Изменение механических свойств высокоуглеродистых сталей при низкотемпературной скоростной термообработке

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

17и / к ^^кшшмщкк
If U/ 3 (57), 2010-
Investigation of softening of strong-deformed highcarbon steel with different content of carbon at speed heating in low-temperature field is carried out.
В. В. КРЫЛОВ-ОЛЕФИРЕНКО, В. М. АБАКУМОВ, А. Ю. СЕРЕГИН, ФТИ НАНБеларуси
УДК 621. 785. 797
изменение механических свойств высокоуглеродистых сталей
при низкотемпературной скоростной термообработке
Пластическую деформацию в промышленном производстве стремятся проводить на пределе возможностей обрабатываемых материалов. Разработанные для этого современные высокопроизводительные технологические процессы обработки давлением и оборудование для их осуществления в металлургическом производстве обеспечивают большую интенсивность и кратковременность воздействия на заготовки. Скорость движения полосы в многоклетьевых станах горячей и холодной прокатки и проволоки в станах волочения достигает на выходе 30 м/с. Обычным значением суммарной степени обжатия является 70−98%, а за один проход — 20−40% при прокатке и 10−20% при волочении. Скорость деформации составляет величины порядка 300−400 с-1 и более. Оценка времени пребывания в зоне деформации дает значения порядка тысячных и десятитысячных долей секунды.
Несмотря на достигаемые очень большие степени деформации, во многих случаях требуемое формоизменение при обработке давлением невозможно получить за одну операцию. Необходимым становится восстановление способности материала к дальнейшему формоизменению. Такое восстановление осуществляется при промежуточных операциях разупрочняющей термической обработки и связано с устранением образовавшихся при деформации дефектов кристаллического строения.
Существует несколько разновидностей термической обработки, используемой для восстановления способности металлов и сплавов к дальнейшей деформации. Они различаются по виду процессов, реализуемых при нагреве до заданных интервалов температур. В наиболее низкотемпературном интервале протекают дорекристаллизаци-онные превращения, с повышением температуры
нагрева развивается рекристаллизация деформированной структуры с образованием равноосных зерен, при самых высоких температурах нагрева после дорекристаллизационных и рекристаллиза-ционных превращений протекают фазовые превращения (прямые и обратные).
Наиболее простой и экономной является естественно термообработка в низкотемпературном, дорекри-сталлизационном, интервале температур при условии, что получаемые свойства удовлетворяют предъявляемым к изделию требованиям. В этом интервале температур протекает совокупность процессов, объединяемых под единым названием возврат — полигонизация. Считается, что в основе механизма всех этих процессов лежат диффузионное перераспределение, взаимодействие и аннигиляция точечных и линейных дефектов. Их активное развитие приводит к разупрочнению деформированных материалов в дорекристаллизацион-ной области температур.
Сведений о результатах исследований возврата и полигонизации в деформированной и сильноде-формированной в перлитном состоянии высокоуглеродистой стали в литературе не найдено как для медленного, так и для скоростного видов нагрева. В то же время такие результаты имеют практическое значение и могут быть использованы при назначении режимов низкотемпературной разу-прочняющей термообработки, обеспечивающей, в частности, сохранение высоких прочностных характеристик деформированного состояния при повышении пластических свойств до довольно высокого уровня. В данной работе было проведено исследование разупрочнения сильнодеформиро-ванной высокоуглеродистой стали различным содержанием углерода при скоростном нагреве в низкотемпературной области.
В качестве материала исследования использовали высокоуглеродистые стали 70 в виде проволоки диаметром 1 мм со степенью деформации 80%, сталь 80 в виде проволоки диаметром 1,33 мм, полученную волочением с использованием двух операций, и сталь 90 в виде проволоки диаметром 2,45 мм со степенью деформации 80%. Термообработку образцов проводили на установке электроконтактного нагрева. Использовали два режима нагрева: с постоянной скоростью нагрева до максимальной температуры без изотермической выдержки и с изотермической выдержкой и охлаждением в воде- со скоростью нагрева 400 оС/с до промежуточной температуры Т со скоростью нагрева 60 оС/с в промежутке Т1 — Ттах, изотермической выдержкой 3 с при максимальной температуре и охлаждением в воде. Определяли механические свойства после различных режимов термообработки.
При нагреве стали 70 [1] по первому варианту со скоростью 400 оС/с (рис. 1) разупрочнение наблюдается уже при минимальной использованной температуре нагрева — 420 оС: предел прочности уменьшается относительно деформированного состояния на 230 МПа. При этом длительность нагрева составляет намного больше 1 с. Область температур 425−490 оС соответствует разупрочняю-щей части кривой зависимости предела прочности от температуры, а 520−550 оС — упрочняющей части. При нагреве до 460 оС св становится равным 1840−1880 МПа, до 490 оС — 1560 МПа. С повышением температуры нагрева до 525 оС происходит повышение предела прочности до 1750 МПа, а затем снижение до 1630 МПа при 550 оС.
Результаты испытаний образцов после нагрева по второму режиму до температур 400 — 520 оС приведены на рис. 2 в зависимости от температуры замедления скорости нагрева, которая изменялась от 210 до 320 оС.
Рис. 1. Зависимость механических свойств от температуры нагрева. Скорость нагрева 400 оС/с без выдержки
лгттт^ г: гсттмгпта /170
-3 (57), 2010 / Ив
Сравнение значений предела прочности при нагреве до одной и той же температуры по разным схемам показывает, что они больше при нагреве по второй схеме для всех температур, кроме 525 оС.
При температуре нагрева 400 оС (рис. 2, а) предел прочности сначала уменьшается до 2135 МПа при Т1 = 200 оС и до 2120 МПа при Т1 = 220 оС, а затем возрастает до 2185 МПа при температуре изменения скорости нагрева 240 оС. При дальнейшем повышении Т1 происходит его уменьшение до 2090 МПа для Т1 = 300 оС, максимального значения для данной температуры нагрева. Относительное удлинение для 200 оС остается близким к значению для деформированного состояния, однако для 220 оС получено хрупкое разрушение образца с нулевой пластичностью несмотря на то что предел прочности был почти самым низким для установленной температуры нагрева. При дальнейшем повышении Т значение 5 увеличивается до максимального при 260 оС и снова уменьшается до 1% при 300 оС. Следует отметить также, что максимальное значение пластичности получено почти для самого высокого значения прочности, а минимальное (вплоть до полного охрупчивания) для самого низкого.
При температуре нагрева 425 оС (рис. 2, б) характер зависимостей св (Т1) и 5(Т1) сохраняется. Имеет место первоначальное снижение предела прочности до 2050 МПа для 220 оС и 1980 МПа для 240 оС. Затем он повышается до 2140 МПа для 280 оС и снова снижается до 2035 МПа для 310 оС.
Вид зависимостей изменяется в области температур нагрева 440−460 оС. Максимальное значение предела прочности для Т = 440 оС (рис. 2, в) соответствует Т1 = 220 оС (св = 2100 МПа) и Т1 = 340 оС (св = 2120 МПа). При промежуточных температурах замедления скорости нагрева предел прочности уменьшается до 1990−2010 МПа. Отмечается некоторое его возрастание при Т1 = 300 оС до 2050 МПа. Промежуточному максимуму предела прочности соответствует падение относительного удлинения до 3%. Температура нагрева 460 оС (рис. 2, г) обеспечивает практически постоянные значения предела прочности (1900−1950 МПа) и относительного удлинения в интервале Т1 = 240 -280 оС с возрастанием св до 1980 МПа и уменьшением 5 при 300 оС. Характерным является отсутствие в этой области температур нагрева хрупкого разрушения образцов при механических испытаниях.
Повышение температуры нагрева до 490 оС (рис. 2, д) обусловливает общее снижение прочности стали. При этом Т1 = 240 оС соответствует значение 1805 МПа, 260 оС — 1865 МПа, 280 оС —
Ш//-г: тге г: глгтгт/г/гтггггг
3 (57), 2010
у- °с 240 260 280 300 320 340
-1-«-1−1-1−1-1-'--1-'--1
240 260 280 300 320 340
Рис. 2. Влияние температуры замедления скорости нагрева на механические свойства стали 70: а — 400 °С- б — 420- в — 440-
г — 460- д — 490- е — 520 °С
1830 МПа, 310 оС — 1850 МПа и 330 оС — 1835 МПа. При температуре Т1, равной 280 оС, снова зафиксировано разрушение практически при полном отсутствии удлинения образца.
Самая высокая температура нагрева 520 оС (рис. 2, е) приводит к наибольшему падению прочности стали. При повышении Т от 240 до 285 оС наблюдается уменьшение св с 1735 МПа до 1565 МПа. Дальнейшее повышение Т приводит к возрастанию предела прочности до 1740 МПа при 300 оС с небольшим его уменьшением до 1690 МПа при 320 оС.
Таким образом, из полученных результатов следует, что при нагреве по первой схеме разупрочнение начинается уже при минимальной использованной температуре нагрева — 420 оС (предел прочности уменьшается на 230 МПа) и продолжается до 490 оС. Выше этой температуры в стали развивается, по-видимому, конкурирующий упрочняющий процесс, обусловливающий некоторое повышение предела прочности.
Для анализа влияния увеличения длительности пребывания в более высокотемпературной области нагрева значения предела прочности для одних
_m^r- г: г^штгггг /101
-3 (57), 2010 I IUI
Значения предела прочности при нагреве по разным схемам
Схема нагрева Температура, °С
400 420 440 460 490 520 550
Первая 1970 1860 1560 1750 1630
Вторая 2095−2180 1980−2035 1945−2055 1900−1975 1800−1825 1570−1750
и тех же температур нагрева по разным схемам приведены в таблице.
Из таблицы видно, что для всех температур нагрева по второй схеме, кроме 520 оС, полученные значения больше, чем при нагреве по первой схеме. Исключением являются только одна-две температуры замедления скорости нагрева Т1, для которых значения св совпадают с соответствующими значениями для первой схемы. Так как при длительности отжига 1,0−1,2 с в первой схеме достигается существенно большее разупрочнение, чем при второй в течение 6−8 с, то можно считать, что увеличение длительности отжига способствует развитию упрочняющих процессов. Эти процессы могут быть связаны с диффузионным перераспределением свободных атомов углерода, образовавшихся при деформации цементитной составляющей перлитной (сорбитной) структуры стали. В результате могут формироваться атмосферы (или облака) атомов углерода на свободных дислокациях, препятствующие их свободному перемещению. Такой механизм характерен для деформационного старения стали, протекающего при повышенной температуре, т. е. для искусственного деформационного старения. Следовательно, при нагреве по первой схеме в области температур 520−550 оС, а при второй — в области температур 400−490 оС возможно активное развитие искусственного деформационного старения, приводящего к существенному возрастанию предела прочности материала.
Исследования стали 80 [2] проводили при нагреве только по первой схеме без замедления скорости нагрева при промежуточной температуре. Была использована скорость нагрева 350 оС/с и изотермическая выдержка в течение 2 с.
Результаты исследования влияния температуры нагрева в области 400 — 550 оС на механические свойства приведены на рис. 3, 4. Значение предела прочности в исходном состоянии было равно 2550±150 МПа. После нагрева до 400 оС оно уменьшилось до 2180 МПа и оставалось на этом же уровне после нагрева до 450 оС. При дальнейшим повышении температуры наблюдалось снижение прочности до 1890 МПа при 500 оС и до 1560 МПа при 550 оС. При этом зависимость разброса значений предела прочности от температуры нагрева имела противоположный вид. Если с увеличением температуры значение св уменьшалось, то интервал разброса этой величины увеличивался. При 400 оС интервал разброса равен 175 МПа, при 450 оС — 215 МПа, а затем практически линейно возрастал до 530 МПа при 550 оС.
Зависимость предела текучести от температуры нагрева (рис. 4) подобна приведенной зависимости для св (см. рис. 3). При исходном значении ст для деформированного состояния, равном 2250± 150 МПа, при нагреве до температур 400 и 450 оС получены соответственно значения 1995 и 2020 МПа. С повышением температуры наблюдается снижение предела текучести до 1790 и 1520 МПа для
1 сутки 1 сутки
Рис. 3. Зависимость от температуры средней величины Рис. 4. Зависимость от температуры средней величины
и разброса значений ств стали 80 и разброса значений стт стали 80
182/
г: гшшгггта
3 (57), 2010-
Рис. 6. Зависимость от температуры средней величины и разброса значений стг стали 90
Предел текучести (рис. 6) также монотонно уменьшается при повышении температуры нагрева, однако его снижение несколько замедляется в области температур 450−500 оС. Самое высокое значение предела текучести соответствует 400 оС (1664 МПа), самое низкое — 550 оС (1432 МПа).
Разброс значений в отличие от предела прочности максимален при самой низкой температуре, минимален при 450 оС и снова возрастает при дальнейшем повышении температуры нагрева.
Таким образом, из полученных результатов следует, что скоростная термическая обработка в течение даже 1,0−1,5 с может приводить к значительным изменениям прочностных характеристик сильнодеформированной высокоуглеродистой стали. При этом на состояние стали в процессе такой термообработки оказывают влияние скорость нагрева и длительность изотермической выдержки. Литература
1. Г о р д и е н к о А. И., К р ы л о в — О л е ф и р е н к о В. В., М у х и н Ю. В. Низкотемпературная скоростная термическая обработка сильнодеформированной высокоуглеродистой стали // Сб. тр. Междунар. конф. «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». г. Минск, 27−29 марта 2006 г
2. Г о р д и е н к о А. И., К р ы л о в — О л е ф и р е н к о В. В., А б, а к у м о в В. М., Н, а з, а р о в, а О. И. Скоростной низкотемпературный разупрочняющий отжиг сильнодеформированной высокоуглеродистой стали// Весщ НАН Беларуси Сер. фiз. -тэхн. навук. 2010. № 2. С. 5−10.
Рис. 5. Зависимость от температуры средней величины и разброса значений ств стали 90
температур 500 и 550 оС. Интервал разброса значений ст с повышением температуры сначала возрастает (от 165 до 270 МПа), затем несколько снижается (до 250 МПа) и вновь возрастает до 510 МПа при 550 оС.
Аналогичные исследования были проведены для стали 90. В качестве материала для исследований использовали проволоку диаметром 2,45 мм после грубосреднего волочения со степенью деформации 80%. Нагрев осуществляли со скоростью 350 оС/с до температур 400−550 оС с изотермической выдержкой в течение 2 с.
Зависимость предела прочности от температуры нагрева приведена на рис. 5. Его значения монотонно и практически равномерно снижаются с 1950 МПа при 400 оС до 1640 МПа при повышении температуры до 550 оС. Интервал разброса значений минимален при 450 оС и составляет 135 МПа и максимален при самой высокой температуре нагрева — 550 оС. Он равен 357 МПа.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой