CC BY
42
УДК 539.411/.412.001.57
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОЙ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ GLEEBLE 3500
Барышников М.П., Никитенко O.A., Ишимов A.C., Ефимова Ю.Ю., Жеребцов М.С.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Хорошо известно, что при горячей пластической деформации одновременно могут происходить как процессы упрочнения, так и процессы разупрочнения. К процессам разупрочнения относится - динамическая рекристаллизация. Изучение механизмов разупрочнения является весьма актуальным. Данный процесс происходит к снижению плотности дислокаций за счет их аннигиляции, следовательно, к снижению сопротивления деформации и за счет этого - к уменьшению усилия, необходимого для деформирования металла. В то же время образование новых недеформированных зерен приводит к измельчению структуры и уменьшению размера зерен [1, 2]. Целью данной работы было исследование влияния многоцикловой горячей пластической деформации на процессы и особенности механизмов разупрочнения в низкоуглеродистой стали марки 20*. Исследования проводились с использованием комплекса для физического моделирования Gleeble 3500 [3].
Данный комплекс позволяет осуществлять нагрев образцов путем прямого пропускания электрического тока со скоростью 10000 °С/с. Также с его помощью можно осуществлять контролируемое охлаждение со скоростями до 3000 °С/с. Контроль температуры осуществляется контактным методом при помощи термопар (хромель-алюмель), приваренных к поверхности образца. Гидравлическая система данного комплекса позволяет осуществлять последовательную одноосевую деформацию растяжение - сжатие с усилием 10 т в обоих направлениях. Скорость перемещения траверсы составляет до 1000 мм/с. Эксперименты проводились в вакууме.
Для проведения эксперимента были использованы цилиндрические образцы диаметром 10 мм и длиной 120 мм из стали марки 20. Степень деформации определялась контактным методом при помощи датчика поперечной деформации. Скорость деформации составила 0.1 с"1. Для одного шага деформации истинная логарифмическая степень деформации составила 0.2.
Истинная логарифмическая степень деформации рассчитывалась по формуле (1) [1]
Г d ^
£ = 21п
о
yd0 + Ad j
(1)
Скорость деформации рассчитывалась по формуле
ds
' = (2>
Режимы обработки представлены в таблице.
Перед деформированием образцы нагревались до 1200 °С в течение 1 минуты, после нагрева проводилась выдержка в течение 1 минуты при данной температуре для гомогенизации аустенита. По завершению аустенизации образец охлаждался в течение 15 секунд до
температуры 1100 °С, а затем - со скоростью 2,8 °С/с до температуры начала деформирования [3, 5].
Режимы и сопротивление деформации в процессе обработки
№ режима обработки Температура начала деформации, °С Вид деформации Степень деформации Условия охлаждения Gmax? МПа Да Твердость, HV5
1 882 Сжатие 0,4 Свободное охлаждение в захватах (средняя скорость около 40 °С/с) 136 - 195
2 882 1 цикл «Растяжение-Сжатие» 0,4 139 - 203
3 1100 20 циклов «Растяжение-Сжатие » 8 90 +34 213
4 870 20 циклов «Растяжение-Сжатие » 8 36 -31 216
Для выявления качественных и количественных характеристик микроструктуры использовался оптический микроскоп Meji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO [4], а также растровая электронная микроскопия (РЭМ) с использованием сканирующего микроскопа JSM 6490 LV.
На рис. 1 представлено описание режима обработки № 4.
1 1500
к К
й S
Он
о
к «
Л К
<и
с
к н
и
0.0
-0.1 -
0.2 -
1000
S00
и
о
d
0< &
Он
к
с 5 к Н
100
200
300
Время, с Рис. 1. Режим обработки № 4
На рис. 2 представлены графики зависимости сопротивления деформации во время обработки.
Из полученных результатов видно, что при обработке по третьему режиму происходит непрерывный рост сопротивления деформации при постоянном понижении температуры. Это связано с тем, что скорость увеличения количества дислокации и роста уровня внутренней энергии превышает скорость процессов разупрочнения, в связи с этим недеформирован-ные новые зерна не успевают зарождаться со скоростью достаточной, чтобы привести к снижению плотности дислокаций. Можно сделать вывод, что при таком режиме термодеформационной обработки (при постоянном понижении температуры) происходит непрерывный рост сопротивления деформации, соответственно, и рост усилия деформирования.
При обработке по четвертому режиму можно наблюдать картину изменения сопротивления деформации обратную той, что была получена в результате третьего эксперимента. Необходимо отметить, что при одинаковой температуре 870 °С в конце третьего и начале четвертого эксперимента сопротивление деформации различно. В начале четвертого эксперимента оно на 46 МПа превышает сопротивление деформации в конце третьего эксперимента. На основе этого можно предположить, что по завершению третьего эксперимента в металле присутствовала некоторая доля рекристаллизованной структуры.
Сопротивление деформации в конце четвертого эксперимента равно 105 МПа, а в конце третьего - 95 МПа, поэтому можно предположить, что скорость процессов разупрочнения в третьем эксперименте была выше, чем в четвертом [5-8].
Проанализировав результаты первого и второго эксперимента, можно сделать вывод о том, что разупрочняющие процессы в малой степени зависят от направления деформации, а в основном зависят от степени деформации.
На рис. 1 виден быстрый начальный рост сопротивления деформации до максимальной точки, характеризуемой максимальным сопротивлением деформации ор и степенью деформации ер, с последующим падением сопротивления деформации, которое вызвано началом процесса динамической рекристаллизации.
\
ч
\
V
Т, °С
1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
а, МПа
Т,
о
2ЗД /
1 ч
125 100 75 90 25 0 -25 -50 -75 100 -125
/1
-
\
ч _
\ \
V.
\
V
°с
1300 1200 1100 1000 900 803 700 600 500 400 ЭОС 200 100 о
230/ С
а
б
а, МПа
Т, °С
100 120 140 160 180 200 220 240 в
1300 1200 1100 1000 900 600 700 600 500 400 300 200 100 0
I; С
а, МПа
Т, °С
г
1200 1100
200 100
320/ С
Рис. 2. Зависимость сопротивления деформации стали марки 20 от времени в ходе деформации: а - режим обработки 1; б - режим обработки 2; в - режим обработки 3; г - режим обработки 4
о
-25
■ЮС
На основании анализа полученных результатов исследований можно сделать вывод о том, что при непрерывном процессе деформирования в металле одновременно могут происходить два противоположных процесса: процесс увеличения плотности дислокаций (процесс упрочнения) и процесс аннигиляции дислокаций путем зарождения новых недеформирован-ных зерен (процесс разупрочнения). Тип обработки определяет их соотношения и может привести либо к росту сопротивления деформации, либо к его снижению.
Исследования твердости показали, что увеличение степени деформации до 8 приводит к росту твердости на 13 единиц, по сравнению с тем случаем, когда степень деформации составила 0,4 (режим обработки 4 и 2, соответственно).
Характерные особенности микроструктуры, полученной после многоцикловой деформации (МЦД), представлены на рис. 3.
При исследованных скоростях охлаждения феррит имеет игольчатое строение и наряду с пластинчатой феррито-карбидной смесью наблюдаются бейнитно-мартенситные участки (см. рис. 3).
Рис. 3. Микроструктура стали марки 20 после обработки по режиму 1
После эксперимента, осуществленного по режиму 2, микроструктура получилась аналогичная той, которая наблюдалась после эксперимента 1 (рис. 4). Однако в ферритных уча-
стках появились деформационные полосы (см. рис. 4, г). После эксперимента, осуществленного по режимам 3 и 4 с большими степенями деформации, микроструктура получилась аналогичная той, которая наблюдалась после режимов 1 и 2 (рис. 5), однако размер структурных элементов (ориентированных участков) уменьшился до 15 мкм, по сравнению с 25 мкм в исходном состоянии.
Из результатов проведенного микроструктурного анализа видно, что большая степень деформации приводит к измельчению структуры. Изменение направления деформации способствует образованию деформационных полос.
Результаты исследования с использованием комплекса физического моделирования 01ееЫе 3500 показали возможность измельчения структурных элементов стали и влияние разупрочняющих процессов на свойства готовой продукции.
в г
Рис. 4. Микроструктура стали марки 20 после обработки по режиму 2
Рис. 5. Характерная микроструктура стали марки 20 после обработки по режиму 3 и 4
Авторы выражают благодарность научному консультанту, проф., д-ру техн. наук Н.В. Копцевой.
Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием высшего образовательного учреждения (контракт 02. G25.31.0040), программы стратегического развития университета на 2012 - 2016 гг. (конкурсная поддержка Министерства образования и науки РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО), а также государственного задания Министерства образования и науки РФ (Задание № 11.1525/К от 18 июля 2014 г.).
Список литературы
1. Влияние больших деформаций в горячем состоянии на структуру и свойства низкоуглеродистой стали / Н.Г. Колбасников, О.Г. Зотов, В.В. Дураничев, А.А. Наумов, В.В. Мишин, Д.А. Рингенен // Обработка металлов давлением. 2009. № 4. С. 25- 31.
2. Исследование процесса динамической рекристаллизации в углеродистых сталях при горячей деформации на основании физического моделирования на комплексе Gleeble 3500 / М.П. Барышников, А.С. Ишимов, М.С. Жеребцов, Ю.Ю. Ефимова, О.А. Никитенко // Инновационные технологии в машиностроении и материаловедении: сборник тезисов 2-й науч,-практ. конф. с междунар. участием. Пермь: ПНИПУ, 2014. С. 30-33.
3. Барышников М.П., Ишимов А.С., Жеребцов М.С. Моделирование процессов с большими степенями накопленной деформации на исследовательском комплексе Gleeble 3500 // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й межрегион. науч.-техн. конф. / под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. Т. 1. С. 251-254.
4. Koptseva N.V., Chukin M.V., Nikitenko О.А. Use of the Thixomet PRO software for quantitative analysis of the ultrafine-grain structure of low-and medium-carbon steels subjected to equal channel angular pressing // Métal Science and Heat Treatment. 2012. T. 54. № 7-8. C. 387392.
5. Барышников М.П., Ишимов A.C., Жеребцов М.С. Исследование влияния темпера-турно-временных и деформационных условий на сопротивление деформации стали 20 на комплексе физического моделирования Gleeble 3500 // Научная дискуссия: вопросы технических наук: сборник статей по материалам XVI междунар. заочной науч.-практ. конф. М.: Изд-во «Международный центр науки и образования», 2013. № 11 (13). С. 66-69.
6. Колокольцев В.М. Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. История. Развитие // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 5-6.
7. Производство многофункциональных сплавов инварного класса с повышенными эксплуатационными свойствами / В.М. Колокольцев, М.В. Чукин, Э.М. Голубчик, Ю.Л. Ро-
дионов, Н.Ю. Бухвалов // Металлургические процессы и оборудование. 2013. № 3 (33). С. 4752.
8. Научная деятельность ГОУ ВПО «МГТУ» в условиях развития нанотехнологий / М.В.Чукин, В.М. Колокольцев, Г.С. Гун, В.М. Салганик, С.И. Платов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. № 2 (26). С. 55-59.
References
1. Influence of large strain under hot conditions on structure and properties of low carbon steel / N.G. Kolbasnikov, O.G. Zotov, V.V. Duranichev, A.A. Naumov, V.V. Mishin, D.A. Ringenen // Metal forming. 2009. № 4. Pp. 25-31.
2. Investigation of process of dynamic recrystallization during hot deformation based on physical modeling on Gleeble 3500 system / M.P. Baryshnikov, A.S. Ishimov, M.S. Zherebtsov, Yu. Yu. Efimova, O. A. Nikitenko // Innovation technologies in machine building and material science: book of abstracts 2nd scientific and practical conference with international participation. Perm: PSTU, 2014. Pp. 30-33.
3. Baryshnikov M.P., Ishimov A.S., Zherebtsov M.S.. Modeling of processes with large accumulated strain on research system Gleeble 3500 // Actual problems of modern science, technology and education: Proceedings of the 71st inter-regional scientific and technical conference / ed. V.M. Kolokoltsev. Magnitogorsk: NMSTU. Publ., 2013. Т. 1. Pp. 251-254.
4. Koptseva N.V., Chukin M.V., Nikitenko O.A. Use of the Thixomet PRO software for quantitative analysis of the ultrafine-grain structure of low-and medium-carbon steels subjected to equal channel angular pressing // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 54. № 7-8. Pp. 387-392.
5. Baryshnikov M.P., Ishimov A.S., Zherebtsov M.S.. Investigation of the effect of time-temperature and deformation conditions on the deformation resistance of steel 20 with complex of physical modeling Gleeble 3500 // Scientific discussion: questions of technical sciences: a collection of articles based on the XVI International extramural scientific-practical conference. M.: Publ. "International Centre for Education and Science", 2013. № 11 (13). Pp. 66-69.
6. Kolokoltsev V.M. Nosov Magnitogorsk State Technical University. History. Development // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2014. № 1 (45). Pp. 5-6.
7. Production of invar multifunctional alloys with higher exploitation characteristics / V.M. Kolokoltsev, M.V. Chukin, E.M. Golubchik, Yu.L. Rodionov, N.Yu. Bukhvalov // Metallurgical processes and equipment. 2013. № 3. C. 47-52.
8. Chukin M.V., Kolokoltsev V.M., Gun G.S., Salganik V.M., Platov S.I. Scientific work of the State Educational Institution of Higher Professional Education "Magnitogorsk State Technical University" during nanotechnology development // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2009. № 2 (26). Pp. 55-59.
УДК 621.771
РАЗРАБОТКА ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛАСТИЧНОЙ МАТРИЦЫ
Зайдес С.А.1, Кургузов С.А.2, Михайлова У.В.2
1 Национальный исследовательский
«Иркутский государственный технический университет», Россия, г. Иркутск 2ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия
Тарельчатые пружины широко используют в технике для гашения динамических и ударных нагрузок, возникающих в процессе работы машин (амортизаторы, буферные устройства и т.п.). Однако согласно многочисленным исследованиям и практическим испытани-
