данные будут использованы при анализе процесса кристаллизации исследуемых сталей на установке УНРС (непрерывной разливки стали), а также при определении параметров охлаждения стали, обеспечивающих отсутствие растягивающих напряжений в материале при его перемещении через кристаллизатор при температуре выше температуры нулевой прочности.

Ключевые слова: сталь С45, С70, пластометрические исследования, высокотемпературные характеристики, температура нулевой пластичности, температура нулевой прочности, температура возврата в пластичное состояние

ВВЕДЕНИЕ

Целью исследований, представленных в данной работе, является определение параметров, характеризующих механические свойства сталей С45 и С70 при повышенных температурах, в том числе в области «твердая фаза - жидкость», при нагреве и охлаждении [1-5]:

- ТНПр (Температура нулевой прочности -№Т) - температура перехода нагреваемого металла или сплава в состояние нулевой прочности;

- ТНПл (Температура нулевой пластичности - КБТ) - температура, при которой нагреваемый металл или сплав полностью теряет пластичность;

- ТВПС (Температура возврата в пластичное состояние - БИТ) - температура, при которой материал снова становится пластичным при охлаждении после нагрева.

Для того, чтобы охарактеризовать склонность стали к трещинообразованию, используют коэффициент сопротивления трещинообразования К/, который определяется следующим образом:

КГ =

жг - мот

ыт '

(1)

чем выше его значение, тем меньше сопротивление стали к трещинообразованию.

Диапазон температур между температурой нулевой прочности (ТНПр) и температурой возврата в пластичное состояние (ТВПС) считается температурной областью хрупкости (BTR). Главной целью проведенных исследований было определение склонности материала к трещинообразованию. Исследования для определения температурного

диапазона потери пластичности для сталей C45 и C70 в условиях кристаллизации слитка на установке УНРС проводились на комплексе для физического моделирования металлургических процессов Gleeble 3800, находящегося на кафедре обработки металлов давлением и инженерии безопасности Ченстоховского Технологического Университета (рис. 1), при использовании модуля PocketJaw. Данный модуль позволяет осуществлять: - одноосное растяжение и сжатие, моделирование плоского деформированного состояния, плавление и кристаллизация металлов, тесты SICO (Strain Induced Crack Opening);

- дополнительную систему измерения малых

сил;

определение кривых упрочнения для анализируемых видов стали в границах температур и скорости деформации прокатки в чистовой группе клетей;

- проведение физического моделирования прокатки толстого листа при разных температурах и степени деформации;

- определение оптимальных схем обжатий и температур, благодаря которым непосредственно после прокатки можно получить листы с такими же свойствами, как и после классической прокатки и нормализационного отжига.

Рис. 1. Оборудование для моделирования металлургических процессов Gleeble 3800

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИИ

Для исследований использовали образцы из сталей С45 и С70 с химическим составом, пред-

ставленным в табл. 1. Образцы изготовлены по рекомендациям DynamicSystemsInc. - производителя оборудования Gleeble 3800.

Таблица 1

Химический состав сталей, %_

Сталь C Mn Si P max. S max. Cr max. Ni max. Mo max. Cu max.

C45 0,40-0,45 0,50-0,80 0,10-0,30 0,035 0,035 0,20 0,25 0,05 0,30

C70 0,68-0,73 0,50-0,80 0,10-0,30 0,035 0,035 0,15 0,20 0,05 0,25

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕРИАЛА

Для определения температуры нулевой прочности (ТНПр) первоначально проводят два испытания на точку. При разнице полученных данных ДТНПр>20 °С, необходимо провести третий эксперимент. Температура нулевой прочности (ТНПр) рассчитывается как средняя величина проведенных испытаний.

Образцы для определения температуры нулевой прочности ТНПр нагревали до температуры 1250 °С со скоростью 20 °С/с, а затем со скоростью 1°С/с до температуры разрушения. Температура ТНПр определялась на основании результатов 3 испытаний для каждого исследуемого материала.

Температура нулевой прочности ТНПр для стали С45 составляет 1400 °С, а для стали С70 -1373 °С. Фотография рабочей камеры в момент

испытания образца на определение ТНПл представлена на рис. 2.

Образцы для определения температуры нулевой пластичности ТНПл нагревали до температуры 1250°С со скоростью 20 °С/с, далее до температуры деформации - со скоростью 1°С/с. После достижения заданной температуры образцы выдержали 5 с и испытывали методом растяжения при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с.

Изменение сужения образца в зависимости от температуры деформации представлено на рис. 3 и 4.

На основании изменения пластичности (рис. 3.) можно сделать вывод о том, что температура нулевой пластичности для стали С45 составляет 1350 °С и 1375 °С при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

Рис. 2. Испытание на определение ТНПл

0) 40% I 30%

| 20%--V-Т-

^ \ * 10%--\ \

0% -^-•-«-

1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 1380 Температура [ С]

Рис. 3. График пластичности стали С45 для определения ТНПл

70% т-

1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340

Температура [ С]

Рис. 4. График пластичности стали С70 для определения ТНПл

На основании данных, представленных на рис. 4, видно, что для стали С70 при скорости перемещения траверсы 1 мм/с температура нулевой пластичности составляет 1340°С, а при скорости перемещения траверсы 20 мм/с - 1290°С.

Для определения температуры возврата в пластичное состояние (ТВПС) образцы нагревали до температуры 1250 °С со скоростью 20°С/с, а далее до температуры нулевой прочности со скоростью 1 °С/с (1400°С для стали С45 и 1373°С для стали С70). После 5-ти секундной выдержки, образцы охлаждали до температуры деформации со скоростью 1 °С/с и выдерживали в течение 5 с. Образцы испытывали методом растяжения при скорости растяжения траверсы 1 мм/си 20 мм/с. Значение

Рис. 5. Изменение пластичности при определении ТВПС для стали C45

На основании данных, представленных на рис. 5, можно сделать вывод о том, что температура возврата в пластичное состояние для стали С45 при скорости перемещения траверсы 1 мм/с составляет 1328°С, а при скорости перемещения траверсы 20 мм/с -1358°С.

1320 1330 1340 1350 1380 1370 1380

Температура ['С]

Рис. 6. Изменение пластичности при определении ТВПС для стали C70

Из рис. 6 видно, что температура ТВПС для стали С70 при скорости перемещения траверсы 1 мм/с составляет 1327°С, а при скорости перемещения траверсы 20 мм/с - 1358°С.

Полученные результаты позволили определить коэффициент сопротивления трещинообразо-ванию Rf исследуемых материалов.

Коэффициент сопротивления трещинообра-зования Rf для стали С45:

1 мм/ сек ^ Яг = 0,03704

20 мм/ сек ^ = 0,01818

Коэффициент сопротивления трещинообра-зования Rf для стали С70:

1 мм / сек ^ Яг = 0,02462 20 мм / сек ^ Яг = 0,06434

Из полученных данных видно, что увеличение скорости при испытании образцов приводит к повышению сопротивления трещинообразованию сталь С45. Для стали С70 увеличение скорости испытания образцов наоборот приводит к сснижению сопротивления трещинообразованию.

Интервал температур между ТНПр и ТВПС является температурной областью хрупкости BTR [1] и для стали С45 он составляет ~36°C и ~31°C при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно. Для стали C70 температурная область хрупкости составляет ~45°C и ~30°C при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили определить высокотемпературные параметры сталей С45 и С70. Определены температуры нулевой пластичности и прочности, а также температуры возврата в пластичное состояние и коэффициенты сопротивления трещинообразованию.

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

1. Величина температуры нулевой прочности (ТНПр) для стали C45 составляет 1400 °C, для стали C70 - 1373 °C.

2. Величина температуры нулевой пластичности (ТНПл) для стали C45 при скорости перемещения траверсы 1 мм/с составляет 1350°C, а при перемещения траверсы 20 мм/с - 1375°C. Для стали С70 эти значения составляют 1340°C и 1290°C при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

3. Величина температуры возврата в пластичное состояние (ТВПС) для стали C45 составляет 1328°C и 1358°C при скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно, а для стали С70 - 1327°C и 1358°C при перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

4. Величина коэффициента сопротивления материала трещинообразованию^/ для стали С45 составляет 0,03704 и 0,01818 для скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

Для стали C70 Rf составляет 0,02462 и 0,06434 для скорости перемещения траверсы 1 мм/с и 20 мм/с соответственно.

5. Температурная область хрупкости BTR для стали С45 составляет ~72 °C (при 1 мм/с) и ~42 °C (при 20 мм/с), а для стали C70 ~46 °C (при 1 мм/с) и ~15 °C (при 20 мм/с).

На основе результатов замеров температуры на поверхности заготовок, изготовленных при непрерывной разливке стали в промышленных условиях и результатов исследований, полученных на комплексе Gleeble 3800, определены диапазоны температур, при которых отмечается потеря пластичности исследуемых марок сталей, скорость литья заготовок и условияохлаждения в различных зонах устройства УНРС. Соблюдение технологических условий непрерывного литья, установленных в результате проведенных исследований, позволило исключить трещины на торцах и уменьшить сегрегацию элементов, особенно углерода, в центральной части отлитых заготовок из высокоуглеродистой стали.

Исследования были профинансированы из средств государственного Центра Исследований и Развития Польши в 2013^2016 годах в рамках проекта прикладных исследований №PBS2/A5/0/2013.

Список литературы:

1. System Gleeble 3800 Manual

2. Zalecki W., Lapczynski Z. Charakterystyki Wysokotemperaturowe stopow Inconel 625 i 718, Prace IMZ 3, 2013, s. 35-41.

3. Hadasik E., Kuc D. Obrobka Plastyczna stopow magnezu, Obrobka Plastyczna Matali Vol. XXIV nr 2 (2013), s. 131-146.

4. Dyja H., Knapinski M., Kawalek A., Kwapisz M., Sawicki S., Charakterystyki wysokotemperaturowe badanych materialow, prace niepublikowane.

5. Dyja H., Galkin A., Knapinski M.: Reologia metali odksztalcanych plastycznie, Wyd. Politechniki Cz^stochowskiej, Cz^stochowa 2010.