ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 108-115
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.12: 539.388.2: 539.4/.5
ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА ПОСЛЕ ПРОКАТКИ В ФЕРРИТНОЙ ОБЛАСТИ
© 2004 г. И. Ю. Пышминцев, В. А. Хотинов, В. П. Швейкин
Уральский государственный технический университет, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 Поступила в редакцию 26.12.2001 г.; в окончательном варианте - 29.12.2003 г.
Исследовано влияние особенностей структурообразования в техническом железе при многопроходной прокатке в ферритной области на комплекс механических свойств. Показано, что при термомеханической обработке (ТМО) в зависимости от температуры прокатки могут развиваться с разной степенью полноты как процессы динамического разупрочнения, так и процессы статического разупрочнения в паузах между проходами. Изучено влияние показателей напряженного состояния на сопротивление деформации и разрушению феррита при различных режимах ТМО. Полученные данные о закономерностях влияния проведенных обработок на механические свойства позволяют считать, что наиболее эффективное субструктурное упрочнение, при котором обеспечивается высокая пластичность в широком диапазоне значений показателей напряженного состояния, наблюдается после деформации на 90% в интервале температур прокатки 600-700°С.
Известно [1], что наиболее эффективным способом получения оптимального сочетания вязкости и прочности является термомеханическая обработка (ТМО). Особый интерес представляют возможности повышения комплекса свойств феррита, который остается основной структурной составляющей многих широко используемых конструкционных сталей. В работе [2] показано, что образование субструктуры при теплой прокатке может приводить к увеличению прочности, сравнимому с получаемым при измельчении зерна до размеров меньше 1 мкм.
В многочисленных работах [1-3] установлены связи между изменением свойств и строением ферритной матрицы. Доказано, что наблюдаемое увеличение прочностных, пластических и вязкостных свойств исследуемых материалов связано с субструктурным характером упрочнения при фрагмен-тированном полигональном строении феррита.
Целью настоящего исследования было изучение влияния структуры феррита, формирующейся при теплой и горячей прокатке с высокими степенями обжатия и последующем отжиге, на сопротивление деформации к разрушению при различных схемах напряженного и деформированного состояния.
Исследовали технически чистое железо, содержащее (мас. %) 0.027 С, 0.0064 Б, 0.006 Р. Прутки сечением 40 х 40 мм после горячей ковки подвергали отжигу при 1100°С в течение 1 ч. Данное состояние было принято за исходное. Для инициирования структурных превращений образцы подвергали прокатке в закрытом калибре квадратного сечения при температурах от 500 до 900°С за 3 прохода с обжатием 30% за каждый
проход. Минимальная температура прокатки 500°С определялась недостаточной пластичностью образцов при более низких температурах, а максимальная - ограничивалась критической точкой А3. Образцы между проходами подогревали в камерной печи до температуры прокатки в течение 30 мин. Охлаждение образцов после деформации в последнем проходе осуществляли в воде.
Изучение влияния микроструктуры на механические свойства проводили в деформированном состоянии и после рекристаллизационного отжига в течение 1 часа при температуре 600°С. Механические испытания на растяжение осуществляли на пятикратных цилиндрических образцах диаметром 4 мм по стандартной методике, испытания на ударный изгиб - на образцах сечением 10 х 10 мм.
Пластичность оценивали как накопленную степень деформации сдвига в момент разрушения Лр [4, 5]
Лр = 2Т31п^,
а„
(1)
где й0 - начальный диаметр образца, йр - диаметр образца в месте разрушения.
Пластичность зависит от условий испытания и характеризуется показателем напряженного состояния а/Т [4], который выражает соотношение нормальных и касательных напряжений. Варьирование показателя напряженного состояния осуществляли за счет испытания образцов на растяжение при наложении гидростатического давления.
Согласно [4], величина а/Т зависит от приложенного гидростатического давления Р (в числителе) и сопротивления деформации а5 (в знамена-
теле). Кроме того, по мере образования шейки на образце меняется отношение диаметра профиля шейки к ее диаметру ё/Я и соответственно меняется а/Г. Таким образом, если давление Р поддерживается постоянным, то а/Г в процессе испытания меняется. Поэтому рассчитывали среднее за процесс испытания значение показателя а/Г. Для этого проводили интегрирование функциональной зависимости Р/а5 в пределах от Л = 0 до Л = Лр, а отношение (ё/Я)ср определяли по номограмме, которую экспериментально строили для гладких цилиндрических образцов исследуемого химического состава. При определении диаметра профиля шейки ее изображение проецировали на экран с большим увеличением и подбирали лекало соответствующего диаметра.
Исследования структуры проводили методами оптической и электронной микроскопии. Особенности разрушения выявляли с помощью растрового электронного микроскопа 18М-35С. Площадь истинной поверхности разрушения оценивали, используя соотношения Ричардсона-Мандельброта [6]
Ь = Ьо П
(1-О)
(2)
где Ь - длина измеряемой кривой; Ь0 - константа; П - размер измеряющей хорды; О - фрактальная размерность, характеризующая шероховатость траектории трещины в поперечном сечении. Подготовка образцов и расчет параметра О выполнялись по методике [7].
Для определения параметров структуры исследовали 5 образцов (при каждой температуре прокатки) и 10 участков в пределах каждого образца. Степень равноосности зеренной структуры оценивали через коэффициент равноосности по результатам анализа микроизображений
тт _ ^ попер
Кр = И '
^прод
(3)
где ёпопер - размер зерна поперек направления прокатки, ёдрод - размер зерна вдоль направления прокатки.
При построении диаграмм пластичности на каждое давление в испытательной камере также приходилось по 5 образцов (т.е. одну зависимость Лр(а/Г) строили по результатам испытания серии из 20-25 образцов).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура в исходном состоянии состояла из крупных, равноосных зерен феррита (со средним размером около 60 мкм) с участками редких перлитных колоний, объемная доля которых не превышала 2% (рис. 1а). При деформации при повы-
Рис. 1. Зеренная структура феррита:
а - в исходном состоянии; б - после прокатки при
500°С.
шенных температурах процессы упрочнения и разупрочнения идут одновременно, поэтому при такой обработке могут развиваться процессы динамического разупрочнения, которые в зависимости от температуры прокатки проходят с разной степенью полноты. Кроме того, выдержка в паузах между проходами обеспечивает протекание статических процессов. После прокатки при 500°С армко-железо обладает неоднородной зеренной структурой: в направлении, поперечном направлению прокатки, размер зерна составляет 10 мкм, тогда как в продольном направлении -90 мкм (рис. 16).
С повышением температуры деформирования поперечный размер зерна монотонно возрастает до 35 мкм (рис. 2а), тогда как продольный размер уменьшается, достигая минимума (30 мкм) при температуре прокатки 700°С, а затем несколько возрастает. Соответственно, повышается равно-осность зерен (рис. 2в).
Размер зерна, мкм 100 г
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Размер зерна, мкм 70 г
60 50 40 30 20 10 0
Кр 1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(а)
Представляет интерес оценить степень деформации зерен, рассчитываемую по формуле [8]
_|_I_I
(б)
_|_1_
0.0
(в)
_|_1_
400 500 600 700
800 900 1000 Т °С
* пр> ^
Рис. 2. Зависимость размеров зерен феррита от температуры прокатки:
а - после прокатки; б - после прокатки и отжига 600°С, 1 ч; в - зависимость коэффициента равнооснос-ти от температуры прокатки; О - поперечный размер зерна; □ - продольный размер зерна; заштрихованные значки - исходное состояние; Л - коэффициент равно-осности зерен после прокатки; ▲ - коэффициент рав-ноосности зерен после прокатки и отжига.
= |1п
У 7п
V
(4)
0у
где ¿п и йп - средние размеры зерен в поперечном
направлении, и йв - средние размеры зерен в продольном направлении для недеформирован-ного и деформированного образцов. Тогда в случае, например, прокатки при температуре 700°С (рис. 2а) е = 0.28, что приблизительно соответствует относительному удлинению 32%. Это свидетельствует о том, что при такой обработке в междеформационных паузах проходили процессы рекристаллизации, а деформация зерен осуществлялась только в последнем проходе. Исследования показали (рис. 2), что такая последовательность превращений с рекристаллизацией в междеформационных паузах наблюдается при температуре нагрева под прокатку 600°С и выше. Рекристаллизация при охлаждении после последнего прохода в значительной мере подавлена быстрым охлаждением, и поэтому единственным процессом разупрочнения в этих условиях является полигонизация [9]. Только процесс полигонизации является возможным в динамических и статических условиях для обработки при 500°С (рис. 16).
Наблюдения тонкой структуры феррита, прокатанного при 500°С, свидетельствуют о формировании в нем субструктуры, представляющей собой совокупность крупных вытянутых и мелких равноосных субзерен (рис. 3 а) со средним размером 0.5-0.7 мкм. Внутри субзерен, прежде всего крупных, наблюдается высокая плотность дислокаций, которые распределены неравномерно. С повышением температуры прокатки происходит формирование более равновесной структуры: увеличивается размер субзерен, уменьшается неровность стенок (границ) субзерен, снижается плотность дислокаций (рис. 36).
Проведение последеформационного отжига при температуре 600°С приводит к существенным изменениям в зеренной структуре армко-железа, прокатанного при температурах 700°С и ниже. При этом накопленной при деформации внутренней энергии, по-видимому, достаточно для того чтобы при данной температуре отжига в структуре проходили процессы рекристаллизации (рис. 2).
Механические свойства образцов армко-желе-за после прокатки при различных темпер
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.