KOEFICIENT RYCHLOSTNÍ CITLIVOSTI PŘI TVÁŘENÍ OCELÍ ZA TEPLA VLIV TEPLOTY A CHEMICKÉHO SLOŽENÍ

Transkript

1 KOEFICIENT RYCHLOSTNÍ CITLIVOSTI PŘI TVÁŘENÍ OCELÍ ZA TEPLA VLIV TEPLOTY A CHEMICKÉHO SLOŽENÍ Ivo Schindler a, Janusz Dänemark a Josef Bořuta b Martin Radina c Karel Čmiel d a VŠB Technická univerzita Ostrava, Ústav modelování a řízení tvářecích procesů, 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba, ČR, ivo.schindler@vsb.cz b VÍTKOVICE Výzkum a vývoj, s.r.o., Pohraniční 31, Ostrava - Vítkovice, ČR c OSRAM Bruntál, s.r.o., Zahradní 46, Bruntál, ČR, radina@osram-bruntal.cz d TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, Technologie a výzkum, Třinec, ČR, Karel.Cmiel@trz.cz Abstrakt Byl zkoumán kombinovaný vliv deformační rychlosti é a teploty T na deformační odpor σ ocelí různého typu a chemického složení. Byla zvládnuta metodika výzkumu daného problému, založená na válcování sady vzorků jednotným úběrem, ale různou rychlostí při definovaných teplotních hladinách. Získané výsledky byly použity k verifikaci konstrukce rychlostně-deformačního členu v dříve vyvinutém modelu deformačních odporů, který je možno vyjádřit funkcí σι ιé m, kde m = D F/T. Zkouškám válcování za tepla bylo podrobeno celkem 35 vybraných typů ocelí se značnou variabilitou chemického složení. Za předpokladu tváření v jednotné strukturní oblasti se jednoznačně potvrdila univerzálnost konstrukce rychlostně-deformačního členu v diskutovaném modelu. Laboratorním válcováním byly dosahovány deformační rychlosti až 120 s -1, tedy srovnatelné s podmínkami mnohých způsobů podélného válcování v praxi. Výsledky prokázaly, že jednoduché matematické formulaci vlivu chemického složení na rychlostní citlivost deformačního odporu ocelí za tepla brání především výrazný rozptyl vypočtených dat, daný chemickou a strukturní komplikovaností studovaného typu materiálu oceli. Pro jistou vybranou skupinu ocelí (podeutektoidní uhlíkové a nízkolegované s omezeným obsahem Si) se podařilo s dobrou přesností sestavit univerzální rovnici ve tvaru m = f(t -1, E Ni ), kde hodnota niklového ekvivalentu E Ni vyjadřuje souhrnný vliv chemického složení. The combined influence of strain rate é and temperature T on deformation resistance σ of steels of different type and chemical composition was evaluated. The experimental methodology based on rolling of set of the specimens by one draught at different strain rate and defined temperatures was mastered. Strain-rate part of sooner developed model can be described as a function σι ιé m, where m = D F/T. Altogether 35 selected types of steel with different chemical composition were tested by rolling. Considering the forming in unified structural area, the universality of the strain-rate part of discussed model was verified. The strain rates in range from 5 s -1 to 120 s -1 (i.e. the values obtained by many ways of operation rolling) were achieved by laboratory hot rolling. The results proved that the marked dispersion of calculated data obstructs the simply mathematical description of the influence of chemical composition on strain-rate sensitivity of the hot-deformed steels. This dispersion is caused by chemical and structural complicacy of the studied type of material. For defined group of steels (i.e. hypoeutectoid plain-carbon and low-alloy steels with limited Si-content) we succeeded in arranging the universal equation of type m = f(t -1, E Ni ), where the nickel-equivalent value expresses the total influence of chemical composition. 1

2 1. ÚVOD V rámci dříve realizovaných experimentálních prací [1-3] byl zkoumán kombinovaný vliv střední deformační rychlosti é [s -1 ] a teploty T [K] na deformační odpor σ [MPa] ocelí různého typu a chemického složení. K tomuto účelu byla využita laboratorní válcovací trať Tandem, řízená počítačem [4-6]. Byla zvládnuta metodika výzkumu daného problému, založená na válcování sady vzorků jednotným úběrem, ale různou rychlostí při definovaných teplotních hladinách. Získané výsledky byly použity k verifikaci konstrukce rychlostnědeformačního členu v dříve vyvinutém modelu deformačních odporů [7-9], který je možno vyjádřit závislostí σι ιé m, kde koeficient rychlostní citlivosti m = D F/T (1) Zkouškám válcování za tepla při deformační rychlosti v rozsahu asi 5 s -1 až 120 s -1 bylo podrobeno celkem 35 vybraných typů ocelí se značnou variabilitou chemického složení i strukturního stavu (konstrukční oceli s různým obsahem uhlíku, oceli mikrolegované, nízkolegované, korozivzdorné se strukturou austenitickou či feritickou, nástrojové oceli uhlíkové i vysokolegované rychlořezné). Experimentální výsledky ukázaly, že jednoduché matematické formulaci vlivu chemického složení na rychlostní citlivost deformačního odporu ocelí za tepla brání především výrazný rozptyl vypočtených dat, daný chemickou a strukturní komplikovaností studovaného typu materiálu oceli [3]. Důležitou roli mohou hrát i další parametry, např. velikost výchozího zrna. Nebyla nalezena ani žádná průkazná spojitost zkoumaného koeficientu rychlostní citlivosti s typem materiálu. Přitom je třeba zdůraznit, že veškeré pokusy o matematické vyjádření závislosti σι ι é m byly u většiny ocelí omezeny na takový interval tvářecích teplot, v němž má zkoumaný materiál analogické fázové složení (např. austenit s vměstky, precipitáty apod. ale přítomnost byť jen minoritní feritické složky prudce mění deformační chování i hodnotu koeficientu m) [2]. 2. MATEMATICKÝ POPIS KOEFICIENTU RYCHLOSTNÍ CITLIVOSTI 1.1 Materiálové konstanty D a F Optimální by bylo nalézt funkční závislosti konstant D a F v rovnici (1) na chemickém složení zkoumané oceli a získat tak univerzální matematický popis koeficientu rychlostní citlivosti při tváření za tepla. Protože se nepodařilo nalézt žádnou takovou funkci pro celý soubor zkoumaných materiálů, přikročili jsme k postupné eliminaci komplikovanějších typů oceli se snahou o matematické vyjádření hledané závislosti pro omezený, avšak svým způsobem logicky ohraničený soubor ocelí. V tabulce 1 je uvedeno směrné chemické složení všech zkoumaných ocelí, označených jako S1 až S35. Inverzně jsou označeny oceli postupně eliminované z dalšího postupu vyplyne, že se jedná o oceli uhlíkové eutektoidní a nadeutektoidní, nízkolegované se zvýšeným obsahem křemíku, vysokolegované korozivzdorné (feritické i austenitické) a nástrojové. Zklamaly veškeré pokusy o vztažení hodnot veličin D a F na chemické složení (vyjádřené procentuálním obsahem vybraných chemických prvků nebo různě zvolenými syntetickými ukazateli, jako např. uhlíkový, niklový či chromový ekvivalent, jejich poměry, nebo rozličným způsobem vypočítávaná teplota likvidu viz např. [10]). Tento fakt dokumentuje jeden zvolený příklad vliv niklového ekvivalentu E Ni (obr. 2 a 3), definovaného vzorcem [11] E Ni = [hm. % Ni] [hm. % Mn] + 30 [hm. % C] + 30 [hm. % N] (2) 2

3 Tabulka 1. Chemické složení zkoumaných ocelí S1 až S35 v hm. % C Mn Si Cr Ni Mo Al další prvky S S S S S S S S S S S S S S V S S S S S Ti; B S S Ti; Nb S N 2 ; B S S V S W; 1.96 V; 0.25 Co; Nb S S; N 2 S Nb S Nb; 0.04 V S S S S S W S S S Trojúhelníčky jsou v grafech na obr. 1 a 2 vyznačeny hodnoty příslušející eliminovaným ocelím (viz inverzní označení v tab. 1 a 2). Je zřejmé, že ani hodnoty konstant D a F u zbylých ocelí (označené kolečky) nevykazují žádnou nezpochybnitelnou, matematicky formulovatelnou závislost. V tabulce 2 jsou zároveň uvedeny hodnoty koeficientu m pro každou ocel a jednotně zvolenou teplotu 1000 C, individuálně vyčíslené za pomoci experimentálně určených materiálových konstant D a F. 1.2 Výběr ocelí pro další matematické zpracování Při dalších analýzách se upustilo od snahy popsat koeficient rychlostní citlivosti všech zkoumaných ocelí jednotnou rovnicí a používat při tom dříve zjištěné veličiny D a F. Další pozornost se soustředila na vztah koeficientu m, vyčísleného pro vybrané materiály a konkrétní hladiny tvářecích teplot na základě znalosti materiálových konstant D a F. Vybranými materiály se přitom rozumí oceli zbylé po postupné eliminaci, a jsou to podeutektoidní uhlíkové oceli (překvapivě i s přídavkem mikrolegujících prvků) a oceli nízkolegované s obsahem křemíku pod 1.3 %. 3

4 Tabulka 2. Vybrané charakteristiky zkoumaných ocelí E Ni D F [K] m (1000 C) S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S D Obr. 1 Veličina D v závislosti na hodnotě niklového ekvivalentu E Ni 4

5 F [K] Obr. 2 Veličina F v závislosti na hodnotě niklového ekvivalentu Na obr. 3 jsou v závislosti na niklovém ekvivalentu vyneseny do grafu hodnoty koeficientu rychlostní citlivosti všech 35 zkoumaných ocelí, vyčíslené pro teplotu 1000 C. E Ni 0.2 vysokolegované feritické uhlíkové > 0.8 % C S23 S7 m (1000 C) S31 S19 S35 S30 S18 S17 vysokolegované austenitické S12 S20 S26 S34 S21 S22 S11 nízkolegované > 1.3 % Si E Ni S9 S25 vysokolegované nástrojové Obr. 3 Koeficient m při teplotě 1000 C v závislosti na chemickém složení ocelí S24 Body označené menšími trojúhelníky odpovídají postupně eliminovaným materiálům. Vysokolegované oceli austenitické i nástrojové vykazují výrazně nižší citlivost na deformační rychlost za tepla než ostatní materiály a jejich vyloučení z dalšího matematického zpracování tedy bylo jednoznačné. Poněkud složitější byla situace u dalších materiálů. Nelegované oceli s obsahem uhlíku nad 0.8 % stejně jako nízkolegované oceli s obsahem křemíku nad 1.3 % a vysokolegované oceli feritické by bylo možné s jistou tolerancí zahrnout do zpracovávaného souboru dat, když jejich hodnoty m vcelku sledují základní trend, naznačený přerušovanou ča- 5

6 rou. Tato přímka vznikla jako výsledek lineární regrese bodů m ιe Ni pro neeliminované oceli (větší body v podobě koleček v grafu na obr. 3). Zahrnutí těchto dalších ocelí do následného zpracování by bylo vcelku možné, snížilo by to však přesnost následujících regresí a do jisté míry by to zpochybnilo i fyzikální opodstatnění příslušného matematického popisu. Takto definovaná skupina zbylých ocelí (uhlíkových podeutektoidních, resp. nízkolegovaných s celkovým obsahem legujících prvků pod 5 %) představuje totiž z materiálového hlediska ucelený soubor ocelí s obdobným deformačním chováním. 1.3 Výsledný regresní model Pro kompromisně zvolené teplotní hladiny 900 C, 1000 C a 1100 C byly na základě experimentálně zjištěných vztahů typu (1) vypočteny koeficienty rychlostní citlivosti pro všechny oceli, zbylé po předchozí eliminaci. Získaný soubor dat byl analyzován metodami vícenásobné regrese pomocí statistického programu UNISTAT Jako nezávislé proměnné byly voleny reciproká teplota a různými vzorci vyjádřený vliv chemického složení. Za tímto účelem byly využívány mj. také vzorce pro predikci teploty likvidu jako funkce obsahu vybraných chemických prvků v oceli. Při tom se prokázala úzká souvislost těchto funkcí s niklovým ekvivalentem, který byl nakonec pro svou jednoduchou konstrukci (a rovněž nejvyšší dosahovanou těsnost regresních výsledků s výchozími daty) vybrán jako druhá nezávislá proměnná. Výsledný regresní model pak má tuto podobu: m = /T E Ni (3) kde T [K] je tvářecí teplota a niklový ekvivalent je definovaný vztahem (2). Došlo vlastně ke zprůměrování teplotního vlivu u všech vybraných ocelí a rozšíření výchozí funkce typu (1) o jednoduše vyjádřený vliv chemického složení. O oprávněnosti takového postupu svědčí srovnávací tabulka 3. V ní jsou pro již vybrané oceli uvedeny hodnoty koeficientu m určené na základě experimentu, resp. vypočtené podle rovnice (3). Je zřejmé, že pro dané účely predikce deformačních odporů v závislosti na měnící se deformační rychlosti je přesnost výsledného vztahu zcela dostačující. Tabulka 3. Srovnání experimentálně zjištěných a predikovaných hodnot koeficientu m E m (900 C) m (1000 C) m (1100 C) Ni experiment rovnice (3) experiment rovnice (3) experiment rovnice (3) S S S S S S S S S S S S S S S S S

7 3. SHRNUTÍ ZÍSKANÝCH POZNATKŮ Pro celkem 35 různých typů oceli byly pomocí válcování za tepla vyčísleny konstanty v rovnici typu m = D F/T, popisující vliv reciproké teploty tváření na koeficient rychlostní citlivosti. Potvrdila se obecná platnost takto formulované závislosti, ale jako neuskutečnitelné se ukázaly snahy o vyjádření vlivu chemického složení na materiálové konstanty D a F. Je přitom zajímavé, že tyto dvě veličiny spolu velmi úzce souvisí. Graf na obr. 4 ukazuje závislost veličin D a F, popsatelnou s různou přesností kvadratickou, lineární nebo mocninnou (fyzikálně nejlépe podloženou) regresní funkcí F = 1354 D R 2 = F [K] F = 1160 D 94 R 2 = D Obr. 4 Příklady matematické formulace vztahu mezi veličinami F a D (mírou těsnosti regresních funkcí je koeficient determinace R 2 ) Prokázalo se, že není možné nalézt univerzální rovnici, popisující závislost koeficientu m na teplotě a chemickém složení oceli. Po vyloučení jistých typů oceli z výchozího datového souboru se však podařilo formulovat vztah typu m = f(t -1, E Ni ), ve kterém je chemické složení daného materiálu reprezentováno jednoduše definovaným niklovým ekvivalentem. Při regresních výpočtech se projevila dosti těsná souvislost uhlíkového ekvivalentu, niklového ekvivalentu a teploty likvidu podle některých výpočetních vztahů. Výsledná rovnice m = /T E Ni dovoluje predikovat rychlostní citlivost deformačního odporu široké škály ocelí a může přispět ke zpřesněným výpočtům tvářecích sil například při počítačovém řízení válcovacích tratí. Přitom je její předností, že byla odvozena na základě vysokorychlostních laboratorních zkoušek válcováním za tepla. Je však nezbytné zdůraznit, že tuto rovnici lze aplikovat jen na popis deformačního chování ocelí uhlíkových (podeutektoidních, včetně mikrolegovaných) a nízkolegovaných (s celkovým obsahem legujících prvků do 5 %, ale s obsahem křemíku pod 1.3 %). Platnost odvozeného vztahu je zásadně omezena na teplotní oblast nad teplotou Ar 3. Při experimentech dosahované deformační rychlosti i přes 120 s -1 byly umožněny aplikací laboratorní válcovací tratě Tandem (obr. 5). Za vybudování tohoto unikátního zařízení a výsledky pomocí něj získávané udělila v roce 2001 Inženýrská akademie ČR vybraným členům Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů na FMMI VŠB-TUO cenu za významný přínos k rozvoji inženýrského výzkumu v České republice viz 7

8 Obr. 5 Pohled na dvoustolicovou laboratorní válcovací trať Tandem LITERATURA [1] RADINA, M. aj. Verifikace modelu deformačních odporů v podmínkách vysokorychlostního válcování ocelí za tepla. In FORMING 99. Katowice : PŚ, 1999, s [2] SCHINDLER, I. aj. Deformační odpory při vysokorychlostním válcování oceli za tepla. Hutnické listy, 2001, roč. 56, č. 6-7, s. 67. [3] RADINA, M. Rychlostní citlivost deformačního odporu ocelí při tváření za tepla. Disertační práce, FMMI VŠB-TU Ostrava, [4] SCHINDLER, I. Modelová válcovací trať TANDEM představena na veletrhu METAL 98. Hutnické listy, 1998, roč. 53, č. 7-8, s. 76. [5] SCHINDLER, I. aj. Optimization of the hot flat rolling by its modelling at the laboratory mill Tandem. In Proceeding of the 6 th International Conference on Technology of Plasticity. Berlin : Springer-Verlag, 1999, Vol. 1, s [6] SCHINDLER, I., KUŘE, F. Potentialities of Physical Modelling of Flat Rolling Processes at VŠB Technical University of Ostrava. In The 6 th International Conference STEEL STRIP Ostrava : Společnost Ocelové pásy, 2001, s [7] SCHINDLER, I., KLIBER, J., BOŘUTA, J. Predikce deformačních odporů při vysokoredukčním tváření. In METAL '94. Ostrava : TANGER, 1994, s [8] SCHINDLER, I. BOŘUTA, J.: Deformační odpory ocelí při vysokoredukčním tváření za tepla. Hutnické listy, 1995, roč. 50, č. 7-8, s. 47. [9] SCHINDLER, I., HADASIK, E. A new model describing the hot stress-strain curves of HSLA steel at high deformation. Journal of Materials Processing Technology, 2000, roč. 106, 2000, č. 1-3, s [10] ŠMRHA, L. Tuhnutí a krystalizace ocelových ingotů. Praha : SNTL, [11] PILOUS, V., LŐBL, K., STRÁNSKÝ, K. Návary a svarové spoje konstrukčních ocelí. Vodní stavby Praha : Plzeň, Část experimentálních prací byla prováděna za finanční podpory MŠMT ČR (výzkumný záměr MSM ). 8