Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Теплая деформация углеродистой стали

20.04.2019

Теплая деформация при температуре 300° С обычных углеродистых (0,06—0,85% С) и низколегированных сталей приводит к получению более высоких значений предела текучести и предела прочности на растяжение, чем холодная деформация, а также холодная деформация с последующим низкотемпературным нагревом (например, на тс же 300° С). В общем случае прочность многофазных сплавов определяется прочностью каждой фазы и может быть приблизительно оценена через относительные площади, которые занимают эти фазы в сплаве. Микроструктура обычных углеродистых и низколегированных сталей в основном является двухфазной (феррит и карбиды). Прочность карбидов в стали высока и врядли может измениться (повыситься) в процессе формоизменения стали при 300° С, поэтому повышение прочности в процессе теплой деформации можно объяснить упрочнением феррита.

Повышение прочности в процессе теплой прокатки сталей различных марок связывают с размножением дислокаций в процессе теплой деформации и сопровождающим его деформационным старением, более эффективным в данном случае, чем при холодной деформации или холодной деформации с последующим низкотемпературным нагревом. Экспериментально это представление подтверждено работами Гокю и Хасимото на a-железе с содержанием углерода 0,02%. Образцы подвергали холодной прокатке со степенями обжатия 4,13 и 20%, теплой прокатке с теми же обжатиями при температурах 100, 200, 300 или 400° С, а также холодной прокатке с последующим низкотемпературным нагревом на указанные выше температуры.
Теплая деформация углеродистой стали

На рис. 107 показано, что с увеличением температуры прокатки (степень обжатия 4%) твердость по Виккерсу возрастает, достигая при 300° С максимального значения, и затем при 400° С снижается. Это изменение совпадает с описанными ранее результатами для обычных углеродистых и низколегированных сталей. Следовательно, можно считать, что упрочнение деформированных «в теплую» сталей обусловлено упрочнением а-железа при 300° С.

Исследование процесса старения этого технически чистого железа с 0,02% С, прокатанного при комнатной температуре и при 300° С на 4; 13 и 20% (нагрев на 100, 200, 300 и 450°С с выдержкой 10—10000 мин), показало, что только в случае деформации при комнатной температуре наблюдаются обычные кривые старения: твердость возрастает, достигая максимума, а затем снижается. Твердость образцов, деформированных при 300° С, с увеличением времени выдержки монотонно снижается. При этом наибольшее возрастание твердости наблюдается при нагреве холоднодеформированных образцов на 300° С (HV 160), однако эта величина оказывается ниже, чем в случае деформирования при 300° С и при тех же условиях последеформационного нагрева (твердость HV 180). Вообще твердость холоднодеформированных образцов при любых временах выдержки и температурах нагрева ниже твердости теплодеформированных образцов (рис. 108).

Электронномикроскопические исследования показали, что плотность дислокаций оказалась максимальной после теплой прокатки при 300° С (в этом случае она приблизительно в 10 раз выше, чем после прокатки при комнатной температуре). Плотность дислокаций после прокатки при 400° С меньше, чем после прокатки при 300° С. В образце, нагретом на 300° С после холодной прокатки на 4%, плотность дислокации оказалась несколько повышенной по сравнению с состоянием после холодной прокатки. Это можно объяснить тем, что число дислокаций, вышедших из образца в процессе изготовления фольг, будет различным в зависимости от их устойчивости.

По-видимому, нагрев на 300° С после деформации привел к закреплению дислокаций, в частности атомами примесей, что определило кажущийся эффект их большей плотности по сравнению с состоянием после холодной деформации на ту же степень обжатия. В данном случае важно подчеркнуть, что максимальную плотность дислокаций имеет материал после теплой деформации при 300° С и это согласуется с отмеченным выше максимальным упрочнением после теплой прокатки (см. рис. 107).

Эти факты получают естественное объяснение, если учитывать взаимодействие движущихся дислокаций с атомами примесей, имеющих в зависимости от температуры различную диффузионную подвижность. В общем случае свежие, «размноженные» в процессе деформации дислокации могут взаимодействовать с атомами внедрения C и N в феррите при соответствующих температурах нагрева или временах выдержки (после деформации), необходимых для образования атмосфер. Повышение предела текучести феррита в случае холодной деформации и последующего нагрева связывают с так называемым статическим деформационным старением.

Если температура деформирования достаточно высока, то деформационное старение может происходить в процессе самой деформации и может быть названо «динамическим деформационным старением» или «деформационным старением в области синеломкости». Это деформационное старение можно представить как образование атмосфер в результате взаимодействия межузельных атомов внедрения (углерода и азота) с движущимися дислокациями, возникшими в результате последовательного размножения дислокаций в процессе деформации. Вокруг порожденных деформацией дислокаций, как показывают исследования, немедленно образуются атмосферы за счет диффузии атомов внедрения, облегченной при повышенных температурах. Процесс пластического течения в таком динамически состаренном a-железе (с 0,02% С) не связан с «вырыванием» дислокаций из атмосфер межузельных атомов, а определяется возникновением новых дислокаций, что приводит к общему увеличению их плотности.

В процессе относительно продолжительной теплой деформации непрерывно поддерживается процесс, при котором вокруг дислокаций, введенных в процессе течения, образуется атмосфера из получивших при теплой прокатке достаточную подвижность С и N. Число неподвижных (за счет образовавшихся атмосфер) дислокаций возрастает, и в a-железе, подвергаемом теплой деформации, плотность таких дислокаций получается более высокой, чем после холодной деформации (при комнатной температуре), на ту же степень обжатия, при которой производилась теплая деформация, или после холодной деформации и последующего нагрева на ту же температуру. В результате этого отмечается и повышение прочности (твердости) после теплой деформации.

Так как возможность возникновения вокруг новых, размноженных при деформации дислокаций атмосфер определяется соотношением скоростей движения дислокаций и диффузии межузельных атомов, то, естественно, что отмеченное повышение плотности дислокаций в значительной степени зависит от температуры и скорости деформации. В частности, при определенном увеличении температуры прокатки возрастает скорость диффузии атомов внедрения и возникающие при деформации дислокации сразу же становятся неподвижными. При продолжающейся теплой деформации достигается описанное выше усиление размножения новых дислокаций, общее повышение плотности дислокаций, а как следствие упрочнение. Однако если и дальше повышать температуру деформирования, то дислокации приобретают повышенную подвижность и сравнительно легко увлекают за собой атмосферу, которая оказывается «разбавленной» и высоко подвижной из-за высокой диффузионной подвижности атомов примесей. Если скорость деформации повышается, то скорости диффузии оказывается недостаточной для того, чтобы примеси следовали за быстро перемещающейся дислокацией, и закрепление также оказывается неэффективным.

Таким образом, упрочнение в процессе теплой прокатки определяется накоплением в a-железе большого числа малоподвижных систем дислокаций в результате накладывающихся процессов размножения при деформации дислокаций и взаимодействия этих свежих дислокаций с межузельными атомами в решетке а-железа.

Повышение плотности новых систем малоподвижных дислокаций может быть получено, если многократно чередовать холодную деформацию и низкотемпературный нагрев.

На рис. 109 приведены значения твердости железа с 0,02% С после деформационного старения по различным режимам.

Как видно из рисунка, при тройном чередовании холодной деформации и низкотемпературного нагрева достигается более высокий (приближающийся к теплой прокатке) уровень упрочнения, чем после холодной деформации с последующим однократным низкотемпературным нагревом.

Помимо непосредственного использования теплой деформации не только для формоизменения, но и для упрочнения стальных изделий, этот способ имеет значение для рационального выбора режимов теплой правки, широко применяемой на практике. В этой связи исследованные выше случаи малой деформации (4%) представляют существенный интерес. Так как при правке схема деформации, как правило, сложна, исследование теплой правки (со схемой деформирования — растяжение с изгибом) осуществляли на экспериментальной установке. Материалом исследования была сортовая сталь с 0,1% С промышленной выплавки после теплой, холодной и холодной с последующим нагревом деформацией.

На рис. 110 приведена зависимость предела прочности при растяжении и предела текучести (0,2%) от размера «очка» на экспериментальной установке (расстояние между центрами верхних и нижних правильных роликов), который определяет степень сложной деформации при правке. При малых размерах очка в процессе правки холоднодеформированный материал претерпевает разупрочнение. На материале, подвергнутом теплой деформации, подобного эффекта не наблюдали. Кроме того, в этом случае прочность выше, чем у материала после холодной деформации и низкотемпературного нагрева. С помощью теплой обработки можно получить увеличение прочности приблизительно на 30%.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: