Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Факультет Технологий и Исследования материалов

Кафедра “Пластической обработки металлов”

«Влияние параметров деформации на механические свойства стали после втмо»

Работу выполнили студенты группы 5065/10

Преподаватель: Мишин В.В.

Санкт-Петербург

2011

Цель работы: изучение возможностей управления свойствами сталей при термомеханической обработке.

Теоретическая часть

Термомеханическая обработка (ТМО) − это один из наиболее эффективных способов управления свойствами металлов и сплавов, в первую очередь сталей. ТМО представляет собой совокупность операций пластической деформации и термической обработки, которые применяют для получения требуемой структуры, обеспечивающей заданный уровень механических свойств сталей.

Большинство операций ТМО предусматривает горячую или теплую прокатку, которую выполняют перед термообработкой, в процессе термообработки или после нее. Считается, что оптимальным сочетанием прочностных и пластических свойств обладает полигональная структура, поэтому все процессы ТМО направлены именно на получение этого типа структуры. Следовательно, при проведении ТМО стараются не допускать рекристаллизации. ПО выражению академика Садовского «…если в металле происходит рекристаллизация − это уже не термомеханическая обработка».

В чем состоит особенность полигональной структуры, которая по сравнению с рекристаллизованной структурой позволяет получить более высокие прочностные и пластические свойства? Во-первых, при формировании полигональной структуры в металле добавляется большое количество малоугловых границ, что приводит к увеличению предела текучести металла. Во-вторых, увеличение доли малоугловых низкоэнергетических границ уменьшает среднюю энергию границ , что, в свою очередь, приводит к увеличению изменения энергии _s=_s− в критерии разрушения и повышению прочности металла.

Рассмотрим некоторые виды термомеханической обработки, которые можно реализовать при выполнении лабораторных работ.

1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (втмо).

Представим совокупность операций пластической деформации и термической обработки на графике, который отражает изменение температуры металла во времени. Пластическую обработку обозначим на графике зигзагообразной линией, рис. 1.

Рис. 1. Схема ВТМО

На этом графике нанесены температуры превращений А₁ и А₃. При температуре ниже А₃ происходит превращение аустенита в феррит АФ, начало и окончание которого представлено С-образными кривыми. При температуре ниже А₁ в стали происходит перлитное превращение АП. Отметим, что перлитное превращение начинается тогда, когда концентрация углерода в остаточном аустените достигает ~0,8 %. С-образные кривые перлитного превращения лежат ниже кривых ферритного превращения. Еще ниже, лежат С-образные кривые бейнитного превращения. Линией М_н на графике показана температура начала мартенситного превращения.

Обработку металла при ВТМО выполняют следующим образом. Металл нагревают до температуры Т_А>А₃. При этом в аустените должны раствориться упрочняющие фазы и произойти все возможные релаксационные процессы, во время которых металл «забывает» обо всех воздействиях, которые были произведены над ним в процессе предыдущей обработки.

При заданной температуре Т_деф>A₃, которая может быть равна, а может быть ниже, чем температура аустенизации Т_А, металл прокатывают с относительным обжатием ε, причем эта степень деформации не должна приводить к рекристаллизации, обеспечивая формирование полигональной структуры. Для определения подобной степени деформации предварительно проводятся исследования формирования структуры металла в зависимости от степени и скорости деформации, температуры.

После прокатки металл выдерживают при Т=Т_деф в течение некоторого времени t₁ − времени подстуживания. Пауза t₁ необходима для того, чтобы обеспечить протекание полигонизации по объему металла.

После подстуживания металл, согласно схеме ВТМО, представленной на рис. 1, закаливают на мартенсит. Особенности мартенсита, образующегося в стали при ВТМО, в отличие от обычной закалки состоят в том, что он формируется на фоне полигональной структуры в пределах полигональных ячеек. Это обеспечивает мартенситу чрезвычайную дисперсность. Для получения полигональной структуры степень деформации при прокатке ограничивают и, как правило, она не превышает 20 %.

Отметим, что малоугловые границы полигональных ячеек практически не снижают анизотропии упругих свойств кристаллической решетки и не препятствуют протеканию мартенситного превращения (МП). Негативная сторона формирования мартенсита на фоне рекристаллизованной структуры состоит в том, что уменьшение анизотропии упругих свойств кристаллической решетки за счет формирования мелкозернистой разориентированной рекристаллизованной структуры обусловливает снижение температуры начала мартенситного превращения М_н. Это может привести к образованию большого количества остаточного аустенита в стали.

Если пластическую деформацию при ВТМО проводить с малыми обжатиями таким образом, что структура рекристаллизации в металле не образуется и М_н не снижается, то приобретенное деформационное упрочнение, не снятое полностью релаксационными процессами, стимулирует протекание МП и повышает М_н. Возрастание М_н и, соответственно, температура конца превращения М_к приводит к более полному протеканию МП и формированию более однородной структуры.

Последующие операции отпуска закаленной стали преследуют цель получения стабильной структуры, которая образуется в результате распада мартенсита.

Схема ВТМО зачастую не удовлетворяет изготовителей и потребителей металла, поскольку существуют сложности в получении однородной полигональной структуры. В силу вероятностного характера формирования свойств и структуры в некоторых микрообъемах металла могут преимущественно происходить процессы полигонизации, а в других − рекристаллизации. В связи с этим металл после закалки может иметь очень неоднородную структуру. Чтобы исключить это неблагоприятное явление, для некоторых сталей понижают температуру прокатки до значений Т_деф<Т_рекр, где Т_рекр − температура начала рекристаллизации после прокатки с заданной степенью деформации. Такой вид обработки называют НТМО − низкотемпературной термомеханической обработкой. Схема НТМО представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема НТМО

НТМО может быть успешно реализована для сталей, обладающих большой устойчивостью аустенита, т.е. для сталей, у которых С-образные кривые сильно сдвинуты вправо. Деформацию металла выполняют в условиях переохлажденного аустенита. Устойчивость аустенита должна быть настолько высокой, чтобы его пластическая деформация не стимулировала распада аустенита, поскольку в этом случае мартенситную структуру при закалке не получить.

Для того, чтобы снизить затраты на проведение термообработки закаленного металла, применяют еще один вид ТМО − высокотемпературную или низкотемпературную изотермические обработки (ВТМИзо или НТМИзо). На рис.3 представлена схема ВТМИзо. Фактически в данном случае термомеханическая обработка стали совмещается с изотермической закалкой. В этой совокупности операций после прокатки и подстуживания металл ускоренно охлаждают до температур перлитного или бейнитного распада переохлажденного аустенита, а затем выдерживают при этих температурах в течение необходимого для распада времени. При перлитном распаде температуру обычно подбирают таким образом, чтобы получить структуру сорбита, которая обеспечивает металлу оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств.

Рис. 3. Схема ВТМИзо с обработкой для получения сорбита

Режимы деформации (ε и t₁) при ВТМИзо или НТМИзо подбирают таким образом, чтобы получить полигональную структуру. В этом случае перлитное или бейнитное превращение происходят внутри полигональных границ, что обеспечивает мелкодисперсную структуру металла.

Наиболее распространенным видом ТМО является, очевидно, контролируемая прокатка, схема которой представлена на рис. 4. Прокатку могут заканчивать при температуре Т>A₃, при A₁<Т<A₃ или при Т<A₃ю В зависимости от этого получают металл с различной степенью проработки структуры, но при больших суммарных степенях деформации обеспечить получение полигональной структуры затруднительно.

Рис. 4. Схема контролируемой прокатки с обработкой на бейнит