Термомеханическая обработка с деформацией во время перлитного превращения («изоформинг»)

Сталь после аустенизации охлаждают до температур перлитного превращения и деформируют во время этого превращения. Это приводит к формированию тонкой субзеренной структуры в феррите (размер субзерен 1 мкм) и замене карбидных пластин в перлите на дисперсные сферические равномерно распределенные частицы диаметром порядка 10^-2-10^-1 мкм.

По сравнению со сталью с феррито-перлитной структурой, полученной после обычной горячей обработки давлением, сталь после изоформинга обладает более высоким пределом текучести и, что особенно важно, резко увеличенной вязкостью. Сопротивление распространению трещины может возрасти на порядок.

Прочностные характеристики после изоформинга хотя и возрастают, остаются относительно на невысоком уровне.

Совершенная субзеренная структура феррита формируется в результате полигонизации во время пластической деформации и в паузах между обжатиями. Дисперсные частицы карбида могут зарождаться на дислокациях в аустените, а могут также появляться в результате фрагментации карбидных пластин и их сфероидизации, ускоренной деформацией.

Существует оптимальная температура деформации, выше которой субзерна и карбидные частицы получаются крупнее, а ниже – не успевают сформироваться совершенные субзеренные границы, что отрицательно сказывается на вязкости стали. Суммарная степень обжатия для получения оптимальной структуры не должна быть меньше 70%.

Основной недостаток изоформинга – высокое сопротивление стали деформированию при пониженных температурах обработки давлением.

Следует учитывать, что при обработке как с перлитным, так и с бейнитным превращением возникают значительные текстура и анизотропия механических свойств. Реализацию этих режимов у4прочнения затрудняет необходимость использования мощного деформирующего оборудования.

Тмо с деформацией мартенсита

Стали, закаленные на мартенсит, подвержены деформационному старению. Этот процесс можно использовать для дополнительного упрочнения среднеуглеродистых конструкционных сталей. С этой целью после закалки и низкого отпуска сталь подвергают небольшой пластической деформации при комнатной температуре и заключительному низкому отпуску. Пластическая деформация может осуществляться различными способами (растяжением, прокаткой, волочением, экструзией). Степень деформации 3-6%. Окончательный отпуск (старение) проводится при температурах на выше температуры исходного отпуска.

Упрочнение сталей при деформационном старении связано с тем, что пластическая деформация обеспечивает заметное увеличение плотности дислокаций в мартенсите, а последующий нагрев вызывает их закрепление атомами углерода. Ряд экспериментальных данных позволяет считать, что малая пластическая деформация вызывает релаксацию напряжений в мартенсите. Кроме того, при пластической деформации наблюдается уменьшение тетрагональности мартенсита, что способствует увеличению подвижности дислокаций и также облегчает релаксацию напряжений в местах их локализации.

Эти эффекты могут скомпенсировать охрупчивание, вызванное наклепом и закреплением дислокаций, и способствовать повышению пластичности и сопротивлению хрупкому разрушению.

Значительное влияние на формирование свойств при упрочняющей обработке оказывает вид пластической деформации. Эффективным методом обработки является гидроэкструзия, при которой реализуется схема всестороннего сжатия. Это обеспечивает получение наиболее благоприятного комплекса механических свойств. Следует отметить, что деформационное старение мартенсита, как метод упрочнения, не получил широкого распространения не только вследствие технических трудностей его осуществления, но и ввиду ограниченной номенклатуры изделий, которые могут быть упрочнены таким способом. Хотя эта методика позволяет увеличить предел прочности на 10-20%, а предел текучести на 20-40%. Это уменьшает чувствительность к замедленному разрушению и склонности к коррозионному растрескиванию. В ряде случаев наряду с существенным повышением прочностных свойств удается увеличить пластичность и сопротивление хрупкому разрушению (тщательным подбором режима упрочнения).

Контролируемая прокатка –

Это горячая прокатка по регламентируемому режиму, включающему запрограммированные температуры начала и конца деформации, степень обжатия и скорость охлаждения.

Такая обработка позволяет целенаправленно воздействовать на формирование продуктов диффузионного превращения переохлажденного аустенита. В результате получаем более высокий комплекс механических свойств.

К ПР. подвергают низкоуглеродистые стали (до 15% С) с микродобавками таких карбидо- и нитридообразователей, как Mn, V, Б, Ti (09Г2, 0,9Г2ФБ..).

В этих сталях основной структурной составляющей является феррит.

Цель контролируемой прокатки – сформировать структуру с мелким зерном полигонизированного феррита и дисперсными выделениями карбонитридов, что обеспечивает повышение (на 10-30%) предела прочности и текучести, снижает температуру хрупко-вязкого перехода (на 39-50⁰С) и улучшает свариваемость.

При проведении контролируемой прокатки сталь нагревают выше 1000⁰С и ведут прокатку в несколько проходов при снижающейся температуре, а затем производят ускоренное охлаждение.

Параметрами обработки являются:

температура исходного нагрева, температура, степень и скорость деформации при каждом проходе, длительность пауз между проходами, скорость последеформационного охлаждения.

Важный вопрос при контролируемой прокатке – рекристаллизация аустенита. При диффузионном превращении аустенита границы зерна являются местами предпочтительного образования зародышей феррита. Поэтому мелкое аустенитное зерно обеспечит получение мелкозернистого феррита.

В процессе прокатки при высоких температурах (1260-1000⁰С) рекристаллизация аустенита происходит очень быстро и аустенитное зерно успевает существенно подрастать. Чтобы получить мелкое рекристаллизованное зерно аустенита, снижают температуру окончания прокатки.

Начиная с определенной температуры прокатки (ниже 900⁰С) рекристаллизация аустенита оказывается частично или полностью подавленной. Это явление используют при последних обжатиях при прокатке. Давая повышенную степень деформации, можно получить в нерекристаллизованном аустените достаточно высокую концентрацию дефектов кристаллического строения.

Пластическая деформация при понижающейся температуре и выделение карбидов из аустенита способствует формированию аустенитных зерен с развитой сеткой субзеренных границ и полосами деформации. Из таких аустенитных зерен образуется большое число мелких ферритных зерен. Дисперсные карборнитриды препятствуют укрупнению зерен феррита. Образовавший феррит полигонизируется, внутри его выделяются еще более дисперсные (размеров до 5 нм) частицы карбонитридов, обуславливающие дополнительное дисперсионное упрочнение стали.

Рассмотренные структурные превращения позволяют рассматривать контролируемую прокатку как разновидность ТМО.

Низкие температуры окончания контролируемой прокатки (700-800⁰С) и значительные (до20%) степени обжатия обуславливают большие усилия прокатки и необходимость в специализированных станах.

Несмотря на это, контролируемую прокатку используют в крупнотоннажном производстве наиболее прочных и сравнительно дешевых сталей для промышленного строительства, мостостроения, газопроводов и других целей.

Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) –

- проводят по схеме: холодная пластическая деформация дорекристаллизационный нагревзакалка со скоростным нагревом и короткой выдержкойотпуск.

Исходная структура – феррито-карбидная смесь

Холодная деформация повышает плотность дислокаций, перестройка которых при дорекристаллизационном нагреве создает полигонизированную структуру феррита. При последующей закалке со скоростным нагревом и короткой выдержкой субструктура наследуется при  и   превращениях, и кристаллы мартенсита получаются фрагментированными. Следовательно, механизм упрочнения при ПТМО тот же, что и в случае получения повышенной прочности при повторной закалке при ВТМО.

Предварительная ТМО привлекает простотой технологии. Перерыв между холодной деформацией и нагревом никак не регламентирован. Специального оборудования для деформации не требуется. ПТМО с применением короткого нагрева в соляных ваннах или токами высокой частоты является эффективным способом упрочнения холоднокатаных листов и тонкостенных труб.

Небольшое заключение по поводу ТМО.

Можно отметить, что главным условием повышения механических свойств является получение нерекристаллизованной структуры и получение ячеистой , полигонизованной структуры, образование которой препятствует прохождению процессов рекристаллизации. Т.Е стремление сохранить наклепанное состояние после деформации.

Это состояние повышает склонность к хрупкому разрушению при эксплуатации.

Однако когда говорят о создании высокопрочного состояния металлических сплавов, пригодных для технического использования, имеют в виду, что эти сплавы должны обладать одновременно высокой прочностью и пластичностью.

Несомненно, развитие рекристаллизационных явлений, особенно на стадиях собирательной или вторичной рекристаллизации, в процессе упрочняющих обработок недопустимо

Такие стадии перестройки дислокационной структуры под влиянием нагрева, как «рекристаллизация на месте», или самые начальные этапы рекристаллизации обработки связаны с созданием тонкого субзеренного строения.

При этом пластичность возрастает в связи со снятием в определенной степени напряженного состояния, характерного для наклепанной структуры и одновременно сохраняется высокий уровень прочности в связи с общим измельчением структуры.

Следовательно, для получения оптимального сочетания механических свойств после ТМО следует проводить наклеп аустенита до закалки в условиях, когда одновременно с увеличением плотности дислокаций происходит их перестройка, лучше всего по типу полигонизации.

Тогда мартенситное превращение идет не только в измельченной исходной структуре с высокой плотностью дислокаций (что определяет повышение прочности), но и в структуре, характеризующейся более равномерным распределением дислокаций (меньшей концентрацией напряжений), благодаря чему закаленный высокопрочный металл отличается также и повышенной пластичностью.

Иными словами, для получения высокого комплекса механических свойств важна не только определенная высокая плотность дислокаций, но и оптимальная их конфигурация (распределение).

---------------------------------------------------------------------------------------------------

В связи со всем сказанным закономерен вопрос, можно ли вообще считать способным к длительной и надежной службе металл, в структуре которого зафиксировано то расположение несовершенств строения, которое создано наклепом?

Известно, что уже при деформации в несколько процентов возникает крайне неравномерное распределение несовершенств, характерное для так называемой ячеистой структуры. Такая неравномерность обусловливает высокую напряженность металла, весьма малый запас пластичности и большую склонность к хрупкому разрушению. Отсюда очевидно, что наклепанный металл, в котором не прошла хотя бы частичная перестройка дислокационной структуры, мало пригоден для использования в конструкциях, работающих в условиях разнообразного и длительного нагружения.

По-видимому, и в случае НТМО происходят явления, близкие к полигонизации (возврату), о чем свидетельствует наличие некоторого запаса пластичности после этой обработки. Это подтверждается также повышением механических свойств в результате НТМО, проводимой с медленной деформацией или в случае дробной деформации, или при некоторой выдержке при изотерме (но не до распада) перед закалкой, или (как в опытах С. И. Сахина и О. Г Соколова) в случае кратковременного высокотемпературного нагрева при дробной деформации.