Термопластическая обработка проката осуществляется многократным знакопеременным изгибом и его термообработкой. Важнейшим параметром

Введение

ТПО является суммарная величина пластической деформации, так как она определяет условия формирования субструктуры и, в конечном итоге, комплекс механических свойств готового проката. Температура конца охлаждения Т_к.о.

оказывает большое влияние на механические свойства проката.

Поэтому, целью данного этапа является рассмотрение температурно-деформационного режима «термопласта», а так же оптимальные скорости охлаждения и условия её обеспечения. Рассмотрены режимы ТПО для листов из стали 3сп.

1. Температурно-деформационные режимы "термопласта"

Пластическая деформация является одной из важнейших опера­ций термомеханической обработки стали, поскольку именно в процес­се пластической деформации формируется та или иная субструктура стали, определяющая, после ее фиксации быстрым охлаждением, ком­плекс механических свойств готового проката.

Обобщая экспериментальные данные исследования влияния пара­метров деформации в процессе ВТМО, М. Л.Бернштейн делает вывод, что наилучший комплекс механических свойств, т.е. сочетание вы­соких значений прочности, пластичности и вязкости стали можно получить при ВТМО с деформацией обжатием на 30...50% [2]. Однако при определенных условиях ВТМО механические свойcтва сталей, и особенно их вязкостные свойства, могут достигать наибольших вели­чин при деформации 60 и более процентов, что подтверждается по­следними исследованиями в области ТМО стального проката [3, 4, 5].

В проведенных ранее исследованиях термопластической отделки листового проката были сделаны весьма противоречивые выводы об оптимальных суммарных величинах пластической деформации этого проката в процессе ТПО. Для примерно одинаковых температурно-скоростных параметров деформации в этих работах назывались величинах 25, 50 и 125% или 0,25, 0,5 и 1,25 л. е. (логарифмических единиц) [6, 7, 8, 9]. Поэтому для разработки режимов ТПО листового проката малоуглеродистых и низколегированных сталей необходимо начать с определения оптимальных сум­марных величин горячей пластической деформации, которые позволи­ли бы достичь в результате ТПО наилучшего комплекса механических свойств этого проката. Интерес предcтавляло также определение значений истинного сопротивления этих сталей горячей пластичес­кой деформации в процессе ТПО, с целью использования этих значе­ний в расчетах энергосиловых параметров деформирующих машин.

Для решения этих задач наряду с проведением эксперименталь­ных исследований ТПО в работе [1] использовались известные материалы иссле­дований непрерывной горячей пластической деформации стали в ус­ловиях одноосного нагружения (на пластометрах) [10, 11, 12]. Ха­рактерные кривые изменения истинного сопротивления стали горячей деформации σ_и =f(ɛ) при различных параметрах этой деформа­ции были представлены на рис. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.1. Кривые деформационного упрочнения малоуглеродистой стали 20 при различных температурах и скоростях де­формации (на пластометре) [1].

Для малоуглеродистых и низколегированных сталей в интересу­ющей нас области температурно-скоростных параметров деформации (температур деформации

Рис. 1.2. Кривые деформационного упрочнения низколегированной стали 15Г2 при различных температурах и скоростях деформации (на пластометре) [14].

Тд = 870..1000°С, скоростей деформации U = 1,0... 16 с^-1) экспериментальные зависимости деформационно­го упрочнения, приведенные в работах [13, 14], имеют явно выраженный максимум в области конечных значений величины деформации, состав­лявшей ɛ = 0,3...0,6 л.е. Кривые такого вида удовлетворительно аппроксимируются согласно [15] уравнением

σ_и=σ₀₊ D ɛ exp(-ɛ/ɛ_x)(1.0)

где: σ₀- экстраполированный предел текучести (при ɛ = 0);

D - модуль деформационного упрочнения;

ɛ_x - характеристическая степень деформации, при которой кривая σ_и =f(ɛ) имеет максимум. На основании исследований экспериментальных зависимостей σ_и =f(ɛ) в работах [10, 15, 16] сделан вывод, чтоɛ_xзависит от свойcтв стали, температуры и скорости деформации. В то же время в [17] отмечается, что наилучший комплекс механических свойств сталей с высокой склонностью к деформационному упрочне­нию, к которым можно отнести малоуглеродистые и низколегирован­ные стали в аустенитном состоянии, дает формирование субструкту­ры стали в результате динамического возврата, что соответствует участку 2...3 зависимостей деформационного упрочнения исследу­емых сталей (рис.1.1, 1.2 и 1.3). На основании этих данных можно сделать вывод, что оптимальные величины непрерывной плас­тической деформации (E_0ПТ) исследуемых сталей при ТМО зависят от свойств стали, температуры и скорости деформации и при срав­нительно невысоких скоростях (1,0... 16 с ^-1) и неизменных пара­метрах деформации соответствуют значениям (1,0...2,0) ɛ_x.

При ТМО, вследствие значительной дробности деформации, пе­рестройка и упорядочивание субструктуры сталей начинается с пер­вых микропауз, т.е. практически о самого начала деформации. И при пластической деформации, примерно соответствующей наибольше­му уровню деформационного упрочнения (ɛσ_max), субструктура ста­лей оказывается вполне упорядоченной и стабильной. Поэтому опти­мальные величины пластической деформации, позволяющие в резуль­тате ТПО получить наилучший комплекс механических свойств после­дуемых сталей, следует ограничить значениями [1]

ɛ_{опт. тпо} = ɛσ_max. (1.2)

Рис. 1.3. Зависимость истинного сопротивления деформации от величины относительной деформации

Рис. 1.4. Расположение зон пластической деформации листового проката (заштрихованы) при его изгибе в многороликовой машине

Снижение температуры деформирования и увеличение ско­рости охлаждения повышают дисперсность продуктов распада деформированного аустенита, хотя при этом химическая неод­нородность металла может возрастать. Тем не менее для обра­ботки углеродистых сталей широко используются методы ТМО, включающие ускоренное охлаждение от температур завершения деформации.

Так, снижение температуры аустенитизации стали СтЗсп с 1150 до 1000 °С при последующем ускоренном охлаждении до температур 650—600 °С резко уменьшает искажение структуры и повышает вязкопластические характеристики стали (табл.1). При этом прочность несколько понижается. Горячая пластическая деформация (ГПД) при 1150°С с последующим ускоренным охлаждением (УО) до тех же температур также снижает прочностные характеристики стали, оставляя примерно на том же уровне вязкопластические.

Однако если провести горячую пластическую деформацию (ГПД) после ускоренного охлаждения с Т_а=1150°С до Т_деф=1000°С и затем до 650—600 °С, то предел текучести стали существенно повышается, в том числе и по отношению к результатам обработки по аналогичному ре­жиму, не включающему в себя ГПД. Средние значения ударной вязкости и пластичности при этом практически не изменяются, но их разброс становится значительно меньше, чем после обра­ботки по другим исследованным режимам. Во всех случаях использования ГПД после режимов ТМО образуется структура, обладающая повышенным сопротивлением разрушению после механического старения. Показано [18], что термическое упроч­нение (ТУ) с оптимизацией Т_деф формирует стабильную дисло­кационную структуру со средними размерами фрагментов 3— 4 мкм и углами разориентировки до 13—18°. Это и обеспечивает высокую однородность свойств при повышенном уровне проч­ности, пластичности и вязкости, особенно при отрицательных температурах.

Понижение температуры завершения прокатки до 950 °С и ускоренное охлаждение до 650—600 °С значительно повышают прочность и ударную вязкость непрерывнолитой стали СтЗсп по сравнению с ее горячекатаным состоянием (табл. 2). Уро­вень прочности также превышает достигаемый ускоренным охлаждением после нагрева до тех же температур, хотя в по­следнем случае значения ударной вязкости выше в 1,5—2 раза (за счет дополнительной фазовой перекристаллизации при тер­мообработке). Пластические характеристики при обработке по этому режиму изменяются незначительно.

Термическое упрочнение во всех случаях значительно подав­ляет выделение избыточного феррита и сопровождается образо­ванием более мелкодисперсного перлита, а также однородных сильнодиспергированных структур сорбитного и бейнитного типа, однако после термического упрочнения (ТУ) с прокатного нагрева формирующиеся структуры более грубо дифференцированы.

Кроме температуры начала регламентированного охлажде­ния и его скорости уровень механических свойств существенным образом зависит и от характера распределения обжатий (де­формации) внутри температурного интервала прокатки. Этот фактор был исследован на стали СтЗсп двух плавок с разными значениями углеродного эквивалента [19]. Снижение Т_{к. п.} с 1050 до 780 °С, приводящее к расширению температурного интервала деформационного воздействия на металл, способствует повышению как прочностных характе­ристик, так и ударной вяз­кости (табл. 3).

Уровень механических свойств стали сильно зави­сит от скорости охлаждения после завершения деформа­ции, причем в случае охла­ждения на воздухе не­равномерное распределение деформации внутри темпе­ратурного интервала про­катки (двухступенчатая прокатка) значимо повы­шает и прочность, и удар­ную вязкость стали по срав­нению с равномерным рас­пределением деформации по всему температурному ин­тервалу прокатки (про­катка с завершением в МКИ температур). При охлаждении в воде картина меняется на противопо­ложную.

Подобный эффект, от­четливо выраженный у ста­ли с небольшим углеродным эквивалентом (С_ЭКВ = 0,163), практически отсут­ствует у стали с Сэкв =0,210.

В обоих случаях дефор­мация в МКИ температур ускоряет перлитное превра­щение, которое не подавля­ется полностью и при за­калке в воде, поэтому в структуре упрочненной ста­ли на границах ферритной и мартенситной составляю­щих присутствуют перлит­ные участки.

Исследование зависимости структурных параметров и меха­нических свойств стали СтЗсп [22] от температуры завершения прокатки Т_{к. п.}, длительности послепрокатной паузы т и темпе­ратуры полосы перед началом смотки Т _{н. с.} после ускоренного охлаждения показало (табл. 4), что прочностные свойства определяются Т_{к п} и не зависят от τ и Т_{н с} Понижение Т_{к п} одновременно с упрочнением стали уменьшает ее ударную вяз­кость при положительных температурах, но увеличивает хладостойкость. Причем при отрицательных температурах испытаний максимальное значение ударной вязкости обеспечивается мини­мальной последеформационной паузой, что препятствует пол­ному развитию рекристаллизационных процессов в стали, т. е. росту зерна. Таким образом, ударная вязкость при отрицатель­ных температурах определяется по преимуществу средним раз­мером ферритного зерна, а в испытаниях при плюсовых температурах она возрастает с увеличением равноосности зеренной структуры, т. е. более чувствительна к ее анизотропии.

Применение режимов упрочнения с прокатного нагрева дало хорошие результаты (табл. 5) при производстве на промышленном стане 3600 листов из стали Ст20 толщиной 10—30 мм [23].

Таблица 1.1. Характеристики микроструктуры и механические свойства стали

СтЗсп (0,17 % С, 0,60 % Мп, 0,24 % Si, 0,049 % S, 0,020 % Р) после ТМО

с ускоренным охлаждением [18]

Таблица1.2. Механические свойства горячекатаной и термически упрочненной непрерывнолитой стали СтЗсп (0,18 % С, 0,48 % Мn, 0,22 % Si, 0,036 % S, 0,020 % Р) [20]

Таблица 1.3. Механические свойства стали ВСтЗсп (толщина листа-10 мм) [19] 1. После прокатки, завершающейся в МКИ температур, и У О

2. После двухступенчатой прокатки, завершающейся в МКИ температур

Применение режимов упрочнения с прокатного нагрева дало хорошие результаты (табл. 5) при производстве на промышленном стане 3600 листов из стали Ст20 толщиной 10—30 мм [23].

Структура металла по толщине листов неоднородна: повы­шенные температуры завершения прокатки позволяют измель­чить зерно только в подстуживающихся при контакте с валками поверхностных слоях листов. На глубине до 0,2 мм от поверх­ности проката структура термоупрочненной с прокатного на­грева стали — видманштеттов и полиэдрический феррит (около 30%, размер зерна 16—22 мкм) и псевдоэвтектоид (около 70 %). В центре листа в структуре содержится около 40 % по­лиэдрического феррита с размером зерен 31—45 мкм и при­мерно 60 % перлита.

Таблица 1.4. Параметры структуры и механические свойства стали СтЗсп, термоупрочненной с прокатного нагрева [22]

Таблица 1.5. Механические свойства стали типа Ст20 (С_экв = 0,23 - 0,307) после упрочнения с прокатного нагрева [23]

Понижение Т_{к. п.} от 900 до 750 °С способствует измельчению ферритного зерна, резкому увеличению плотности дислокаций и снижению доли перлита в структуре непрерывнолитой стали СтЗсп (последеформационное охлаждение на воздухе). При этом возрастают как прочностные, так и вязкопластические ха­рактеристики (табл. 6).

Таблица 1.6. Зависимость параметров структуры и механических свойств

непрерывнолитой стали СтЗсп (толщина листа 12 мм)

от температуры завершения прокатки [24, 25]

Тем не менее достигаемые при охлаждении с прокатного на­грева как на воздухе, так и в воде (табл. 2 и 6) уровни проч­ности и ударной вязкости (особенно при отрицательных темпе­ратурах) сравнительно ниже, чем у аналогичной стали, полу­чаемой из листовых слитков и брам. Это связано с весьма круп­нозернистой структурой, характерной для непрерывнолитого металла. ТМО с однократной фазовой перекристаллизацией (при охлаждении) недостаточно полно прорабатывает такую структуру, поэтому следует использовать схемы, включающие в себя дополнительные циклы перекристаллизации.[2]

Дата добавления: 2015-07-15