ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 7, с. 716-726
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.131.7:539.89
ВЛИЯНИЕ СЖАТИЯ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА ИЗМЕНЕНА МИКРОСТРУКТУРЫ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА, ПОДВЕРГНУТОГО ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2014 г. А. С. Чаус
Материало-технологический факультет Словацкого технического университета, Паулинска 16, 917 24 Трнава, Словакия e-mail: alexander.chaus@stuba.sk Поступила в редакцию 12.03.2013 г.; в окончательном варианте — 12.09.2013 г.
Изучено изменение микроструктуры высокопрочного чугуна, подвергнутого горячей пластической деформации, после разрушения образцов в результате сжатия (осадки) при комнатной температуре. Показано, что возникающие при сжатии касательные напряжения вызывают в испытываемых образцах деформацию сдвига, которая заканчивается разрушением путем среза, происходящего под углом 40—50 град к продольной оси образца. Установлено, что разрушение сопровождается образованием узкой зоны сильной пластической деформации чугуна по обеим сторонам магистральной трещины, в которой происходит существенное изменение исходной микроструктуры, обусловленное вязким течением матрицы и графитных включений.
Ключевые слова: деформированный высокопрочный чугун, испытание на сжатие (на осадку), микроструктурные превращения, матрица, графит.
DOI: 10.7868/S0015323014040044
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время все большее внимание уделяется вопросам улучшения структуры и свойств высокопрочного чугуна за счет использования различных технологий обработки металлов давлением, включая как горячее, так и холодное пластическое деформирование. В частности, было исследовано влияние пластической деформации на структуру и свойства высокопрочного чугуна при сжатии с различными скоростями в условиях свободного осаживания [1—3] и в обойме [4—6], а также при прокатке [7—9] и выдавливании [10—12]. В некоторых работах можно найти данные, посвященные комплексному исследованию процессов ковки, прокатки и прессования труб из высокопрочного чугуна [13], прокатки и ковки [14], осадки (ковки) и штамповки заготовок [15] и, наконец, выдавливания, ковки, прокатки и вытяжки [16, 17].
В вышеприведенных работах показано, что в результате пластической деформации в высокопрочном чугуне формируется специфическая микроструктура, сильно отличающаяся от литой. Например, наша работа [12] посвящена исследованию закономерностей изменения исходной литой структуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом под воздействием горячей пластической деформации на субмикроскопическом
уровне, подобного рода исследования в мировой литературе практически отсутствуют. Однако, что касается закономерностей пластической деформации высокопрочного чугуна в условиях сжатия (осадки) при комнатной температуре и, в первую очередь, особенностей пластического течения графитных включений, то они также остаются до настоящего времени мало описанными. Исходя
1
из вышеизложенного, в настоящей работе изучены изменения микроструктуры предварительно подвергнутого горячему пластическому деформированию высокопрочного чугуна, обусловленные его деформационным поведением в области локализованной пластической деформации при разрушении в результате сжатия (осадки) при комнатной температуре.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Методика получения цилиндрических отливок диаметром 60 мм и длиной 300 мм из высокопрочного чугуна, химический состав которого указан в
1 В работе принимали участие кандидаты технических наук Ярослав Сойка (Jaroslav Sojka) и Артур Покровский. Автор выражает благодарность доценту Любомиру Чапловичу (L'ubomir CaploviC) за проведение микрорентгеноспек-трального анализа.
Химический состав исследуемого высокопрочного чугуна, мас. %
Fe C Si Mn Cr Ni Mg P S
Основа 3.52 1.98 0.61 0.14 0.35 0.042 0.068 0.011
таблице, а также технологические параметры горячего пластического деформирования литых заготовок по схеме горячего гидродинамического выдавливания, разработанного в Физико-техническом институте Национальной академии наук Беларуси [18], описаны в работе [12]. Заготовки деформировали с различной фиксированной степенью деформации s = 20, 60 и 80%. При этом выдавленный пруток имел при всех степенях деформации одинаковый диаметр, составляющий 12.5 мм, а степень деформации регулировали изменением диаметра исходной литой заготовки.
Микроструктуру чугуна изучали с помощью светового микроскопа NEOPHOT-22 и растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7600F, оборудованного приставкой Oxford Instruments для мик-рорентгеноспектрального анализа. Образцы для металлографических исследований подготавливали по стандартной методике. После шлифования и полировки образцы протравливали в 3% нитале.
Испытание на сжатие (на осадку) проводили по ГОСТ 8817-82 "Металлы. Метод испытания на осадку" на испытательной машине модели ZD-15 (Германия) с максимальным усилием сжатия 15 тонн при комнатной температуре. Скорость сжатия составляла 5 мм в минуту. Для осадки использовали цилиндрические образцы диаметром 5 мм и высотой 9 мм, которые были вырезаны из деформированных заготовок в продольном и поперечном направлениях по отношению к направлению действия деформирующей силы при горячем гидродинамическом выдавливании в соответствии со схемой, представленной на рис. 1. Строгая параллельность торцевых поверхностей образцов достигалась путем предварительного шлифования на шлифовальном станке. Перед испытаниями образцы тщательно обезжиривались. Для лучшей центровки образцов, а также с целью обеспечения одноосного сжатия, между верхней опорой испытательной установки и поверхностью образцов использовали специальное приспособление в виде опоры с шаровой поверхностью.
выдавливания с различной фиксированной степенью деформации е = 20, 60 и 80%, в поперечном и продольном по отношению к направлению действия деформирующей силы сечениях экспериментальных образцов была тщательно изучена в предыдущей нашей работе [12]. В частности, было показано, что при горячем гидродинамическом выдавливании литых заготовок в поверхностном слое графитных включений под воздействием создаваемого напряжения имело место пластическое течение графита в направлении деформирования, обусловленное специфической литой микроструктурой, а именно, наличием в шаровидном графите поверхностной зоны чрезвычайно дисперсных субмикрокристаллов и прилегающей к ней центральной зоны более крупных, удлиненных кристаллитов. В результате графитные включения деформировались и вытягивались вдоль направления течения чугуна, приобретая своеобразную морфологию, изменяющуюся по мере увеличения степени деформации от овальной (линзовидной) до веретенообразной и, наконец, нитевидной. Деформация же графитных сферолитов в поперечном направлении сопровождалась нарушением правиль-
(a)
F
F
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Микроструктура высокопрочного чугуна, подвергнутого горячему пластическому деформированию по схеме горячего гидродинамического
Рис. 1. Схема вырезки экспериментальных образцов из деформированных заготовок в продольном (а) и поперечном (б) направлениях по отношению к направлению действия деформирующей силы при горячем гидродинамическом выдавливании.
ности их округлой формы в сечении и появлением боковых выступов и отростков [12]. Естественно, что данную микроструктуру можно рассматривать как исходную перед осуществлением испытаний деформированных образцов на сжатие (на осадку).
При проведении испытаний на осадку установлено, что касательные напряжения, действующие под углом 45°, вызывают в испытываемых образцах деформацию сдвига, которая заканчивается разрушением путем среза, возникающего, как это показано на рис. 2а, под углом 40—50 град к оси образца. На примере образца чугуна, который был подвергнут горячей пластической деформации со степенью е = 80% и осадке в соответствии со схемой нагружения, указанной на рис. 1а, видно, что разрушение в результате среза, вызвав-
Рис. 3. Микроструктура (б) деформированного высокопрочного чугуна в районе магистральной трещины на торцевой поверхности разрушенного образца (схема нагружения образца в соответствии с рис. 1а).
шее разделение образца на две половины, сопровождается образованием узкой зоны локальной пластической деформации по обеим сторонам магистральной трещины на торцевой поверхности данного образца (рис. 3). Из рис. 3 следует, что ширина зоны пластически деформированного при осадке металла, границы которой могут быть определены на нетравленом образце по морфологии графитных включений, не превышает 1 мм. В данной зоне находятся развернутые вследствие пластического течения чугуна графитные включения, в результате чего уже в данной плоскости можно видеть их вытянутую форму, в то время как вне этой зоны графитные включения сохранили первоначальную округлую форму, характерную для поперечного сечения (по отношению к направлению действия деформирующей силы) образцов, подвергнутых горячей пластической деформации [12]. Схематическое изображение изменения ориентации графитных частиц вдоль поверхности излома в образце, разрушенном при осадке в соответствии со схемой нагружения на рис. 1а, приведено на рис. 2б.
Изменения микроструктуры чугуна в зоне наибольших пластических деформаций в исследованных образцах, подвергнутых осадке в соответствии со схемой нагружения, указанной на рис. 1а, проиллюстрированы на рис. 4—8. Из рис. 4 видно, что в случае образца, подвергнутого предварительной горячей пластической деформации со степенью е= 20%, в зоне распространения магистральной трещины имело место ярко выраженное пластическое течение перлитно-ферритной матрицы, приведшее к образованию на поверхности излома характерных языков чугуна с очень высокой степенью пластической деформации (рис. 4в). В непосредственной близости от излома произошла
Рис. 4. Общий вид (а) и увеличенное изображение (б, в) микроструктуры высокопрочного чугуна, подвергнутого деформации со степенью 20%, у поверхности излома после разрушения образца в результате сжатия при осадке (схема нагружения образца в соответствии с рис. 1а).
видимая деформация и графитных вклю
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.