Технические науки/1. Металлургия

 

Канаев А.Т., Сержанов Р.И., Байбосынова Л. А.

 

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева, Казахстан

 

Диаграмма горячей деформации аустенита

углеродистой стали марки Ст. 5 сп.

 

Для непосредственного изучения структурных изменений, происходящих в процессе пластической деформации при температурах 800-1100°С использовали высокотемпературную установку ИМАШ 20-78, позволяющую получать ценную информацию о механизмах упрочнения и разупрочнения, взаимосвязи между структурой и механическими свойствами исследуемых материалов.

В данной работе в качестве материала для исследований была выбрана углеродистая сталь марки Ст.5сп., используемая для производства массовых видов сортового проката.

Методика проведения экспериментов сводилась к следующему.

Образцы с тщательно отполированной поверхностью для растяжения толщиной и шириной по 3 мм и длиной рабочего участка 6 мм нагревали в вакуумной камере установки до температуры 980°С при разряжении 2∙10-5 мм в. ст. Во время эксперимента вели автоматическую запись диаграммы в координатах усилие – время p = f (τ). Температуру образцов на рабочей длине в момент деформации поддерживали постоянной на уровне 980°С с погрешностью не более ±5°С. Скорость движения активного захвата установки равнялась 28 мм/мин. Для получения диаграммы горячей деформации σист = f (ψист) строили предварительно тарировочную зависимость деформации ε от времени деформирования. ε = f (τдеф). ψист – истинное значение сужения образца в месте образования шейки. Для построения тарировочной зависимости ε = f (τдеф) образцы деформировали при температуре 980°С в течение заданного времени, по истечении которого произвели мгновенную разгрузку и определяли истинное значение относительного сужения, соответствующее данному отрезку времени. Далее в основном эксперименте пользовались полученной тарировочной кривой, определяя степень деформации во время деформирования. Диаграмму горячей деформации строили путем пересчета записанных в координатах p = f (τ) кривых растяжения образцов, для чего на оси времени, в соответствии с тарировочной зависимостью ε =f(τдеф), определялись точки, соответствующие деформации, кратно 5%. Истинное напряжение для этих точек определяли по формуле  σист = P / F (1-ψ), где

σист  - истинное напряжение течения при растяжении;

Р – усилие, соответствующее истинной величине относительного сужения в момент времени τ;

τ – текущее значение времени;

F – исходная площадь поперечного сечения.

 

Рис.1. Диаграмма горячей деформации стали марки Ст.5сп

 

Диаграмма горячей деформации аустенита углеродистой стали марки Ст.5сп., представленная на рис.1, представляет собой зависимость истинного напряжения течения от истинного относительного сужения при растяжении. Видно, что диаграмма горячей деформации имеет 4 характерных стадии изменения напряжения течения в зависимости от уровня деформации.

I стадия аналогична легкому скольжению на кривой деформационного упрочнения, когда действует одна система скольжения.

II стадия соответствует множественному скольжению и  максимальной интенсивности роста напряжения течения на начальных этапах горячей пластической деформации, характеризуется напряжением и деформацией, соответствующими на диаграмме от точки 1 до точки 2.

III стадия дальнейшего роста, но с постепенным ослаблением интенсивности роста, отвечает уровню напряжения и деформации от точки 2 до точки перехода через максимум σист  - ψист.  Эти две стадии соответствует упрочнению-горячему наклепу. Как видно из диаграммы, II стадия сопровождается интенсивным деформационным упрочнением, о чем свидетельствует наклон кривой и линейная зависимость между σист  и ψист. На III стадии наклон кривой и соответственно интенсивность упрочнения уменьшается, что связано с развитием термически активируемых процессов разупрочнения. Наличие двух участков горячего наклепа свидетельствует о смене механизма структурообразования при деформации [1]. Точка перехода от II стадии ко III является границей, выше которой на процесс горячего наклепа накладывается процесс динамического возврата, в основе которого лежит  поперечное скольжение и переползание дислокаций.

IV стадии отвечает участок диаграммы за точкой 4 кривой  σист  - ψист.,  отличается наличием постоянного по величине или малоизменяющегося значения напряжения. При этом непрерывно набирается деформация. Эта стадия характеризуется одновременным протеканием двух конкурирующих процессов: деформационного упрочнения в результате горячего наклепа и разупрочнения по механизму динамического возврата. На этой стадии деформации интенсивно развивается ячеистая субструктура, характеризующаяся тем, что зерно металла дислокационными скоплениями разбивается на ячейки, внутри которых плотность дислокации заметно меньше, чем в стенках. Диаметр ячеек обычно составляет 1-3 мкм, толщина их стенок на порядок меньше. Из-за избытка дислокации одного знака в стенке соседние ячейки разориентированы на углы до 1-2°. Ячеистая структура в конце III стадии и при переходе к стадии  IV трансформируется в динамически равноосную полигонизованную структуру с равноосными субзернами. Отличие полигонизованной  субструктуры от ячеистой состоит в том, что при полигонизованной субструктуре тело деформированного зерна разделено на мельчайшие субзерна с малоугловыми субграницами, представляющими собой плоские сетки дислокации, а при ячеистой субструктуре малоугловые границы образованы объемными сетками дислокации.

Ососбенностью динамически полигонизованной субструктуры является то, что кроме упрочняющего эффекта из-за торможения дислокаций субграницами, они (субграницы) могут пропускать через себя дислокации, т. е. способствуют релаксации пиковых микронапряжений. Это, естественно, снижает склонность металла к хрупкому разрушению (повышается вязкость). Таким образом, характер субзеренной структуры – размеры субзерен, структура субграниц и плотность дислокаций в них, играет большую роль для получения высоких механических свойств и снижения склонности к хрупкому разрушению. Важным преимуществом субструктуры, образовавшейся на стадии динамической полигонизации, является также ее высокая термическая стабильность. Структура, образовавшаяся механизмом динамической рекристаллизации, менее благоприятна из-за своей неоднородности и большей термической нестабильности.

На IV стадии устанавливается динамическое равновесие между упрочнением, обусловленным горячей деформацией и одновременно протекающим интенсивным разупрочнением. При этом разупрочняющими процессами могут быть динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация, проходящие в условиях одновременного воздействия деформирующихся усилий.

Если главным разупрочняющим процессом на стадии установившегося течения является динамическая полигонизация, то в процессе горячей пластической деформации формируется тонкая дислокационная субструктура с относительно невысокой плотностью дислокации внутри субзерен. Такая субструктура динамической полигонизации наиболее предпочтительна при совмещенной деформационно-термической обработке, она легко наследуется мартенситом с достижением в закаленной стали наиболее благоприятного сочетания высокой прочности и пластичности [2].

Если же подавляющим процессоv разупрочнения на стадии установившегося течения является динамическая рекристаллизация, то возникает неустойчивая субструктура с повышенной плотностью дислокации внутри субзерен. Это связано с тем, что при динамической рекристаллизации не все избыточные дислокации уничтожаются, поскольку продолжающаяся горячая деформация вносит в тело субзерен новые свежие дислокаций. Поэтому в определенной степени горячий наклеп в процессе динамической рекристаллизации сохраняется.

Важное практическое значение имеет то обстоятельство, что созданная на IV стадии субструктура динамической полигонизации вследствие снижения накопленной энергии обладает способностью тормозить статическую (первичную) рекристаллизацию при  последствующих, нередко длительных, последеформационных выдержках (до 40 с). Это расширяет технологические возможности при практическом осуществлении деформационно-термического упрочнения с прокатного (деформационного) нагрева [3].

 

Выводы

1.                     Диаграмма горячей деформации углеродистой стали марки Ст.5сп. характеризуется четким выявлением четырех стадии деформации: горячего наклепа, динамического возврата, полигонизации и стадии установившегося течения, что свидетельствует о протекании сложных упрочняющих и разупрочняющих процессов во время горячей пластической деформации.

2.                     Упрочняющие процессы вызываются увеличением плотности дислокаций под дейтвием внешних сил, а также взаимодействием дислокаций между собой. Разупрочняющие процессы могут быть вызваны динамической полигонизацией и (или) динамической рекристаллизацией.

3.                     Установлено влияние степени деформации и последеформационной паузы на прочностные характеристики стали марки Ст.5сп. и показано, что упрочнение достигается на стадии горячего наклепа при степени деформации ε = 10%. Последеформационная пауза до 40 с практически не приводит к интенсивному разупрочнению.

 

Литература

1.    Канаев А.Т. Дислокационная теория упрочнения металлических материалов. Республиканский журнал «Технология производства металлов и вторичных материалов», Темиртау, 2003, №2 стр. 64-73.

2.    Материалы Международного семинара по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, МИСиС, 1996.

3.    Нечаев Ю.С., Канаев А.Т.  К вопросу о механизме термомеханического упрочнения низкоуглеродистых и низколегированных сталей, Металлы, Известия РАН, Москва, 1995, №2. стр.159-165.