научная статья по теме ЭВОЛЮЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИ РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ЗЕРЕН В СТАЛИ SCM435 Металлургия

Текст научной статьи на тему «ЭВОЛЮЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИ РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ЗЕРЕН В СТАЛИ SCM435»

УДК 669.14:548.53

ЭВОЛЮЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИ РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ЗЕРЕН В СТАЛИ SCM435

© Xu Dong1, e-mail: xudong_xyz@163.com; Zheng Bing1; Zhu Miaoyong2; Zhao Hongyang3

1 College of Equipment Manufacturing, Hehei University of Engineering. China, Handan

2 School of Materials and Metallurgy, Northeastern University. China, Shenyang

3 School of Materials Science and Engineering, University of Sci. and Tech. Liaoning. China, Anshan

Статья поступила 28.04.2015 г.

Для изучения динамической рекристаллизации в стали БСМ435 был использован высокотемпературный испытательный комплекс ММБ-200. Исследование влияния температуры и скорости деформации на размер рекристаллизованных зерен осуществляли металлографическим методом. Результаты показали, что параметры деформации оказывают комплексное влияние на балл зерна среднего размера, а также самого крупного и самого мелкого зерна. Оптимальная температура деформации, обеспечивающая формирование дисперсных и однородных зерен, увеличивается с повышением скорости деформации. На основе анализа размеров динамически рекристаллизованных зерен в стали БСМ435 была разработана модель для расчета среднего размера зерен в интервале температур 850-1050 °С.

Ключевые слова: сталь БСМ435; динамическая рекристаллизация; размер зерен; температура деформации.

Изучение динамической рекристаллизации стали, разработка модели рекристаллизации зерен и определение взаимосвязи между параметрами процесса обработки и эволюцией микроструктуры обеспечивают возможность управления размером, формой и однородностью зерен и позволяют повысить технологические свойства материала. Эти мероприятия являются основой для оптимизации процесса горячей штамповки. С целью совершенствования и оптимизации процесса обработки стали, выполнено большое количество исследований, посвященных рекристаллизации и модели расчета размера зерен [1-4]. БСМ435 - типичная средне-углеродистая сталь с хорошей прокаливаемостью. Применение термообработки этой стали позволяет достичь хорошей усталостной и ударной прочности. Эта сталь может быть использована для производства болтов класса 12.9, применяемых в двигателях автомобилей, - продукта высокого класса, получаемого холодной высадкой.

В настоящее время исследования стали БСМ435 в основном сосредоточены на изучении режимов термической обработки, усталостных свойств, динамической рекристаллизации и устойчивости к хрупкому разрушению [5-7]. Авторы исследования также ранее изучали динамическую рекристаллизацию на основе анализа кривых напряжение-деформация при различных условиях деформации [4]. Известен ряд публикаций о законах эволюции динамически рекристаллизованных зерен. В связи с этим, было проведе-

но исследование динамической рекристаллизации стали

SCM435 в процессе высокотемпературных испытаний. В ходе исследования был выполнен анализ влияния температуры и скорости деформации на динамически рекристаллизован-ные зерна малого, среднего и крупного размеров. Была определена связь между температурой и скоростью деформации и размером зерен. Разработана модель для расчета среднего размера динамически рекри-сталлизованных зерен стали SCM435, которая является теоретической основой для разработки качественного процесса горячей штамповки.

Методика эксперимента. Исследовали промышленную горячекатаную сталь SCM435 следующего химического состава (мас. %): C 0,35; Mn 0,55; Si 0,28; P 0,013; S 0,01; Cr 0,92; Mo 0,2. При комнатной температуре микроструктура стали преимущественно бейнитная с небольшой долей феррита, перлита и мартенсита. Приблизительный размер исходных аустенитных зерен 25 мкм [4]. Для выявления микроструктуры образцы травили в горячем насыщенном растворе пикриновой кислоты до появления на их поверхности черного и серого цветов с последующим легким полированием. Исследовали центральную область плоского сечения c помощью анализатора изображений оптического микроскопа Axio Imager.M2m (CARL ZEISS).

Из этой стали были изготовлены цилиндрические образцы размерами 8x15 мм, которые затем помещали в комплекс MMS-200 для испытаний на сжатие. Испытания на сжатие осуществляли при постоянных температуре и ско-

рости деформации, значения которых задавали и контролировали с помощью автоматической системы управления. В начале испытания образцы нагревали со скоростью 20 °С/с до температуры 1200 °С, выдерживали в течение 5 мин, охлаждали со скоростью 10 °С/с до температуры деформации, выдерживали еще 10 с и затем деформировали. Испытания проводили при температурах 750, 850, 950 и 1050 °С и скоростях деформации 0,01; 0,1; 1 и 10 с1. После деформации со степенью 0,5 образцы немедленно закаливали в воду. Ранее были приведены кривые напряжение-деформация при всех условиях деформации [4]. В данной работе была исследована микроструктура образцов в осевом сечении и проанализированы размер и балл зерна при различных условиях деформации.

Эволюция размеров динамически рекристаллизованных зерен. На рис. 1 показаны размеры зерен в образцах после деформации со скоростью 0,01 с-1 при разных температурах. Видно, что с увеличением температуры деформации с 750 до 1050 °С средний размер зерен увеличивается с 8,9 мкм (балл 10,7) до 58 мкм (балл 5,3). Балл зерна определяли, используя метод секущих в соответствии с Chinese National Standard (Metal-methods for estimating the average grain size, GB/T 6394-2002). В структуре образцов после деформации при 750 и 950 °С присутствуют значительно различающиеся по размеру зерна. При пониженной температуре деформации (750 °С) причиной этого может быть неполная рекристаллизация и образование небольшого количества мелких зерен наряду с несколькими крупными, вытянутыми вдоль направления деформации. При высокой температуре деформации (950 °С) высокая плотность дислокаций и высокая энергия деформации приводят к объединению или быстрому росту ряда зерен после рекристаллизации. Эти крупные зерна отличаются от крупных зерен, образованных при температуре деформации 750 °С, форма которых, как правило, представляет собой овал или неравноосный многоугольник. После деформации при 1050 °С средний размер зерен в два раза больше, чем при температуре 950 °С. После деформации при 850 °С

структура относительно однородна, а среднии размер зерен составляет 21 мкм (балл 8,2). Главным образом причиной этого является относительно умеренная температура деформации и рекристаллизация, протекающая в ходе деформации. В то же время энергия деформации при этой температуре недостаточна для роста или объединения рекристаллизованных зерен.

На рис. 2 показана структура образцов после деформации при различной температуре со скоростью 0,1 с1. Видно, что после деформации при 750 °С из-за сравнительно низкой температуры и высокой скорости деформации структура рекри-сталлизована не полностью и содержит несколь-

Рис. 1. Эволюция микроструктуры при скорости деформации 0,01 с 1 и температуре деформации (°С) 750 (а), 850 (б), 950 (в) и 1050 (г)

Рис. 2. Эволюция микроструктуры при скорости деформации 0,1 си температуре деформации (°С) 750 (а), 850 (б), 950 (в) и 1050 (г)

Рис. 3. Эволюция микроструктуры при скорости 1 с-1 и температуре (°С) 850 (а), 950 (б) и 1050 (в)

ко исходных деформированных зерен, вытянутых вдоль направления деформации. В то же время на границе зерен присутствует множество мелких рекристаллизованных зерен, часть которых также вытянуты вдоль направления деформации. Средний размер зерен в этой структуре составляет 34 мкм (балл 6,8). При температурах деформации 1050, 950 и 850 °С средний размер зерен составил 42,7 мкм (балл 6,1), 17,4 (балл 8,7) и 16,6 мкм (балл 8,9) соответственно. Таким образом, снижение температуры деформации приводит к снижению среднего размера зерен в 5,4 раза.

На рис. 3 показана структура образцов после деформации при различной температуре со скоростью 1 с1. Поскольку уже при скорости деформации 0,1 с1 и температуре 750 °С не было замечено существенного развития динамической рекристаллизации, структура после деформации при 750 °С со скоростью 1 с1 далее не рассматривается. В соответствии с приведенными на рис. 3 структурами повышение температуры деформации с 850 и 950 до 1050 °С приводит к увеличению среднего размера зерен с 7,9 мкм (балл 11) и 13,8 мкм (балл 9,4) до 26,8 мкм (балл 7,5). После деформации при 850 °С со скоростью 1 с1 в структуре присутствуют несколько крупных зерен, как и при скорости 0,01 с1.

Анализ структур, представленных на рис. 1 и 3, показал, что для предотвращения образования крупных зерен и неоднородной структуры в ходе рекристаллизации и для создания дисперсной и однородной структуры оптимальная температура деформации должна повышаться при увеличении скорости деформации. При скоро-

850 900 950 1000 1050 Температура деформации, °С

Рис. 4. Распределение среднего размера зерен

10

стях деформации 0,01 и 0,1 с-1 оптимальна температура деформации порядка 850 °С, а при скорости деформации 1 с-1 - около 950 °С.

я

Еу

ср

9,7% 0,7%

9,1%4,1%

0,01 с-I I 0,1 с-1 I I 1 с-1

2%

- 2% 1,4% 5,1%

LI 5,6%

850 950 1050

Температура деформации, °C

я

0J

ср

20

16

12

■Щ 850 °C I I 950 °C I I 1050°C

1,4%3,4%33% ¿™ 20% 6,1% ■ ^- 3,2%. 4,| -

ШШ

0,01 0,1 1 Скорость деформации, с-1

Рис. 5. Распределение зерен максимального (а) и минимального (б) размера

На рис. 4 показано изменение среднего размера зерен (без учета данных при температуре деформации 750 °С). Так, при постоянной температуре деформации балл среднего размера зерен после динамической рекристаллизации увеличивается с ростом скорости деформации. В то же время, при постоянной скорости деформации балл зерен среднего размера снижается с увеличением температуры деформации.

На рис. 5, а показано распределение размеров наиболее крупных зерен. Видно, что при одинаковой температуре деформации балл самого крупного из всех динамически рекристаллизованных

а

8

6

4

2

0

б

8

4

0

зерен аустенита увеличивается с ростом скорости деформации. При постоянной скорости деформации балл наиболее крупного зерна уменьшается с повышением температуры деформации. Если в структуре присутствуют несколько крупн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком