VÝZKUM PLASTICKÝCH VLASTNOSTÍ CrNiSi OCELI ZA TEPLA VÁLCOVÁNÍM A KROUCENÍM

Transkript

1 VÝZKUM PLASTICKÝCH VLASTNOSTÍ CrNiSi OCELI ZA TEPLA VÁLCOVÁNÍM A KROUCENÍM INVESTIGATION OF PLASTIC PROPERTIES OF CrNiSi STEEL DURING HOT ROLLING AND HOT TORSION TEST Petra Turoňová a Ivo Schindler a Petr Jonšta a Milan Heger a Josef Bořuta b Libor Černý c a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR, petra.turonova@vsb.cz, b Vítkovice Výzkum a vývoj, s. r. o., Pohraniční 31, Ostrava-Vítkovice, ČR, josef.boruta@vitkovice.cz c Mittal Steel Ostrava, a. s., Vratimovská 689, Ostrava Kunčice, ČR, lcerny@novahut.cz Abstrakt Byla rozvinuta metodika zkoumání technologické tvařitelnosti CrNiSi oceli za tepla pomocí klínové válcovací zkoušky. Metodika klínové válcovací zkoušky patří k základním metodám zkoušení tvařitelnosti ocelí za tepla a je vhodná pro rychlé vyhodnocení tvařitelnosti a stanovení vhodných podmínek tváření metodou řízeného válcování. Pro zvýšení efektivity při zjišťování kritické velikosti úběru ε krit byly použity vzorky ve tvaru klínu s předem vyfrézovanými svislými vruby na boční stěně vzorku. Experiment byl proveden na laboratorní stolici K 350 při různých teplotách. Výsledky zkoušky jsou počítačově zpracovány na základě počítačového rozpoznání obrazu naskenovaného půdorysu výsledného vývalku. Výsledky byly konfrontovány s výsledky krutové zkoušky za tepla, která byla provedena na plastometru SETARAM. A methodology used to determine the technological formability of hot CrNiSi steel has been developed using a wedge rolling test. The methods of wedge rolling testing belong to the fundamental hot steel formability testing methods, and they make it possible to rapidly evaluate the formability behaviour as well as to establish the optimal controlled cooling technology conditions. For increase of cost-effectiveness by finding of value ε krit was used sample in the shape of wedge with beforehand milled out vertical slits on the sidewall of specimen. The experiment was carried out in rolling mill K350 during different temperatures. The results of the test are computer processed on the basis of computer image recognition scanned contour of the resultant rolled stock. The results were confronted with those of a hot torsion test, which was carried out at plastometr SETARAM. 1. ÚVOD Klínová válcovací zkouška se řadí mezi technologické zkoušky tvařitelnosti. Je vhodná pro rychlé vyhodnocení válcovatelnosti a ve spolupráci s následnými metalografickými analýzami i ke studiu vybraných strukturotvorných procesů. Pomocí ní lze poskytnout údaje o mezním stupni deformace a hloubce protváření struktury. V obou případech jsou výsledky závislé na stavu napjatosti a daných termodynamických podmínkách tváření. Proto klínová 1

2 zkouška válcováním má ve vztahu ke skutečným technologickým procesům jen kvalitativní povahu. Principem laboratorní zkoušky válcováním klínového vzorku je využití takového tvaru vzorku, aby bylo možno zjistit deformační parametry materiálu při spojité změně velikosti úběru od minima až po maximum po celé délce vzorku během jednoho proválcování [1]. Vzorky byly opatřeny vždy na jedné z bočních stěn vruby tvaru V. Tyto vruby sloužily jako iniciátory vzniku trhlin. Na přesnosti zjištění rozměrů proválcovaného vzorku závisí přesnost výpočtu veličin charakterizujících tvářecí vlastnosti materiálu, z něhož je zkušební vzorek zhotoven. Vydutí bočních stran vzorku po proválcování způsobuje problémy při požadavku přesného určení šířky, resp. délky vzorku. Při běžném určování rozměrů mechanickým měřením (např. posuvným měřítkem) se bere průměr mezi maximální hodnotou (vnější obrys) a minimální hodnotou (počátek vydutí). Počítačová analýza obrazu umožňuje zvýšit přesnost této operace. Vlivem osvětlení vzorku skenerem jsou vydutí charakterizována změnou barevného odstínu a jasu oproti zbývající části vzorku. Změnou parametrů určujících při analýze rozhraní mezi vzorkem a okolím obrazu je možno v souladu se zákonem zachování objemu dosáhnou shody mezi známým objemem klínovitého vzorku před válcováním a vypočteným objemem proválcovaného vzorku, čímž je zaručena vysoká přesnost odečtu šířky, resp. délky vzorku. Pro určení geometrických rozměrů proválcovaného vzorku a výpočet jeho deformačních charakteristik na základě počítačového zpracování rastrového obrazu byl vyvinut speciální počítačový program KLIN [2]. Pro lepší představu o tvařitelnosti zkoumaného materiálu bude užito vyhodnocení vzorků, zkoušeného na plastometru SETARAM ve Vítkovicích. Zkoušky budou simulovat požadavky provozní praxe při shodných teplotních podmínkách jako u klínové zkoušky. Krutová plastometrie je jednou z nejuznávanějších metod laboratorního výzkumu deformačních charakteristik za tepla tvářených kovových materiálů. Má své přednosti oproti jiným zkouškám tvařitelnosti. Umožňuje dosáhnout extrémních stupňů deformace s vyloučením vlivu vnějšího tření. Výhodou je i široké pole využití této zkoušky [3]. 2. POPIS EXPERIMENTU Kritériem hodnoceným u klínové zkoušky válcováním je kritická velikost úběru ε krit do porušení soudržnosti materiálu vztah (1). ε krit H h = H krit, (1) kde H..výchozí výška vzorku před válcováním [mm] h krit...výška po válcování v místě počátku vzniku trhlin [mm] Vlastní modelové válcování bylo provedeno na válcovací stolici K350 v konfiguraci duo. Cylindrické válce o průměru 140 mm se otáčely nominální rychlostí 120 min -1. Pro účely experimentu byla použita austenitická žáruvzdorná ocel dle ČSN. Výsledek chemické analýzy této oceli je znázorněn v tab. 1. Tabulka 1. Chemická analýza oceli v hm. % Table 1. Chemical analysis of steel in wt. % C Mn Si P S Cr Ni Mo V W Cu Al 0,12 0,80 1,75 0,03 0,01 19,98 12,14 0,37 0,05 0,04 0,25 0,04 2

3 Vzorky ve tvaru klínu o daných rozměrech (tab. 2) s předem vnesenými vruby tvaru V o hloubce 0,7 mm po jedné straně vzorku (obr. 1) byly proválcovány jedním úběrem. Vzorky byly nahřáty přímo na válcovací teplotu 900 až 1200 C. Hotové vývalky chladly volně na vzduchu. U hotových vývalků byly zjišťovány tyto údaje, které byly následně zaznamenány do tabulky 2: - místo tvorby trhlin v místě vrubu 1 až 5 od místa počátku vstupu provalku - kritická velikost úběrů ε krit, při níž byl zaznamenán vznik první trhliny na šířící se boční stěně výchozího vzorku Tabulka 2. Naměřené a vypočtené hodnoty Table 2. Measured and calculated values Teplota Výskyt trhliny l u vrubu č. 0 b 0 h 0,min h 0,max l 1 b 1 h 1,min h 1,max ε krit e [ C]/č. f vzorku [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] 900/A2 0 0 T T T 94,4 14,90 3,87 10,83 131,0 22,84 3,85 4,27 0,392 0,68 950/A3 0 0 T T T 95,8 14,82 3,95 10,95 134,0 22,83 3,71 4,31 0,429 0, /A4 0 0 T T T 95,6 14,93 3,88 10,94 135,5 23,90 3,62 4,07 0,437 1, /A T T 98,9 14,76 3,81 11,15 144,5 24,37 3,43 3,96 0,550 0, /A ,1 14,64 3,70 10,75 141,5 23,92 3,34 3,81-1, /A ,9 14,86 3,96 12,44 170,5 25,92 3,53 4,00-1, /A ,0 14,73 3,89 12,56 178,0 26,10 3,40 3,82-0,97 0.nezaznamenán vznik trhliny T zaznamenán vznik trhliny Obr. 1. Výchozí tvar klínu (půdorys a boční stěna) Fig. 1. Initial shape of the wedged sample (plan and side-wall) Po odebrání vzorků z protvářeného materiálu byla provedena metalografická analýza mikrostruktur pomocí světelné mikroskopie a vzniklé trhliny byly podrobeny rozboru na elektronovém skenovacím mikroskopu. Pro lepší představu o tvařitelnosti daného materiálu bude užito i vyhodnocení vzorků, zkoušeného na plastometru SETARAM ve Vítkovicích. Všechny vzorky byly nahřívány přímo na teplotu tváření 900 až 1200 C a následně krouceny na automatizovaném plastometru SETARAM rychlostí 400 ot.min -1. Získané výsledky z této zkoušky byly rovněž zaznamenány do tabulky ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Kritická velikost úběru ε krit a deformace do lomu e f byly v závislosti na válcovacích teplotách vyneseny do grafu znázorněném na obr. 2. 3

4 εkrit ef 0,60 0,55 ε krit 0,50 0,45 0,40 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 e f 0,35 0, T 1000 [ C] Obr. 2. Kritická velikost úběrů ε krit a deformace do lomu e f v závislosti na teplotě Fig. 2. The critical height reduction ε krit and strain to fracture e f temperature dependence Z obr. 2 je patrný vliv teploty na průběh křivky kritické velikosti úběru ε krit i křivky deformace do lomu e f. Křivka ε krit má od teploty 900 C tak jako křivka e f lineární vzrůst do teploty 1050 C. Obě křivky ikdyž jsou posunuty o nějaké α, vyplývající z rovnice α. ε krit, mají shodný trend křivky. Proto je možné z výpočtu dané rovnice do budoucna vypočítat koeficient α pro danou značku oceli a tak bude možné určit e f až do teploty, kdy se již netvoří při klínové zkoušce trhliny, tzn. z poslední vypočtené hodnoty ε krit. Při vyšších teplotách (tj. od teploty 1050 C) srovnání obou křivek nelze provést z důvodu vysokých plastických vlastností materiálu, při kterých klínová válcovací zkouška resp. ε krit ztrácí vypovídací schopnost. Při teplotách nad 1050 C již ani při vysokých úběrech (v místech, kde vzorek má maximální výšku) neprobíhá destrukce materiálu v podobě vzniku trhlin a to ani v místech opatřených vruby. Z plastometrické krutové zkoušky vyplývá, že kritického píku dosáhla křivka kolem teploty 1120 C, od této teploty křivka klesá. 4. VYHODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY Vybrané vzorky byly podrobeny metalografickému rozboru na základě světelné mikroskopie. Sledovaly se podélné řezy, konkrétně středové oblasti. Mikrostrukturní stav oceli po tváření, který byl vyhodnocen u vzorku tvářeného při teplotě 1000 C (A4) a 1200 C (A9), vykazuje austenitickou strukturu. Jak je patrno z obrázku 3 (teplota 1000 C, vzorek A4): - při nejnižší deformaci (20%) se jeví zrna jako mírně protažená. V matrici byl nalezen jemný precipitát. 4

5 - při deformaci 40% zrna se jeví více protažená v ose válcování v porovnání s mikrostrukturou s nižší deformací. V matrici byl rovněž pozorován jemný precipitát. - při deformaci 60 % byla austenitická zrna v ose válcování nejvíce protažená. Mikrostruktura je obdobná jako u dvou předchozích struktur s nižšími deformacemi. Jak je patrno z obrázku 4 (teplota 1200 C, vzorek A9): - při nižších deformacích 20 a 40 % je ve struktuře patrný podíl nerekrystalizovaných zrn a zrn rovnoosých rekrystalizovaných. Podíl rekrystalizovaných zrn u 40 % deformace je mírně vyšší než u 20 % deformace. V mikrostruktuře se v matrici opět vyskartuje drobný precipitát. - u vzorku s 60 % deformací je struktura tvořena plně rekrystalizovanými rovnoosými zrny. 20 % 20 % 40 % 40 % Obr. 3. Mikrostruktura tvářeného materiálu při teplotě 1000 C a deformacích 20 a 40 % Fig. 3. Microstructure of the steel formed from the temperature 1000 C by stress 20 and 40% Obr. 4. Mikrostruktura tvářeného materiálu při teplotě 1200 C a deformacích 20 a 40 % Fig. 4. Microstructure of the steel formed from the temperature 1200 C by stress 20 and 40% 5

6 60 % 60 % Obr. 3. Mikrostruktura tvářeného materiálu při teplotě 1000 C a deformacích 60 % Fig. 3. Microstructure of the steel formed from the temperature 1000 C by stress 60 % Obr. 4. Mikrostruktura tvářeného materiálu při teplotě 1200 C a deformacích 60 % Fig. 4. Microstructure of the steel formed from the temperature 1200 C by stress 60 % 5. VYHODNOCENÍ LOMŮ U vzorků deformovaných při teplotách 900 C (vzorek A2) a 1050 C (vzorek A5) byl vyhodnocen na elektronovém skenovacím mikroskopu za srovnatelného zvětšení charakter porušení daného materiálu (obr. 5). Porušení materiálu představovaly křehké až kvazištěpné lomy. Trhliny po takovýchto lomech sledovaly převážně hranice zrn a taktéž vyloučené vměstky na bázi sulfidů, které se vyskytovaly na hranicích zrn. U vzorku A2 v porovnání s A5 jsou pozorovány usměrněné lomové fazety odpovídající zřejmě protaženým zrnům. Teplota 900 C, vzorek A2, vrub 5 Teplota 1050 C, vzorek A5, vrub 5 Obr. 5. Fraktografické snímky vzorků Fig. 5. Fractografical pictures of samples 6

7 Teplota 900 C, vzorek A2, vrub 5 Teplota 1050 C, vzorek A5, vrub 5 Obr. 5. Fraktografické snímky vzorků Fig. 5. Fractografical pictures of samples 6. ZÁVĚRY Vyšší válcovací teploty mají příznivý vliv na tvařitelnost zkoumané oceli, což se projevilo oddálením vzniku trhlin v kritickém místě, jako je vrub. Výskyt trhlin iniciovaných vruby se zvyšoval s rostoucí deformací a snižoval s rostoucí teplotou. Strana vývalku bez vrubů nevykazovala žádné trhliny. Trhliny byly pozorovány výhradně na bocích vzorků opatřených vruby. Jak již bylo ve zhodnocení výsledků uvedeno, je možno do budoucna vypočítat tzv. koeficient α, který je lineárním koeficientem souvislosti mezi e f, jakožto výsledku z plastometrické zkoušky krutem a ε krit, jakožto výsledku klínové válcovací zkoušky. Důležitou sledovanou oblastí z vyhodnocení klínové válcovací zkoušky je poslední naměřená hodnota ε krit, která vymezuje, a to jako minimum, oblast s nejlepší plasticitou materiálu (doporučený interval tvářecích teplot). Jak již z grafu vyplynulo, oblast s nejlepší tvařitelností (z vyhodnocení maximální e f ) se u dané značky oceli pohybuje v rozmezí teplot 1000 až 1100 C. Pod tímto intervalem teplot z vyhodnocení klínové zkoušky vyplývá, že dané teploty jsou méně vhodné v důsledku tvorby trhlin při tváření, a nad tímto intervalem již dochází ke zhrubnutí zrna a tudíž k předpokladu interkrystalického praskání po hranicích zrn (viz klesající hodnoty e f ). LITERATURA [1] HEGER, M., SCHINDLER, I., FRANZ, J., ČMIEL, K. Computer processing of results of the wedge test of formability. In: CO-MAT-TECH Trnava : STU Bratislava, 2003, s [2] HEGER, M., SCHINDLER, I., FRANZ, J. Využití počítačového rozpoznávání obrazu pro určení parametrů laboratorně válcovaných vzorků. In: Instruments and Control, Proceedings of XXVIII Seminary ASR 03. Ostrava : FS VŠB-TU, Ostrava, 2003, s

8 [3] BOŘUTA, J., DĚDEK, V., SCHINDLER, I., ŽÍDEK, M. Moderní krutový plastometru k přesnému zjišťování deformačních charakteristik za tepla tvářených kovů. In: Hutnické lity. č. 7-8, 1993, s Výzkum probíhal v rámci řešení výzkumného záměru MSM (MŠMT ČR). 8