Лекция 10

Тема № 6. «Особенности горячей деформации металлов и сплавов».

Процессы, происходящие при горячей деформации стали. Упрочнение, разупочнение. Виды разупрочнения – статическое и динамическое. Влияние условий окончания деформации на структуру и свойства горячедеформированного металла. Зависимость между размером зерна и полученными механическими свойствами. Явления неоднородности и сверхпластичности при горячей деформации. Особенности горячей деформации углеродистых и легированных сталей. Другие виды деформации – теплая деформация, НТМО, ВТМО и др.

МЕХАНИЗМ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

- деформация проходит за несколько проходов (прокатка, ковка, объемная штамповка) – ступенчато:

- деформация осуществляется через определенные промежутки времени;

- температура деформации в каждом последующем проходе ниже;

- во время промежутка между деформациями происходит частичное восстановление структуры;

- окончательная структура формируется при наложении статических и динамических рекристаллизационных процессов.

При деформации в горячем (аустенитном) состоянии происходит:

-увеличение плотности дислокаций (наклеп);

- перестройка и перераспределение дислокаций (разупрочнение).

Наклеп в процессе деформации

Разупрочнение в процессе деформации и после нее Процессы накладываются друг на друга

В первой клети (высокая температура, малые степени деформации)

Упрочнение происходит внутризеренное скольжение дислокаций, двойникование.

Образуется ячеистая структура.

Разупрочнение:

При ε < 10 % - динамическая полигонизация. Если плотность дислокаций не достигла критической величины, рекристаллизация не происходит .

При ε = 25-30 % - неоднородное накопление дислокаций – возможность начала динамической рекристаллизации.

При ε = 35- 50 % при наклепе образуется развитая ячеистая структура.

Разупрочнение происходит путем динамической рекристаллизации (первичной). При этом происходит перемещение большеугловых границ и их рассыпание (коалисценция зерен).

При последующей деформации в рекристаллизованных зернах опять увеличивается плотность дислокаций (наклеп) и в дальнейшем опять происходит разупрочнение.

Динамическая рекристаллизация никогда не приводит к полному разупрочнению, т.к. в структуру вводятся новые дислокации.

После окончания деформации структура субзерна рекристаллизации, -вытянутые в направлении деформации.

Субзерна по разному ориентированы в направлении деформации. Углы разориентировки от 9 до 50⁰.

Возможно прохождение собирательной динамической рекристаллизации.

Это нежелательно т.к. приводит к разнозернистости .

В процессе прохождения заготовки между первой и второй клетями происходят статические возврат и рекристаллизация, (т.к. температура при выходе из первой клети намного больше температуры рекристаллизации).

При малых степенях деформации ε ≈ 10% - статическая полигонизация.

При ε ≈ 20% статическая полигонизация и рекристаллизация.

При ε > 20 % - статическая рекристаллизация (собирательная и первичная).

Во второй клети те же процессы динамического упрочнения и разупрочнения (температура деформации ниже). Процессы происходят медленнее т.е. степень разупрочнения () меньше.

В последующих клетях Т⁰С, (), динамическая рекристаллизация происходит медленнее.

Статическая рекристаллизация зависит от температуры и длительности пауз (от скорости прокатки).

 

ОСОБЕННОСТИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

 

Вид деформации	Т 0С
Холодная	< 0,3-0,5 Тпл
Горячая	>0,3-0,5 Тпл

 

 

малые скорости деформирования

I – стадия упрочнения

II – отсутствие упрочнения (σ = const)

1 – 0,5 Тпл; 2 – 0,6 Тпл; 3 – 0,7 Тпл; 4 – 0,8 Тпл.

При высоких температурах подвижность точечных и линейных дефектов высока. Это приводит к разупрочнению в процессе горячей деформации.

Стадии разупрочнения:

1. Динамический возврат {отдых, полигонизация}

2. Динамическая рекристаллизация {первичная, вторичная, собирательная}.

На I этапе упрочнения при малых степенях деформации происходит увеличение количества дислокаций, их перемещение, пересечение друг с другом, что приводит к образованию ячеистой структуры.

При горячей деформации одновременно происходят процессы упрочнения и разупрочнения, что связано с высокими температурами. При малых степенях деформации преимущественно происходят процессы упрочнения (увеличение плотности дислокаций, скопление дислокаций по границам зерен, образование линий поперечного скольжения, порогов и образование ячеистой структуры). В связи с большой подвижностью дислокаций при этом происходит и их частичное уничтожение.

С увеличением температуры и степени деформации – плотность и подвижность дислокаций увеличивается, что приводит к равной скорости генерирования и аннигиляции дислокаций – период устойчивого деформирования.

 

 

В зависимости от температуры и степени деформации образование ячеистой структуры происходит по-разному.

I – дислокационные клубки и слаборазвитые ячейки

II – хаотическое распределение дислокаций

III – переходная структура

IV, V – развитая ячеистая структура

V – оптимальные режимы деформации

Т.е. при горячей деформации процессы упрочнения практически всегда сопровождаются процессами разупрочнения, динамическим возвратом и динамической рекристаллизацией.

Взаимодействие процессов упрочнения и разупрочнения зависит:

1. От температуры

2. От степени деформации

3. От скорости деформирования – при малых скоростях деформирования металл успевает полностью разупрочняться, а при больших – частично.

 

 

Динамический возврат заключается в образовании субзерен и их росте, рекристаллизации – в возникновении центров рекристаллизации и их дальнейшем росте: первичная, собирательная, вторичная. При горячей деформации также образуется текстура деформации.

Окончательный размер зерна в горячедеформированных металлах зависит от скорости деформации, степени и температуры, температуры окончания деформации.

После окончания деформации до полного охлаждения металла – также протекают рекристаллизационные процессы – статическая рекристаллизация (и в перерывах между операциями деформации).

 

НЕОДНОРОДНОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ

В условиях деформирования поликристаллического вещества деформация протекает неравномерно в разных зернах, в различных участках зерен и различных участках металла. Отсюда следует различность неоднородности трех видов.

I рода – Субкристаллическая неоднородность – в пределах зерна.

Рассмотрено ранее. Даже при степени деформации в 1% в разном зерне можно обнаружить участки, отличающиеся по степени деформации в 10 раз.

II рода – Микроскопическая неоднородность – определяется взаимодействием зерен.

Рассмотрено ранее. Даже при степени деформации в 20% в структуре можно обнаружить зерна со степенью деформации от 0% до 70%.

При повышении температуры деформации – неоднородность увеличивается.

Обусловлено, кроме рассмотренных ранее факторов, наличием жестких и пластичных фаз (Ф и Ц).

III рода – Макроскопическая неоднородность – определена характером внешнего деформирующего воздействия.

При сжатии образца на 25% по высоте деформация может изменяться от 10% до 50 %.

 

При каждом виде деформации можно выделить очаг, в котором она локализована

 

 

 

Коэффициент показания деформации:

 

Постоянно изменяется

 

Ψ, %	К
< 20
20-60
60-90

I фактор - т. о. на разных этапах деформации скорость течения металла неодинакова

II фактор - влияние сил трения между металлом и поверхностью инструмента

На силу трения влияют: температура инструмента, его размер, смазка.

 

где а – вход металла в валки;

b – выход металла из валков;

l_k – поверхность контакта металла с валками.

1 – ось полосы

2 – поверхность полосы

 

Неоднородность приводит к возникновению остаточных напряжений I, II, III рода, которые могут приводить к образованию трещин, снижению пластичности и неоднородность упрочнения.

 

 

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

ВЛИЯНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПЕРЕД ДЕФОРМАЦИЕЙ:

 

 

При первоначальном нагреве металла выше критических температур, сталь приобретает крупнозернистую аустенитную структуру. В процессе последующей деформации и охлаждения, температура снижается и происходит превращение аустенита в феррито-цементитную смесь, при этом: чем крупнее были зерна аустенита, тем крупнее получается и феррито-цементитные зерна.

 

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ:

Скорость деформации влияет на процессы структурообразования на всех этапах деформирования.

Чем выше скорость деформации, тем меньше успевают пройти процессы динамического разупрочнения.

Особенно важно это влияние при деформации в последнем и предпоследнем проходах.

 

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ:

 

При больших степенях деформации быстрее происходят рекристализационные процессы, следовательно, быстрее металл разупрочняется.

 

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ:

Время выдержки влияет на возможность прохождения статической рекристаллизации.

Чем больше временной интервал между деформациями, тем больше разупрочнение металла.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКОНЧАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ:

При выборе температуры окончания деформации следует обращать внимание на:

1) возможность процессов статической рекристаллизации при последующем охлаждении;

2) образование той или иной структуры при охлаждении (диаграмма Fe – C).

Для доэвтектоидной стали температура окончания деформации находится между А₁ и А₃.

Для эвтектоидной стали – чуть выше А₁.

Для заэвтектоидной стали – между А₁ и А_Сm, но чтобы не образовывалась цементитная сетка (точка 2).

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИИ:

Скорость охлаждения после деформации приводит к образованию феррито-цементитной структуры с разным размером пластинок.

Чем быстрее охлаждение, тем мельче феррито-цементитная структура, следовательно, выше прочность, ниже пластичность.

При сматывании листа в рулоны скорость охлаждения в центре рулона и на поверхности существенно отличается.

Для получения одинаковой температуры и структуры, рулон не сматывают плотно, оставляя воздушный зазор между слоями.

При выборе режима окончания деформации, обращают внимание на процесс окалинообразования. Минимальное количество окалины образуется при температуре 700*С. Поэтому охлаждение до этой температуры проводят более быстро.

Вывод:

1) необходимые технологические параметры деформации зависят от того, какие свойства и структуру мы должны получить;

2) рассматривать влияние технологических параметров на структуру и свойства можно только в комплексе.

 

КОНТРОЛИРУЕМАЯ ПРОКАТКА

 

При подборе температурно - скоростных условий деформации и охлаждения важно регулировать процесс структурообразования.

Контролируемой – называется прокатка которую проводят в строго определенном режиме для получения мелких, однородных зерен с заданными параметрами структуры (размер зерен, распределение дислокаций)

При этом изменяют:

1) температура нагрева стали;

2) распределение температуры и степени деформации по клетям;

3) величины пауз между клетями и последеформационной выдержке;

4) температура конца прокатки и смотка;

5) скорость охлаждения.

Это приводит к повышению прочности на ≈20%, пластичности и вязкости на ≈30%.

Уравнение Холла- Петча должно быть дополнено:

 

где К₁ – коэффициент определяет вклад субграниц в развития деформации;

d_c – средний размер субзерен;

n – коэффициент равный для Fe 1,03-0,05; для низколегированного 0,98-0,03.

Влияние d_c иногда превышает влияние D₃ .

Т.о. свойства стали изменяются только благодаря измельчению зерен и за счет создания полигональной структуры.

Конечный размер D₃ регулируют следующие параметры.

1) температуру нагрева перед прокаткой. Понижение ее уменьшает размер зерна А→ и П (от 1250 до 1050 ⁰С на 1 балл).

2) степень деформации. Увеличение степени деформации в последних клетях → → ≤ D₃.

Режим контрольной прокатки должен исключать динамическую собирательную рекристаллизацию. Помогает легирование (нитридо и карбонитридообразующих элементов).

Температуры нагрева и конца прокатки должны привести к выделению дисперсных соединений. Подбираются опытным путем Т⁰С кп – 950-850 ⁰С; общая степень деформации – 50-70%. В конце ускоренное охлаждение.

При одинаковом размере зерна прочность выше у металла с развитой полигональной структурой.

С увеличением ε - d_c меньше, θ – больше (повышается плотность дислокаций). Изменения зависят от температуры. Чем больше температура тем медленнее уменьшается d_c .

Эффект упрочнения за счет создания малоподвижных дислокаций и создания атмосфер Котрелла (динамическое деформационное старение). Максимальное упрочнение при 300⁰С (синеломкость). Температура деформации не должна совпадать.

Особенности теплой деформации.