Термически активированные процессы при горячей деформации стали 08Х18Н10Т Текст научной статьи по специальности «Физика»

2. К н я з е в С.В., А н т и п е н к о В.А., М а р ч у к о в В.А., У с о л ь ц е в А.А. Алгоритм диагностики дефектности отливок и структура АСУ их качеством // Литейное производство. 1992. № 4. С. 26, 27.

3. К н я з е в С.В., У с о л ь ц е в А.А., Ч и ч-к о в В.И. Ш и х о в Е.А. Контроль и управление производства отливок по критерию их качества // Теория и практика литейных процессов: Труды Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию кафедры литейного производства СибГИУ / Под ред. И.Ф. Селянина, В.Б. Деева. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2012. С. 153 - 158.

4. Hastie, T., Tibshirani R., Friedman J. Chapter 15. Random Forests // The Elements of Statis-

tical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction. - 2nd ed. - Springer-Verlag, 2009.

5. Википедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Random_forest (Дата обращения: 13.03. 2015 г.).

6. Юрий Лифшиц. Метод опорных векторов (Слайды) - лекция № 7 из курса «Алгоритмы для Интернета»: http://yury. name/internet.html (Дата обращения: 13.03.2015 г.).

7. В а п н и к В.Н. Восстановление зависимостей по эмпирическим данным. - М.: Наука, 1979. - 448 с.

© 2015 г. С. В. Князев, Д. В. Скопич, А.А. Усольцев, Е.А. Фатьянова Поступила 13 марта 2015 г.

УДК 621.011:539.52

М.В. Филиппова, М.В. Темлянцев, В.Н. Перетятько Сибирский государственный индустриальный университет

ТЕРМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ СТАЛИ

08Х18Н10Т*

Точность расчетов энергосиловых параметров различных процессов обработки металлов давлением в значительной степени зависит от точности определения величины сопротивления деформации (напряжения течения). Значение напряжения течения зависит в общем случае от типа кристаллической решетки, химического состава, структуры, степени деформации, температуры и скорости деформации [1]. Влияние исходной структуры и ее изменение в процессе деформации может быть учтено через структурно-чувствительный фактор. Тогда для конкретной марки стали напряжение течения от можно записать в виде

стт =стт (в,и,Т,С), (1)

где 8 - степень деформации; и - скорость деформации; Т - температура; С - структурно-чувствительный фактор.

При больших деформациях (установившаяся стадия пластического течения) напряжение

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ на 2014 - 2015 гг. (гос. контракт № 14-0800686).

течения и структура не зависят от степени деформации и однозначно определяются скоростью деформации и температурой:

ст т =а т(и,Т)• (2)

Проведено исследование кривых течения аустенитной стали марки 08Х18Н10Т с содержанием 28 % 8 -феррита. Исследование образцов проводили методом растяжения при температурах от 800 до 1200 °С при скорости деформации от 3,2-10-2 до 1,7^ 10-1 с-1. Скорость деформации 1,7 •Ю-1 с-1 получена при испытании образцов на горячее скручивание [2].

Для изучения изменения микроструктуры при высоких температурах растяжение образцов из стали марки 08Х18Н10Т проводили на установке высокотемпературной металлографии ИМАШ-20-75 «Ала-Тоо» [3]. Для испытания образец крепился в вакуумной камере. После откачки воздуха до остаточного давления 6,7 10 3 Па проводили нагрев и растяжение образцов. Нагрев образца до температуры от 800 до 1200 °С осуществлялся за счет пропускания через него тока промышленной частоты.

800 в 600

| 500

3 400

£

щ

S 300

S

щ

Ц 200

N

160 1 140 ^ 120 100

70

- П1 П2 „

-

- 800 °C

— Х- 900 °C

_ Л- 1000 °C

+ -1100 °C

— 5 V- 1150 °C

1 1 1 1 о- 1200 °C 1 1 1

0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 2,0 3,0 5,0 10,0 Скорость деформации растяжения, с Рис. 1. Зависимость напряжения течения стали 08Х18Н10Т от скорости деформации

образом, на рис. 1 можно выделить два характерных участка: участок с большим показателем скоростной чувствительности напряжения течения n1 и участок с малым показателем скоростной чувствительности n2. Ниже приведены значения показателя скоростной чувствительности для различных температур испытания:

Т, °С... 800 900 1000 1100 1150 1200

n1......... 0,19 0,24 0,24 0,31 0,32 0,36

n2......... 0,08 0,08 0,09 0,10 0,11 0,15

Для анализа влияния температуры на напряжение течения применяют экспоненциальную зависимость [4]

Вакуумным травлением выявлялись границы зерен, деформацию которых можно наблюдать и фотографировать с помощью микроскопа МВТ-71.

Зависимость напряжения течения от скорости деформации в значительной степени определяет взаимоотношение конкурирующих процессов упрочнения и разупрочнения [1]. Скоростная зависимость стт — и может быть представлена в виде уравнения [1]

а = a0exp(b/r),

(4)

а = Aun

(3)

в котором А\ - коэффициент; п - скоростной показатель.

На рис. 1 представлена скоростная зависимость напряжения течения стали 08Х18Н10Т.

Можно отметить увеличение напряжения течения с ростом скорости деформации и его снижение при увеличении температуры. При скорости деформации около 0,5 ^ наблюдается перегиб линейных зависимостей. Таким

800

600 ^500

§400 -

к

^

| 300 -

к

ад й

| 200

%160 £140

120 100 80

12001100 1000 900 800

Температура, °С

Рис. 2. Зависимость напряжения течения стали 08Х18Н10Т от температуры

где с0 - напряжение течения, экстраполированное до 0 °С; Ь = Q/Я - температурный коэффициент, град; Q - энергия активации, кДж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(мольК); Т - температура испытания, К.

На рис. 2 приведена температурная зависимость напряжения течения исследованной стали. Можно отметить увеличение напряжения течения с ростом скорости деформации и его снижение при увеличении температуры. При температурах 900 - 950 °С наблюдается перегиб линейных зависимостей напряжения течения от температуры. В области высоких температур (выше 900 - 950 °С) температурная чувствительность напряжения течения характеризуется коэффициентом Ь1. Чувствительность напряжения течения к изменению температуры в области температур меньше 900 -950 °С ниже и оценивается коэффициентом температурной чувствительности Ь2. Влияние скорости деформации на коэффициент температурной чувствительности отражают следующие данные:

u, с-1.................. 0,17

¿!-103................. 4,0

b2103................. 1,1

0,58 3,0 0,2

1,70

2,7

0,2

5,80 2,6 0,2

Интервал исследованных температур и скоростей деформации для стали 08Х18Н10Т может быть представлен в виде нескольких областей, которые характеризуются сочетанием различных по величине коэффициентов скоростной (п) и температурной (Ь) чувствительности напряжения течения (рис. 3).

1200

о

° 1100

>з

!

1| 1000

&

§

Ез 900 800

0,10 0,17 0,58 1,70 5,80 10,0 Скорость деформации растяжения, с-1

Рис. 3. Области значений температурного коэффициента и показателя скоростной зависимости стали 08Х18Н10Т

При изучении механизмов, контролирующих деформацию, широко используются оценки активационных параметров [5], однако применительно к горячей обработке давлением двухфазных сталей такие исследования не проводились. Поэтому целесообразно проанализировать рассмотренные выше зависимости напряжения течения от температуры и скорости деформации с привлечением представлений о пластической деформации как о термически активированном процессе.

Модели, основанные на представлении об атермической пластической деформации, контролируемой переползанием дислокаций, подробно рассмотрены в работе [6]. Модели приводят к следующей зависимости между сопротивлением деформации (напряжением течения) и скоростью деформации:

u = <. (5)

В этой модели коэффициент П имеет значение от 3,0 до 4,5. Сравнивая уравнения (3) и (5), можно отметить, что показатель степени п в уравнении (3) равен п = 1 /п'. Таким образом, пластическая деформация атермична, когда значения коэффициента скоростной чувствительности находятся в интервале 0,22 -0,33. Это область пластической деформации со скоростями менее 5,8-10-1 с-1 при температурах выше 850 °С. На рис. 3 показано, что эта область характерна не только высоким коэффициентом скоростной чувствительности п1, но и высоким коэффициентом температурной чувствительности Ь1 напряжения течения.

Наличие двух участков на графике зависимости стт - u позволяет предположить, что при низкой скоростной и температурной чувствительности пластическая деформация является термически активированным процессом. В области высоких скоростей (более 5,8 10-1 с-1) и низких температур (ниже 900 °С) существен-

ную роль играет атермическая деформация. Области, которые характеризуются парными коэффициентами п1, Ь2 и п2, Ь1, являются переходными.

Для объяснения полученных результатов воспользуемся параметром Зинера-Холломона (З-Х) - 2.

В условиях, когда с увеличением скорости деформации степенной закон (3) перестает быть справедливым, а на графике в координатах ат - Т имеются перегибы, следует применять другой закон связи напряжения течения с температурой и скоростью деформации (7):

и = А [(астт)]" ехр (-0/ЯТ). (6)

Используя параметр Зинера-Холломона

2 = иехр (0 /ЯТ), (7)

эту зависимость можно записать в виде

2 = А2 [ыпк (аат)], (8)

где А2,п",а - постоянные, не зависящие от температуры и напряжения.

Выражения (6) и (8) для больших напряжений течения - высокие скорости деформации или низкие температуры деформации - стремятся к уравнениям [7]

и = Аз ехр (рат) ехр (-0/ЯТ); (9) 2 = Азехр (Ра ), (10)

где А3 и Р - константы, не зависящие от температуры и напряжения.

Для малых напряжений течения - низкие скорости деформации или высокие температуры деформации - выражения (6) и (8) стремятся к уравнениям [7]

и = А а; ехр(-0/ЯТ); (11) 2 = А1 ат'. (12)

Многочисленные исследования горячей деформации металлов и однофазных сплавов показали [7, 8 и др.], что в тех случаях, когда деформация происходит путем термически активируемого скольжения дислокаций и энергия активации процесса деформации равна энергии активации самодиффузии, справедливы соотношения (6), (8) - (10).

П1 П2

ъ, ъ1

П1 П2

| Ъ2 Ъ2 1 2 1

С использованием методики [7] была рассчитана энергия активации горячей деформации стали 08Х18Н10Т, которая является энергией активации самодиффузии и равна 86 кДж/моль. Приведенные ниже значения параметра 2 для стали 08Х18Н10Т рассчитаны с использованием этой величины и при различных температурно-скоростных условиях деформации:

Опыт и, с Т, К г, с-1 от, МПа

1 10/3 2,6-103 275

2 11/3 1,1103 242

3 Г1 1 7 12/3 3,8102 164

4 0,1/ 1373 3,2 102 114

5 1423 2,4-102 101

6 1473 1,9 102 85

7 10/3 8,9103 330

8 1173 3,9103 319

9 1273 2,0-103 225

19 0,5о 1373 1,1103 175

11 1423 8,2-102 153

12 1473 6,5-102 134

13 1073 8,9104 396

14 1173 3,9104 386

15 ^ ОГ1 1273 2,0-104 327

16 5,80 1373 1,1104 251

17 1423 8,2-103 221

18 1473 6,5103 209

Зависимость 1п2 - стт, представленная прямой линией (рис. 4), свидетельствует о выполнении экспоненциального закона (10) и о независимости энергии активации от температуры и скорости деформации.

Далее были рассчитаны значения всех коэффициентов уравнения (8) [7]. Для стали 08Х18Н10Т получили следующее уравнение для расчета параметра 2:

1п2

10000 -

1000 ■

100 -

10

^ = 72,889е,ш Я2 = 0,8103

100 200

300

400

ит, МПа

Рис. 4. Связь напряжения течения стали 08Х18Н10Т с параметром Зинера-Холломона

2 = 2,0 • 102 [ яп к (1,0 • 10~2 а т)]16. (13)

Согласно данным работы [7], величина астт является граничной, так как она разделяет область, в которой справедлив степенной закон (12), от области, в которой справедлив экспоненциальный закон (10). Граничные значения напряжения течения для стали 08Х18Н10Т и параметра Зинера-Холломона составляют соответственно сттгр = 120 МПа и 21р = 3,6 • 102 е-1 .

Расчеты показали, что большинство исследованных режимов деформации стали 08Х18Н10Т удовлетворяют условию

иехр /ЯТ) = 2 > 2тр, когда деформация

является термически активируемым процессом. Механизмами термоактивируемого скольжения при высоких температурах являются стяжка и поперечное скольжение расщепленных дислокаций. В области 2 < 2гр происходит атермическая деформация, которую определят переползания дислокаций [7].

На основании полученных результатов построена уточненная диаграмма механизма деформации стали 08Х18Н10Т (рис. 5). В этой диаграмме расширен экспериментальный интервал скоростей деформации. В правом углу рисунка при скоростях от 0,1 до 10 е-1 приведена ранее рассмотренная на рис. 3 диаграмма механизмов деформации стали 08Х18Н10Т. Видно, что чем выше температура деформации, тем больше скорость, соответствующая смене механизмов деформации. Сопоставление диаграмм рис. 3 и рис. 5 подтверждает предположение о том, что область с высокой скоростной и температурной чувствительностью является областью атермической деформации.

На рис. 5 кривая 1 означает пограничное значение параметра 2 в зависимости от температуры и скорости деформации. Левее этой границы расположена область атермической деформации II, правее - область термически активируемой деформации I. Штриховыми линиями обозначены границы доверительного интервала параметра 2.

Изменение температурно-скоростных условий деформации вызывает изменение скоростного показателя п и температурного коэффициента Ь напряжения течения стали. Для чистых металлов и сплавов интенсивность динамического разупрочнения повышается

1200

1100

S 1000

900

800

/ 1

/ " 11 1 / 1 / /

_ / / /

1 /

/ у /

/ / - г I

/ / !

0,001

0,01 0,10 1,00 10,00 Скорость деформации, с-1

Рис. 5. Диаграмма областей термически активной деформации I и атермической деформации II

а 1106

к с

i 5

1 1

£

1104

SP

1103

| 1102 I110

y = 6137e-4,4057x

г> R2 = 0,9707

-

| I .....

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Произведение пЪ103, град

Рис. 6. Зависимость произведения пЪ от параметра Зи-нера-Холломона

с увеличением показателя п и коэффициента Ъ [4, 9 и др.].

О совместном влиянии температуры и скорости деформации на интенсивность динамического упрочнения можно судить по величине произведения пЪ. На рис. 6 представлен график зависимости величины пЪ от параметра 2 для стали 08Х18Н10Т, из которого видно, что с уменьшением параметра 2 интенсивность динамического упрочнения возрастает и принимает максимальное значение в области атермической деформации.

Выводы. Для стали 08Х18Н10Т при температурах 800 - 1200 °С наблюдаются два значения скоростного показателя п напряжения течения. Для исследованной стали наблюдаются два температурных интервала с разными значениями температурного коэффициента Ъ. Энергия активации горячей деформации в исследованном интервале скоростей и температур стали 08Х18Н10Т является постоянной и составляет 86 кДж/моль. Граничное значение параметра 2, разделяющие области справедливости степенного (12) и экспоненциального (10) законов для исследованной стали, составляет 2гр = 3,6-102 с"1. Протекание атермической

деформации возможно при высоких температурах и низких скоростях деформации. Определены интервалы температур и скоростей деформации, где формоизменение металла явля-

ется результатом термически активированного движения дислокаций. Интенсивность динамического разупрочнения, характеризуемого произведением скоростного показателя и температурного коэффициента nb, увеличивается при уменьшении параметра Z; произведение nb принимает наибольшее значение в области атермической деформации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. П о л у х и н П.И., Г о р е л и к С.С., В о -р о н ц о в В.К. Физические основы пластической деформации. Учебное пособие.

- М.: Металлургия, 1982. - 584 с.

2. Развитие теории и практики металлургических технологий: Монография в 3 т. / Под ред. В.Н. Перетятько, Е.В. Протопопова, И.Ф. Селянина. Т. 2: Пластичность и разрушение стали в процессах нагрева и обработки давлением/ В.Н. Перетятько, М.В. Темлянцев, М.В. Филиппова. - М.: Теплотехник, 2010. - 352 с.

3. Л о з и н с к и й М.Г. Строение и свойства металлов при повышенных температурах.

- М.: Металлургия, 1963. - 536 с.

4. С о к о л о в Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации. - М.: Металлургия, 1963. - 284 с.

5. Термически активированные процессы в кристаллах: сборник статей / Пер. с англ.; под ред. АН. Орлова. - М.: Мир, 1973. - 312 с.

6. Б е р н ш т е й н М.Л., З а й м о в с к и й В.А., К а п у т к и н а Л.М. Термомеханическая обработка стали. - М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

7. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел: переводное издание / Ж.П. Пуарье; пер. с франц. Г.Д. Стельма-ковой; под ред. А.С. Кагана, С.С. Рыжак. -М.: Металлургия, 1982. - 272 с.

8. M c Q u e e n H.J. Deformation Mechanisms in Hot Working // J. Metals. 1968. Vol. 20. № 4. Р. 31 - 38.

9. С о к о л о в Л.Д., С к у д н о в В.А., С о л е н о в В.М. Механические свойства редких металлов. - М.: Металлургия, 1972. -288 с.

© 2015 г. М.В. Филиппова, М.В. Темлянцев, В.Н. Перетятько Поступила 15 июня 2015 г.