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

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

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

§ 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

Средний диаметр зерна, мм 0,0013

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