CC BY
48
УДК 669.14.018.298
I. О. ВАКУЛЕНКО (ДПТ)
СТРУКТУРН1 ПЕРЕТВОРЕННЯ ПРИ В1ДПУСКУ ХОЛОДНОДЕФОРМОВАНО1 ВУГЛЕЦЕВО1 СТАЛ1
У CTarri розглянуто питання стосовно впливу ступеню пластично! деформацп та наступного вiдпуску на структуру та напруження течп в обласп мiкротекучостi попередньо покращених вуглецевих сталей. Проведено оцшку змщнення сталей вiд впливу розмiру зерна фериту та часток друго! фази.
Ключовi слова: холоднодеформована вуглецева сталь, пластична деформащя, ввдпуск, структура, напруження течи, зерно фериту, друга фаза
В статье рассмотрены вопросы относительно влияния величины пластической деформации и последующего отпуска на структуру и напряжение течения в области микротекучести предварительно улучшенных углеродистых сталей. Проведена оценка упрочнения сталей от влияния размера зерна феррита и частиц второй фазы.
Ключевые слова: холоднодеформированная углеродистая сталь, пластическая деформация, отпуск, структура, напряжение течения, зерно феррита, вторая фаза
The influence of parameters of degree of plastic deformation for 30.. .80 % and subsequent temper on the structure and yielding stress in the microyield region of pre-improved carbon steels has been studied. The classification of dispersed phase of ferrite into two types containing the high angle boundaries and substructure boundaries respectively in relation to steels has been discussed.
Keywords: cold-deformed carbon steel, plastic deformation, temper, structure, yielding stress, ferrite grain, second phase
В процес експлуатацп затзничш колеса та бандажi шддаються достатньо складним темпе-ратурно-деформацшним навантаженням [1]. В мюцях контакту залiзничних колю та бандажiв з рейками метал тддаеться значним пластич-ним деформащям з визначеним градieнтом у глиб ободу. Одночасно з цим, в процесi галь-мування рухомого складу, холоднодеформова-ний метал тддасться розiгрiву. При чому, сту-шнь розiгрiву прошарюв металу колю та бан-дагав, незалежно вщ шших впливiв (режим га-льмування, навколишне середовище та ш.), в значнiй мiрi визначаеться вщстанню вiд повер-хнi кочення. На пiдставi цього, розвиток проце-сiв структурних перетворень в метат затзнич-них колiс, бандаж1в та рейок мае достатньо ва-гомий вплив на змiну !х комплексу властивос-тей, особливо в об'емах поблизу поверхш кочення. Таким чином, анатз процесiв струк-турних перетворень в вуглецевих сталях в за-лежностi вщ ступеню холодно! пластично! деформацп та температури нагрiву мае визначене значення [2].
Метою роботи явилися дослщження впливу величини пластично! деформацп та температури вщпуску на розвиток процеив структурних перетворень в вуглецевих сталях, як викорис-товують для виготовлення залiзничних колiс, бандагав та рейок.
Матерiалом для дослщження були обранi вуглецевi сталi з кшькютю вуглецю 0,6 i 0,8 % , пюля прискореного охолодження, холодно! пластично! деформацi! 30... 80 % та вщпуску при температурах 400...680 °С, термiном 1 год. Характеристики мщносп визначали при розтя-ганш з записом криво! навантаження. Розмiр структурного елементу сталей визначали з ви-користанням методик кiлькiсно! металографi! [3], стушнь накопичення дефектiв кристалiчно! будови визначали по шириш лiнi! рентгешвсь-ко! iнтерференцi!' (211) (В211).
В процесi пластичного деформування тд-вищення опору металу (с) вщ ступеню деформацп (в ) тдпорядковуеться залежносп:
а = а0 +K -е"
(1)
де K i n - постшш параметри р1вняння, с0 - напруження не оберненого перемщення дислока-цiй [4]. З урахуванням того, що величина с0 характеризуе процеси зародження та початковi етапи розповсюдження пластично! деформацп [2, 4], використання наведено! характеристики дозволить дати обгрунтоваш пояснения що до розвитку структурних змш в метат залiзнич-них колю,бандагав i рейок тд час експлуатацп.
Нагрiвания холоднодеформованих вуглецевих сталей пюля попереднього термiчного зм-
© Вакуленко I. О., 2010
цнення супроводжусться зменшенням густини накопичених, шд час деформування, дефектiв кристалiчно! будови, що пiдтверджуeться зако-номiрною змшою ширини рентгешвсько! ш-терференци (211) (рис. 1). Аналiз наведено! за-лежностi показуе, що при вщпуску холодноде-формовано! сталi величина зниження густини накопичених дефектiв буде тим бшьшою чим вище був !х початковий рiвень [2]. Таким чином, незалежно вiд вмiсту вуглецю в сталi, ни-зько! сумарно! накопичено! деформаци вщпов> дае бшьш високий кiнцевий рiвень густини де-фектiв кристалiчно! будови пiсля вщпуску.
Наведене положення, як вiдомо, мае вщно-шення до напружень, як за абсолютними зна-ченнями значно перебшьшують межу плиннос-т [2, 4].
ку, можна вважати що розвиток процесш стру-ктурних перетворень при деформацшному зм> цненнi шсля значних пластичних деформацiй i послщуючого вiдпуску можуть бути викорис-таш для аналiзу поведiнки металу при малих деформацiях, наприклад для обласп мшротеку-чостi [4].
З урахуванням того, що пiдвищення кшько-ст дефектiв кристалiчноl будови сприяе зрос-танню швидкостi дифузи атомiв вуглецю [2], формування полiгональних сiток з дислокацш неодмiнно буде супроводжуватися затримкою атомiв на вузлах цих шток, що в свою чергу приведе до зниження рухомосп дислокацiй. Розвиток наведених процешв в першому на-ближеннi може розглядатися як основна причина зниження темпу зменшення величини с0 при вiдпуску деформовано! вуглецево! сталi.
Рис. 1. Залежшсть ширини лши рештешвсько!
штерференци (211) ввд вм1сту вуглецю (а - 0,6; б - 0,8 % С) та температури вщпуску шсля холодно! пластично! деформаци (1 - 30, 2 - 60, 3 - 80 %)
Однак, як показали дослщження, залежшсть величини с0 вуглецевих сталей шсля холодно! деформаци (30...80 %) та послщуючого выпуску, хоча i мае подiбний вигляд, але е сво! особ-ливостi (рис. 2.).
Це стосуеться характеру залежносп с0 для рiзних температурних iнтервалiв вiдпуску. Не-зважаючи на незначш наведенi розбiжностi в залежностях с0 i Б211 вщ температури вщпус-
Рис. 2. Залежшсть ст0 ввд вм1сту вуглецю (а - 0,6, б - 0,8 % С) та температури ввдпуску шсля холодно! пластично! деформаци (1 - 30, 2 - 60, 3 - 80 %)
З шшого боку, при подальшому шдвищенш температури вщпуску, коли в значнш ступенi зростае швидкiсть коалесценци карбщних час-ток з одночасним розвитком рекристатзацп феритно! матрицi, спостерiгаеться змша не тiльки форми але i розмiру зерна фериту (й). Як показали дослщження [5], одночасна змша форми та розмiру феритних зерен може бути обумовлена змшою мехашзму масо переносу. Так в результат рекристатзаци, перемiщення
грaниць зeрeн з вeликими кyтaми розорieнтaцil cyпроводжyeтьcя циклiчною змiною eтaпiв зро-cтaння i розчинeння гло6улярних чacток цeмe-нтиту. Haвeдeнe явищe приводe в цiломy по об'ему мeтaлy до нeзмiнноcтi ceрeднього зта-чeння дiaмeтрy чacток кaрбiдноï фaзи i, як та-cлiдок цього, до пректично нeзмiнного розмiрy зeрнa фeритy при тривaлих витримкaх при цих тeмпeрaтyрaх [4]. Тaким чином, eкcпeримeнтa-льно визнaчeнe yповiльнeння тeмпy знижeння хaрaктeриcтик мiцноcтi, в пeршомy нaближeннi пов'язaнe з нeзмiннicтю розмiрy зeрнa фeритy. З iншого боку, приблизно eквiдиcтaнтний хiд кривих (рис. 1, 2) можe розглядaтиcя як докaз нaявноcтi впливу об'eмноï чacтки кaрбiдноï фa-зи ( f ) m комплeкc влacтивоcтeй cтaлi.
Сумюний aнaлiз змiни с0 i B211 вiд cтyпeня дeформaцiï тa тeмпeрaтyри вiдпycкy дозволяе припустити icнyвaння зв'язку мiж ними. Тaк, пicля нaнeceння пaрних знaчeнь однieï хaрaктe-ристики проти шшо!, можнa з досгатньою вш-внeнicтю говорити про icнyвaння однознaчного зв'язку мiж ними (рис. 3).
Ha пiдcтaвi aнaлiзy ходу кривих можга ввa-жaти, що пiдвищeнiй кiлькоcтi дeфeктiв крис-тaлiчноï будови в мeтaлi вiдповiдaють бшьш виcокi знaчeння нaпрyжeння нe обeрнeного ру-ху диcлокaцiй, при цьому вплив нa вeличинy с0 вщ розмiрy зeрнa фeритy тa об'емно! чacтки цeмeнтитy мae aдитивний хaрaктeр. При бiльш дeтaльномy aнaлiзi виявляеться, що при зни-жeннi вeличини B211 cтyпiнь приросту с0 вщ f тaкож cтae мeншою. Haвeдeнa зaлeжнicть обyмовлeнa якicними розбiжноcтями в структурному сгаш фeритноï мaтрицi cтaлeй. Тaк, для iнтeрвaлy знaчeнь B211 вiд 15 до 13 мрaд вiдповiдaють тeмпeрaтyри вiдпycкy 400...500 °C, при яких вжe зaвeршeнi процecи полiгонiзaцiï, a зeрнa фeритy доcтaтньо дисшр-cнi тa нeрiвновaжнi. Для iнтeрвaлy 10.8 мрaд i тeмпeрaтyри 550.680 °С вiдповiдae вжe пргк-тично повнicтю рeкриcтaлiзовaнa cтрyктyрa з низькою густиною диcлокaцiй тa окрeмими зa-лишкaми cyбгрaниць [4]. Ha пiдcтaвi нaвeдeно-го стае зрозyмiлим, що пояcнeння причин впливу m нaпрyжeння нeобeрнeного пeрeмi-щeння диcлокaцiй при нaвaнтaжeннi дослщжу-вaних вyглeцeвих cтaлeй нeобхiдно шyкaти в шпрямку визнaчeння структурних змiн при вщпуску холоднодeформовaного мeтaлy.
Анaлiз зaлeжноcтi вeличини с0 вiд розмiрy
зeрнa фeритy (рис. 4) покaзye, що вот тдпо-рядковуеться cпiввiдношeнню типу Холлa-Пeтчa [2, 4]:
СТ0 = °i + ку '<
(2)
дe <5i - нaпрyжeння нeобeрнeного пeрeмiщeння диcлокaцiй для нeобмeжeно вeликого розмiрy зeрнa; ку - вeличинa, що хaрaктeризye проник-
ливicть грaниць зeрeн розповcюджeнню raac-тичноï дeформaцiï [2].
Рис. 3. Взaeмний зв'язок мгж вeличинaми ст0 i B211 ввд вм1сту вyглeцю (а - 0,6; б - 0,8 % С) тa тeмпeрa-тури вщпуску шсля холодно! плacтичноï дeформaцiï (1 - 30, 2 - 60, 3 - 80 %)
Грaфiчнe рiшeння нaвeдeних зaлeжноcтeй покaзaло, що для рiзних тeмпeрaтyр вiдпycкy доcягaютьcя рiзнi знaчeння пaрaмeтрiв рiвняння (2). Ta^ для вiдпycкy при 680 °С <5i = 15 Mna, a ку = 25 Н/ммЗ2, що cпiвпaдae з вiдомими дa-
ними [2, 4, 5]. Для тeмпeрaтyр 550.600 °С отримaно дeкiлькa нeочiкyвaнi рeзyльтaти: вe-личинa ку зроста до 34 Н/мм3 2, a ai взaгaлi
мае негативне значення. Одне iз пояснень наведено! змши параметрiв рiвняння - рiзне ств-вiдношення мiж розвитком процесiв структуро-утворення, таких як пол^ошзащя та рекриста-лiзацiя феритно! матрицi при вiдпуску холод-нодеформованих сталей. Формування границь зерен фериту з великими кутами розорiентацi! при температурах вщпуску 500.550 °С при низькiй густинi дислокацiй (низью значення В211), як показано в [2], супроводжуеться вини-кненням сегрегацш з атомiв вуглецю на них. Наведеш сегрегацi! приводять не тшьки до пiд-вищення опору границь зерен розповсюдженню деформацi! (збiльшення ку), але i ускладнюють
зародження нових дислокацiй [2, 4]. При цьому внутрiшнi об'еми зерен фериту значною мiрою очищуються вщ незв'язаних дислокацiй та за-лишюв полiгональних границь, якi розсипають-ся, що зрештою веде до зниження опору руху дислокацiй (величини сi). Наведений характер змiни величин сi i ку найвiрогiднiше обумов-
лений рiзною швидкiстю процесiв структурних перетворень при формуваннi границi зерна з великими кутами розорiентацi!. Порiвняльний аналiз показуе, що проникливiсть границ для розповсюдження деформацi! значно повшьшше зростае порiвняно з розчиненням сегрегацш усередиш зерна. Внаслiдок цього отримуемо занадто високi значення ку, та низью для сi.
У 1
Щцтверджуються наведенi положення аналiзом iз залученням спiввiдношення для с0 у виглядi:
с0 =сi + А + -
У2 • ку
-ац,
Ь •в,
й
(3)
де А - змщнення твердого розчину вщ присут-ностi aтомiв вуглецю (за умови вiдсутностi впливу вщ субструктурних угруповань); а -коефщент, що приблизно дорiвнюе одинищ; ц - модуль зсуву, Ь - вектор Бюргеса, в, -деформащя Людерса. Пюля пiдстaновки експе-риментальних даних в рiвняння (3), в тому чис-лi й негативних значень для сi (-240 МПа), ку = 59 Н/мм3/2, а«1, ц = 82260 МПа, Ь =
= 2,48 • 10-7 мм та замшою А на внесок вщ ди-
сперсiйного змiцнення (А = /(л/С3) де С -кiлькiсть вуглецю в стaлi [6], для стaлi з 0,6 % С величина А склала значення приблизно 200 МПа [7]), отримали розраховану величину с0, яка з помилкою до 10 % ствпадае з експериментальними значеннями. Формальне
виконання сшввщношення (3) вказуе на доста-тньо широкий дiaпaзон його використання, хо-ча рaнiше воно мало призначення тiльки для опису поведшки вуглецевих сталей iз достатньо рiвновaгомими структурами.
Рис. 4. Вплив розм1ру зерна фериту на с0 залежно в1д температури в;дпуску (1, 2 - 680; 3, 4 - 550.600 °С) та шлькосп вуглецю в стал1 (1, 3 - 0,6; 2, 4 - 0,8 %)
При температурах вщпуску 500.600 °С, коли ще вщчуваеться вплив вiд частково збе-режено! субструктури, урахування !! приведе до зменшення довжини вiльного пробiгу дислока-цiй. На пiдстaвi цього для дiaгрaми, яка наведена на рис. 4, положення точок по вю абсцис повинно бути зсунуте в сторону бшьш дрiбних величин структурного елементу (збшьшення
значень й_1/2). В результaтi тако! перебудови отримаемо зниження величини кутового коеф> щента (ку) та зростання сi до реальних пози-
тивних значень. Однак, провести наведене уто-чнення структурного елемента (о^м якiсно! оцiнки) достатньо складно за рахунок нерiвно-мiрного протiкaння структурних перетворень не тшьки в окремих зернах феритно! матрищ, але й в об'емах самих зерен.
Таким чином, при вщпуску холоднодефор-мованих, покращених середньо- та високовуг-лецевих сталей часткове збереження пол^она-льних границь та виникнення нових, з великими кутами розорiентaцi! на початку розвитку рекристатзацшних процесiв, з одночасною аб-сорбцiею aтомiв вуглецю на них являються причиною пщвищення опору малим пластич-ним деформaцiям. Наведений вплив може роз-глядатися як свого роду зниження запасу плас-тичних властивостей металу на початкових
етапах пластичного деформування. Пщтвер-джуеться можливють розвитку структурних перетворень в метат залiзничних колiс та бан-дажв пiд час експлуатаци, формуванням трь щин на визначенiй вiдстанi вщ поверхнi кочен-ня в об'емах металу без вiдхилень стосовно ви-мог нормативно-техшчно! документаци [1].
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Дефекти зал1зничних кол1с [Текст] / I. О. Ваку-ленко [та ш.] - Д.: Маковецький, 2009. - 112 с.
2. Бабич, В. К. Деформационное старенне стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Дол-женков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
3. Панченко, Е. В. Лаборатория металлографии [Текст] / Е. В. Панченко, Ю. А. Скаков, Б. И. Кример. - М.: Металлургия, 1963. - 439 с.
4. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст] /
И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д.: Мако-вецкий, 2008. - 196 с.
5. Вакуленко, И. А. Коалесценция цементита в низкоуглеродистой стали [Текст] / И. А. Вакуленко // Изв. АН СССР. Металлы. - 1991. -№ 3. - С. 73-76.
6. Бокштейн, С. З. Строение и свойства металлических сплавов [Текст] / С. З. Бокштейн. - М.: Металлургия, 1971. - 496 с.
7. Бабич, В. К. Влияние размера зерна феррита и содержания углерода на свойства конструкционной стали [Текст] / В. К. Бабич, В. А. Пирогов, И. А. Вакуленко. - В кн.: Термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1980. -№ 9. - С. 91-92.
Надшшла до редколеги 02.06.2010.
Прийнята до друку 24.06.2010.
