Помощь студентам в учебе
ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА TWIP-СТАЛИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Общая характеристика стали 6
1.2 Роль двойникования при деформационном упрочнении 9
1.3 Влияние размера зерна на механические свойства TWIP стали. Закон
Холла-Петча 16
1.4 Влияние химического состава на виды деформационных превращений 19
1.5 Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические
свойства TWIP сталей 22
1.6 Влияние термической обработки на микроструктуру и механические
свойства TWIP сталей 27
1.7 Актуальность и значимость исследования 32
1.8 Постановка задач исследования 33
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1 Описание материала исследования 34
2.1.1 Характеристика материала 34
2.1.2 Влияние легирующих элементов на фазовые превращения стали 34
2.2 Методика пластической деформации 36
2.3 Методика термической обработки 37
2.4 Методика микроструктурных исследований 38
2.4.1 Просвечивающая электронная микроскопия 38
2.4.2 Растровая электронная микроскопия 38
2.4.3 Расчет плотности дислокаций методом Kernel Average Misorientation
(KAM) 39
2.5 Методика механических испытаний 40
2.5.1 Испытания на растяжение 40
2.5.2 Измерение микротвердости по Виккерсу 45
2.6 Техника безопасности 46
2.6.1 Введение 46
2.6.2 Техника безопасности при работе с химическими веществами 48
2.6.3 Техника безопасности при работе с электроприборами 50
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 51
3.1 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn- 0.6C-1.5A1 51
3.1.1 Исследование исходной микроструктуры высокомарганцевой TWIP-
стали Fe-18Mn-0.6C-1.5A1 51
3.1.2 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-
18Mn-0.6C-1.5Al после холодной прокатки 52
3.1.3 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-
18Mn-0.6C-1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов 59
3.2 Исследование механических свойств высокомарганцевой стали Fe-18Mn-
0.6C-1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов 71
3.2.1 Измерение микротвердости по Виккерсу 71
3.2.2 Испытания на растяжение 75
3.2.3 Влияние микроструктуры на механические свойства
высокомарганцевой стали Fe-18Mn-0.6C-1.5Al 84
3.3 Анализ экономической целесообразности проведения работ 88
3.3.1 Обоснование объемов, продолжительности и сроков выполнения работ
3.3.2 Оценка стоимости работ и обоснование объемов финансовых средств 92
3.3.3 Расчет показателей эффективности 94
ВЫВОДЫ 97
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 99
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Общая характеристика стали 6
1.2 Роль двойникования при деформационном упрочнении 9
1.3 Влияние размера зерна на механические свойства TWIP стали. Закон
Холла-Петча 16
1.4 Влияние химического состава на виды деформационных превращений 19
1.5 Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические
свойства TWIP сталей 22
1.6 Влияние термической обработки на микроструктуру и механические
свойства TWIP сталей 27
1.7 Актуальность и значимость исследования 32
1.8 Постановка задач исследования 33
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1 Описание материала исследования 34
2.1.1 Характеристика материала 34
2.1.2 Влияние легирующих элементов на фазовые превращения стали 34
2.2 Методика пластической деформации 36
2.3 Методика термической обработки 37
2.4 Методика микроструктурных исследований 38
2.4.1 Просвечивающая электронная микроскопия 38
2.4.2 Растровая электронная микроскопия 38
2.4.3 Расчет плотности дислокаций методом Kernel Average Misorientation
(KAM) 39
2.5 Методика механических испытаний 40
2.5.1 Испытания на растяжение 40
2.5.2 Измерение микротвердости по Виккерсу 45
2.6 Техника безопасности 46
2.6.1 Введение 46
2.6.2 Техника безопасности при работе с химическими веществами 48
2.6.3 Техника безопасности при работе с электроприборами 50
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 51
3.1 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn- 0.6C-1.5A1 51
3.1.1 Исследование исходной микроструктуры высокомарганцевой TWIP-
стали Fe-18Mn-0.6C-1.5A1 51
3.1.2 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-
18Mn-0.6C-1.5Al после холодной прокатки 52
3.1.3 Исследование микроструктуры высокомарганцевой TWIP-стали Fe-
18Mn-0.6C-1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов 59
3.2 Исследование механических свойств высокомарганцевой стали Fe-18Mn-
0.6C-1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов 71
3.2.1 Измерение микротвердости по Виккерсу 71
3.2.2 Испытания на растяжение 75
3.2.3 Влияние микроструктуры на механические свойства
высокомарганцевой стали Fe-18Mn-0.6C-1.5Al 84
3.3 Анализ экономической целесообразности проведения работ 88
3.3.1 Обоснование объемов, продолжительности и сроков выполнения работ
3.3.2 Оценка стоимости работ и обоснование объемов финансовых средств 92
3.3.3 Расчет показателей эффективности 94
ВЫВОДЫ 97
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 99
Развитие современных сталей с высокой прочностью, хорошей пластичностью, вязкостью и способностью к глубокой вытяжке необходимо для производства современных автомобилей с пониженным весом и повышенной прочностью кузова, а также сложными формами, которые соответствуют последним модным тенденциям в их дизайне. В настоящее время в категории перспективных высокопрочных автомобильных сталей рассматриваются два типа сталей, относящихся к сталям аустенитного класса.
Эти стали после охлаждения на воздухе имеют структуру аустенита. К первому типу относятся стали с пластичностью, наведенной превращением (Transformation Induced Plasticity - TRIP). Эти стали после окончательной прокатки имеют двухфазную аустенитно-мартенситную структуру. Ко второму типу аустенитных сталей относятся стали, проявляющие эффект пластичности, наведенной двойникованием (Twinning Induced Plasticity- TWIP). Эти стали имеют структуру аустенита в холоднокатанных листах.
Стали системы Fe-C-Mn были разработаны и внедрены в промышленное производство с высоким содержанием углерода и 11%Mn в 1882 г. английским металлургом Р. Гадфильдом [1]. Он создал литую сталь, сочетающую высокую пластичность со средней прочностью. Литая сталь с классическим составом Fe-1,1%C-13%Mn применяется для износостойких деталей, не требующих размерной стабильности. Она характеризуется большой разницей между пределом прочности ~1000 МПа и пределом текучести ~400 МПа, что обеспечивает пластичность 50% и более. Причины уникального механического поведения стали Гадфильда долгое время оставались неизвестными. Только во второй половине ХХ века было показано, что интенсивное упрочнение этой стали во время деформации обусловлено двойникованием, которое измельчает размер зерна с 40-100 мкм до менее 1 мкм, что обеспечивает сильное структурное упрочнение [2,3]. Это 4
достаточно упрощенное по современным меркам представление о механизмах деформации стали Гадфильда позволило сформулировать микроструктурный дизайн новых высокопрочных автосталей последнего поколения.
Уникальные деформируемые высокомарганцевые стали для автомобилестроения были созданы в начале 2000-х годов компанией Posco. Благодаря сочетанию высокой прочности с высокой пластичностью этих материалов они являются наиболее перспективными материалами для автомобильной промышленности [4].
Однако, помимо описанных преимуществ стали класса TWIP имеется один существенный недостаток: низкий уровень предела текучести. Это один из факторов, ограничивающих немедленное внедрение TWIP-сталей в автомобильную промышленность, где высокий предел текучести особенно важен.
Решением этой проблемы для стали выбранного состава является верно подобранная деформационно-термическая обработка. Так как основное применение эти стали находят в автомобильной промышленности, деформация заключается в листовой прокатке, после чего выполняется отжиг. Листовая прокатка проводится при комнатной температуре для того, чтобы действовал механизм, обеспечивающий высокую пластичность и прочность TWIP-сталей - деформационное двойникование.
Эти стали после охлаждения на воздухе имеют структуру аустенита. К первому типу относятся стали с пластичностью, наведенной превращением (Transformation Induced Plasticity - TRIP). Эти стали после окончательной прокатки имеют двухфазную аустенитно-мартенситную структуру. Ко второму типу аустенитных сталей относятся стали, проявляющие эффект пластичности, наведенной двойникованием (Twinning Induced Plasticity- TWIP). Эти стали имеют структуру аустенита в холоднокатанных листах.
Стали системы Fe-C-Mn были разработаны и внедрены в промышленное производство с высоким содержанием углерода и 11%Mn в 1882 г. английским металлургом Р. Гадфильдом [1]. Он создал литую сталь, сочетающую высокую пластичность со средней прочностью. Литая сталь с классическим составом Fe-1,1%C-13%Mn применяется для износостойких деталей, не требующих размерной стабильности. Она характеризуется большой разницей между пределом прочности ~1000 МПа и пределом текучести ~400 МПа, что обеспечивает пластичность 50% и более. Причины уникального механического поведения стали Гадфильда долгое время оставались неизвестными. Только во второй половине ХХ века было показано, что интенсивное упрочнение этой стали во время деформации обусловлено двойникованием, которое измельчает размер зерна с 40-100 мкм до менее 1 мкм, что обеспечивает сильное структурное упрочнение [2,3]. Это 4
достаточно упрощенное по современным меркам представление о механизмах деформации стали Гадфильда позволило сформулировать микроструктурный дизайн новых высокопрочных автосталей последнего поколения.
Уникальные деформируемые высокомарганцевые стали для автомобилестроения были созданы в начале 2000-х годов компанией Posco. Благодаря сочетанию высокой прочности с высокой пластичностью этих материалов они являются наиболее перспективными материалами для автомобильной промышленности [4].
Однако, помимо описанных преимуществ стали класса TWIP имеется один существенный недостаток: низкий уровень предела текучести. Это один из факторов, ограничивающих немедленное внедрение TWIP-сталей в автомобильную промышленность, где высокий предел текучести особенно важен.
Решением этой проблемы для стали выбранного состава является верно подобранная деформационно-термическая обработка. Так как основное применение эти стали находят в автомобильной промышленности, деформация заключается в листовой прокатке, после чего выполняется отжиг. Листовая прокатка проводится при комнатной температуре для того, чтобы действовал механизм, обеспечивающий высокую пластичность и прочность TWIP-сталей - деформационное двойникование.
В данной работе была изучена микроструктура высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C-1.5Al, подвергнутой холодной прокатке с последующим отжигом в интервале температур 400 °С - 700 °С и ее влияние на механические свойства. По результатам работы были сделаны следующие выводы:
1) Холодная прокатка высокомарганцевой TWIP стали Fe-18Mn- 0.6C-1.5A1 приводит к повышению предела прочности и предела текучести и снижению пластичности. Высокие прочностные свойства сталей обеспечиваются измельчением структуры до нанометрового диапазона в результате деформационного двойникования и высокой плотностью дислокаций.
2) Микроструктура высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C- 1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов при температурах до 500 °С не испытывает значительных изменений. У сильнодеформированных образцов (60% и 80% обжатия при прокатке) на EBSD-изображениях заметно уменьшение шума, что свидетельствует об уменьшении напряжений и протекании процессов возврата. При температурах отжига 600 °С и 700 °С микроструктура образцов высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C- 1.5Al начинает изменяться. У образцов, прокатанных до 20 и 40% обжатия и отжиге при температурах 600 °С наблюдается частично рекристализованная структура со средним размером рекристаллизованных зерен 2,3 и 3,6 мкм соответственно. У образцов, прокатанных до 60 и 80% обжатия и отожженных при температуре 600 °С структура полностью рекристаллизованная со средним размером рекристаллизованных зерен 2,1 и 1,1 мкм соответственно. У образцов, прокатанных от 40 до 80% обжатия и отожженных при температуре 700 °С структура полностью отожженного при 700 °С структура частично рекристаллизованная со средним размером зерен 8 мкм и рекристаллизованной долей 65%.
3) В рекристаллизованном состоянии предел текучести высокомарганцевых сталей может быть рассчитан, как сумма вкладов от напряжений Пайерлса-Набарро и напряжений от размера зерна согласно закону Холла-Петча.
4) Наилучшими деформационно-термическими обработками следует признать прокатку до 20% обжатия и отжиги на 500 и 600 °С в течение 30 минут, при данных температурах протекает процесс статического возврата, в результате чего снижается плотность дислокаций. Предел текучести достигает 720 и 620 МПа, предел прочности - 1000 МПа и 970 МПа при удлинении 38 и 48%, соответственно. Данные обработки обеспечивают наиболее оптимальное сочетание прочности и пластичности высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C-1.5Al.
1) Холодная прокатка высокомарганцевой TWIP стали Fe-18Mn- 0.6C-1.5A1 приводит к повышению предела прочности и предела текучести и снижению пластичности. Высокие прочностные свойства сталей обеспечиваются измельчением структуры до нанометрового диапазона в результате деформационного двойникования и высокой плотностью дислокаций.
2) Микроструктура высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C- 1.5Al после холодной прокатки и последующих отжигов при температурах до 500 °С не испытывает значительных изменений. У сильнодеформированных образцов (60% и 80% обжатия при прокатке) на EBSD-изображениях заметно уменьшение шума, что свидетельствует об уменьшении напряжений и протекании процессов возврата. При температурах отжига 600 °С и 700 °С микроструктура образцов высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C- 1.5Al начинает изменяться. У образцов, прокатанных до 20 и 40% обжатия и отжиге при температурах 600 °С наблюдается частично рекристализованная структура со средним размером рекристаллизованных зерен 2,3 и 3,6 мкм соответственно. У образцов, прокатанных до 60 и 80% обжатия и отожженных при температуре 600 °С структура полностью рекристаллизованная со средним размером рекристаллизованных зерен 2,1 и 1,1 мкм соответственно. У образцов, прокатанных от 40 до 80% обжатия и отожженных при температуре 700 °С структура полностью отожженного при 700 °С структура частично рекристаллизованная со средним размером зерен 8 мкм и рекристаллизованной долей 65%.
3) В рекристаллизованном состоянии предел текучести высокомарганцевых сталей может быть рассчитан, как сумма вкладов от напряжений Пайерлса-Набарро и напряжений от размера зерна согласно закону Холла-Петча.
4) Наилучшими деформационно-термическими обработками следует признать прокатку до 20% обжатия и отжиги на 500 и 600 °С в течение 30 минут, при данных температурах протекает процесс статического возврата, в результате чего снижается плотность дислокаций. Предел текучести достигает 720 и 620 МПа, предел прочности - 1000 МПа и 970 МПа при удлинении 38 и 48%, соответственно. Данные обработки обеспечивают наиболее оптимальное сочетание прочности и пластичности высокомарганцевой TWIP-стали Fe-18Mn-0.6C-1.5Al.