Влияние сверхпластической деформации на эксплуатационные свойства стали

АННОТАЦИЯ

В этой статье рассмотрена сверхпластическая деформация стали 45 при различных температурах. Исследовалась также температурная зависимость ударной вязкости в области комнатной и низких температур с целью определения порога хладноломкости.

ABSTRACT

In this article illustrates stell 45 mark of superplastic deformation different types of temperature. The main aim is that defecmine degree of cold brittleness and also the temperature dependence of impact toughness in the range of room and also low temperatures.

Ключевые слова: сверхпластичность (СП), ультрамелкозернистость (УМЗ), деформация, нормализация, хладноломкость, ударная вязкость.

Keywords: superplasticity, ultrafine grain, deformation, normalization, cold breaker, impact viscosity.

Подготовка структуры к деформированию в условиях сверхпластичности (СП), заключающаяся в измельчении зерен, и последующая деформация в условиях СП должны отразиться на комплексе механических свойств и на вязкохрупком переходе сталей [4, 2].

Изучение этого аспекта сверхпластической деформации (СПД) выполнено на примере стали 45. Определялось влияние обработки на УМЗ-структуру и деформации в условиях СП на стандартные характеристики механичеких свойств: передел текучести σ_Т, временное сопротивление σ_в, относительное удлинение δ и служение попречного ψ, ударная вязкость KCU [10, 6, 3, 8, 9, 7, 5].

Кроме того, путем анализа диаграммы растяжения определялись величины верхнего и нижнего передела текучести, протяженность площадки текучести, величина равномерной и сосредоточенной в шейке деформации.

Исследовалась также температурная зависимость ударной вязкости в области комнатной и низких температур с целью определения порога хладноломкости.

Определены указанные характеристки стали 45 в четырех состояниях.

1. Состояние поставки: горячая деформация с последующей нормализацией.
2. Деформация осадкой при 760 °С и έ = 6,6 · 10^–3с^–1 на ɛ = 60% с целью достижения ультрамелкозернистой структуры.
3. Деформация УМЗ-стали в условиях сверхпластичности на 20%.
4. Повторная нормализация с полной фазовой перекристаллизацией с целью выявления возможного исследования влияния СПД на механические свойства.

На рис. 1 представлены типичные диаграммы растяжения стали 45 в этих состояниях. Видны следующие особенности механического поведения стали на разных стадиях ее обработки.

В состоянии поставки четко выявляются верхний и нижний пределы текучести и значительная деформация Людерса на площадке текучести, соизмеримая по величине удлинения с удлинением в процессе сосредоточенной деформации в шейке.

Обработка на мелкое зерно сокращает площадку текучести, уменьшает разницу между верхним и нижним пределом текучести, несколько снижает общий уровень предела текучести. Максимальное усилие Р_в, по которому рассчитывается величина временного сопротивления, несколько выше. Наиболее интересным, видимо, следует считать то, что практически отсутствует сосредоточенная деформация в шейке левее максимума диаграммы растяжения. За счет этого диаграмма оказывается уже и суммарное удлинение существенно меньше.

После деформации в условиях сверхпластичности полностью отсутствует площадка текучести, максимальное усилие, выдерживаемое образцом, значительно ниже, деформация удлинения – самая большая из всех состояний, причем велика доля как равномерной, так и сосредоточенной в шейке деформации.

Повторная нормализация восстановливает зуб текучести, хотя уровень предела текучести остается на том же уровне, как и после СПД. Диаграмма оказывается несколько выше и уже.

Испытания на ударный изгиб проводились в интервале температур от комнатной до –100 °С в состоянии поставки (1-е состояние), после СПД (состояние 3) и после повторной нормализации (состояние 4). Результаты приведены на рис. 2, 3, 4.

Результаты испытаний на ударный изгиб обобщены в табл. 1.

Рисунок 1. Диаграммы растяжения стали 45 в разных состояниях:

1 – состояние поставки (горячая деформация + нормализация); 2 – осадка при 760 °С, ɛ = 50% (обработка на УМЗ-структуру); 3 – СПД, осадка на 20%; 4 – повторная нормализация после СПД

Рисунок 2. Температурная зависимость ударной вязкости стали 45 в состоянии поставки

Рисунок 3. Температурная зависимость ударной вязкости стали 45 после деформации в условиях сверхпластичности

Рисунок 4. Температурная зависимость ударной вязкости стали 45 после повторной нормализации

а)

б)

в)

г)

Рисунок 5. Микроструктура стали 45 после различных обработок:

а – горячая деформация + нормализация (состояние поставки); б – обработка на ультрамелкозернистое строение; в – осадка в условиях сверхпластичности; г – повторная нормализация, × 500

Таблица 1.

Характеристики перехода стали 45 в хладноломкое состояние

Из приведенных данных видно, что подготовка к СПД и сам процесс СПД, влияя на структуру стали, изменяют ее свойства, особенно повышают пластичность и вязкость, снижают температуру перехода в хрупкое состояние и повышают вязкость стали ниже порога хрупкости.

Теория предсказывает, что при снижении температуры переход от вязкого разрушения к хрупкому смещается в сторону меньших размеров зерен.

Отсюда можно предположить обратное заключение: при измельчении зерна переход к хрупкому разрушению должен смещаться в сторону более низких температур, что установлено в данной работе.

Если деформация осадкой в двухфазной аустенито-ферритной области измельчает структуру, уменьшает размеры ферритного зерна и перлитной колонии, то деформация осадкой в условиях СП придает стали принципиально иную структуру, устраняет типичную структуру эвтектоида. В этом состоянии в ферритной составляющей имеются округлые зерна цементита.

Такие различия в структуре, по-видимому, отражаются на механических свойствах стали. Особенно сильное влияние оказывается на вязкость стали: понижается температурный порог хрупкости при температурах ниже порога хрупкости.

Повторная нормализация восстанавливает феррито-перлитную структуру стали, хотя зерно оказывается более мелким, чем в исходном нормализованном состоянии. Температурный порог хрупкости при этом вновь повышается, хотя остается несколько ниже, чем в состоянии поставки, что вполне согласуется с литературными данными [1]. Однако уровень ударной вязкости сохраняется, как после деформации в условиях СП. 

Вывод

В статье показано, что наличие мелкозернистой структуры позволяет наблюдать в стали 45 все признаки сверхпластического течения в аустенито-ферритной области. Вывод не нов, однако для исследованного материала установлены диапазоны, в которых при наложении деформации может происходить образование ультрамелкозернистой структуры. В указанных диапазонах и интервале скоростей деформации 10^–4–10^–2 не только формируется ультромелкозернистая структуры, но еще и проявляются сверхпластические свойства.

Список литературы:
1. Гуляев А.П. Сверхпластичность стали. – М. : Металлургия, 1982. – 56 с.
2. Зарипов Н.Г., Караваева М.В. Материалы авиационной техники : учеб. пособие. – М. : Инновационное машиностроение, 2017. – 207 с.
3. Инглиш А.Т., Бакофен У.А. Влияние технологии обработки металлов на их сопротивление разрушению // Разрушение. Т. 6. – М. : Металлургия, 1976. – 232 с.
4. Металлы и сплавы : справочник. – СПб., 2015.
5. Штремель М.А. Лабораторный практикум по спецкурсу «Прочность сплавов». Ч. I. – МИСиС, 1968.
6. Cottrel A.M. Trans. AIME. – 1958. – V. 212. – P. 192.
7. Gilman J.J. In «Plasticity: Proceedings of 2-nd Symposium on Naval Structural Mechanics». – Oxford : Pergamon, 1960. – P. 43.
8. Low J.R. In «Relations of properties to microstructure». – Cleveland : ASM. – P. 163.
9. Petch N.I. Phil. Mag. – 1958. – № 3. – P. 1089.
10. Schadler H.W. Trans. Met. Soc. AIME. – 1968. – V. 242. – P. 1281.