SLEDOVÁNÍ VLIVU TEPLOTY A DEFORMACE NA STRUKTURU A VLASTNOSTI UHLÍKOVÝCH A MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ

Transkript

1 SLEDOVÁNÍ VLIVU TEPLOTY A DEFORMACE NA STRUKTURU A VLASTNOSTI UHLÍKOVÝCH A MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ STUDY OF INFLUENCE OF TEMPERATURE AND DEFORMATION ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF CARBON AND MICROALLOYED STEELS Jakub Horník, Petr Zuna, Vít Janík, Karel Dytrt, František Hnilica ČVUT v Praze, FS, Ústav materiálového inženýrství, Karlovo nám. 13, Praha 2, ČR Abstrakt V příspěvku je hodnocen vliv teploty a deformace na strukturu a vlastnosti dvou taveb ocelí vyrobených kontilitím. Vzorky z uhlíkové oceli a oceli mikrolegované niobem byly po austenitizaci 1200 C/1,5h plasticky deformovány v laboratorních podmínkách.. Deformace probíhala při teplotách 1200 C a 800 C. Byla provedena metalografická analýza vzorků a změřeny tvrdosti a mikrotvrdosti jednotlivých stavů. V závěru je provedeno vzájemné srovnání sledovaných parametrů, dále porovnání zjištěných výsledků s hodnotami dosahovanými v provozních podmínkách a je doporučen režim optimálního zpracování. The collective influence of temperature and deformation on structure and properties on two melts of steel is evaluated in this contribution. The carbon steel and steel with Nb microalloying were monitored. Samples after austenitization at 1200 C/1,5h were deformed in laboratory conditions. Plastics deformation was applied at temperatures 1200 C and 800 C. The metallographic estimation together with hardness and micro hardness measurement was made on all monitored states. The evaluation of monitored parameters and their matching with parameters reached after fabrication is made. Finally the optimal processing conditions are recommended. 1. ÚVOD V příspěvku je hodnocen vliv teploty a velikosti deformace na strukturu a vlastnosti uhlíkové a mikrolegované oceli. V návaznosti na výsledky předchozích prací [1], [2] je sledován vliv mikrolegury niobu na vybrané strukturní a mechanické charakteristiky v průběhu zpracování od kontislitku po válcovaný polotovar u dvou taveb ocelí podobného chemického složení lišících se obsahem mikrolegury. 2. MATERIÁL A POUŽITÉ METODY ZKOUŠEK Sledovaným materiálem jsou dvě tavby oceli typu S355J2G3 (ČSN ) vyrobené v ISPAT Nová Huť a.s. kontilitím rychlostí 2,1 m.min -1 jejichž chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení vzorků (hm. %) Vzorek č. tavby C [%] Mn [%] Si [%] Nb [%] Al celk [%] Al kov [%] A B Table 1. Chemical composition of samples (weight per cent) 1

2 Pro výrobu zkušebních vzorků byly odebrány z přířezů kontislitků hranoly o průřezu 20 x 20 mm v poloviční vzdálenosti mezi osou a povrchem. Pro sledovaní vlivu rychlosti ochlazování byly připraveny vzorky 15 x 15 x 10 mm, pro sledování vlivu deformace pak válečky o průměru 8 mm a výšce 15 mm. Hodnocen byl vliv rychlosti ochlazování na strukturu. Po žíhání na teplotách 1100 a 1200 C po dobu 1,5 h byly vzorky ochlazeny jednak pomalu v peci (1, C.s -1 ) a rychleji v zásypu, kdy rychlost chladnutí byla 0,7 C.s -1. Další série vzorků (válečky ø8 x 15 mm) byla po žíhání 1200 C / 1,5 h podrobena plastické deformaci pěchováním na padacím bucharu s deformační rychlostí 5, s -1. Velikost celkové deformace vzorku byla vymezena dorazem a činila 40 % nebo 60 % původní výšky. Sledován byl rovněž vliv teploty deformace na strukturu a vlastnosti. Deformace 40 % původní výšky probíhala při teplotách 1200 nebo 800 C (po austenitizaci 1200 C / 80 min následovalo ochlazení vzorku na vzduchu na teplotu deformace s následnou vyrovnávací výdrží v peci 5 min). Ochlazení po deformaci probíhalo buď v zásypu korundu nebo ve vodě. Deformace 60 % byla realizována bezprostředně po austenitizaci 1200 C / 1,5h s následným ochlazením opět v zásypu nebo vodě. Struktura a vlastnosti finálních válcovaných polotovarů byly hodnoceny na vzorcích odebraných z kruhové tyče ø 65 mm (O65) a ploché tyče 80 x 20 mm (P80). Metalografické výbrusy byly připraveny ve směru rovnoběžném a kolmém ke směru válcování tak, aby bylo možné sledovat celou oblast mezi povrchem a středem vývalku. Pro hodnocení mikrostruktury bylo využito světelné a elektronové mikroskopie. Z mechanických vlastností byla určována mikrotvrdost a tvrdost metodou dle Vickerse. 3. VÝSLEDKY ZKOUŠEK A JEJICH DISKUSE 3.1 Teplota austenitizace a rychlost ochlazování Vliv teploty žíhání na strukturu sledovaných vzorků po ochlazení v zásypu dokumentuje obrázek 1. Struktura vzorků je tvořena zčásti proeutektoidním feritem, zčásti oblastmi feritu jehlicovité morfologie obklopenými ostrůvky lamelárního perlitu. [3] Detail jehlic feritu s oblastmi perlitu pro obě varianty oceli zachycuje obr. 2. U oceli A (bez mikrolegury) lze místy pozorovat i ferit 1100 C ocel A 1100 C ocel B 1200 C ocel A 1200 C ocel B Obr. 1. Struktura vzorků po ochlazení v zásypu Fig. 1. Structure after cooling in batch (0,7 C.s -1 ) s náznaky Widmannstättenovy morfologie. S vyšší teplotou austenitizace roste velikost primárního austenitického zrna [1] a roste podíl oblastí s jehlicovitým feritem, který je u této oceli hrubší (obr. 2.). Ocel B (mikrolegovaná) má menší velikost primárního zrna a menší podíl feritu v acikulární podobě. Jehlice feritu této oceli jsou jemnější než u oceli A. Tvrdost HV10 oceli A je 150 a oceli B je 170. Pomalé ochlazování v peci vede k polyedrické feritickoperlitické struktuře doprovázené oblastmi jehlicovitého feritu, jež 2

3 ocel A ocel B Obr.2. Feriticko-perlitická struktura (SEM) Fig.2. Ferite-pearlite structure (SEM) jsou četnější u oceli A. Sekundární zrno mikrolegované oceli B je jemnější. Tvrdost HV10 oceli A je 130, oceli B 135 [1]. Výrazný vliv na tvrdost vlivem teploty nebyl pozorován, vyšší tvrdost mikrolegované oceli je spojena s jemnější strukturou [2]. Nárůst hodnot tvrdostí vzorků ochlazených v zásypu je způsoben větším podílem feritu jehlicovité morfologie ve struktuře u obou typů ocelí Velikost deformace Struktura pěchovaných vzorků byla hodnocena v osových řezech ve středové oblasti cca 3 x 3 mm s homogenní deformací 40 a 60 %. Vzorky deformované při teplotě 1200 C mají strukturu tvořenou jednak feritem v polyedrické podobě jednak feritem s jehlicovitou morfologii. Zbytek struktury je zastoupen lamelárním perlitem (obr. 3). Podíl jehlicového feritu je při 40 % deformaci vyšší u oceli A (0,8 a u oceli B ocel A 1200 C, deformace 40 % ocel B ocel A 1200 C, deformace 60 % ocel B Obr. 3. Feriticko-perlitická struktura, deformovaný stav Fig. 3. Ferite-pearlite structure after deformation pak 0,5). Při vyšším stupni deformace podíl jehlicovitého feritu klesá (u oceli A na 0,48 a u oceli B na 0,3). Současně dochází k většímu zjemnění primárního zrna v porovnání s deformací o velikosti 40% u obou sledovaných variant ocelí. Velikostí austenitického zrna je uvedena v tabulce 2. Strukturám zobrazeným na obr. 3 odpovídají tvrdosti uvedené v tabulce 3. Přestože vyšší stupeň deformace vede Tabulka 2. Velikost austenitického zrna po deformaci o velikosti 40 a 60 % při 1200 C Tabulka 3. Tvrdost sekundární struktury po deformaci 40 a 60 % při 1200 C Velikost austenitického zrna [µm] HV 30 Ocel 40% deformace 60% deformace Ocel 40% deformace 60% deformace A A B B Table 2. Austenite grain size after deformation (40 and 60%), temperature 1200 C Table 3. Vickers hardness after deformation (40 and 60%), temperature 1200 C 3

4 k jemnějšímu sekundárnímu zrnu, vliv stupně deformace se na tvrdosti finálních struktur výrazněji neprojevil. Ocel B vykazuje vyšší hodnoty tvrdosti, které spojujeme především s výrazně menší velikostí sekundárního zrna. V závislosti na velikosti deformace nebyly pozorovány výraznější rozdíly ani na hodnotách mikrotvrdostí obou sledovaných ocelí Deformační teplota Struktura vzorků pěchovaných při teplotě 800 C je dokumentována na obr. 4. Na rozdíl od vyšší teploty deformace (1200 C) je zde vyšší podíl feritu polyedrického charakteru, ferit jehlicovité morfologie se vyskytuje jen ojediněle, a to častěji u oceli A. Sekundární struktura je v porovnání se stavem pěchovaným za vyšší teploty výrazně jemnější. Při stejných podmínkách deformace je i v tomto ocel A Obr. 4. Struktura po deformaci 40 % při teplotě 800 C Fig. 4. Ferite-pearlite structure after 40 % deformation at temperature 800 C Tabulka 4. Tvrdost sekundárního zrna po deformaci o velikosti 40% při 800 C HV 30 Ocel 40% deformace A 147 B 161 Table 4. Vickers hardness after deformation 40% at temperature případě feriticko-perlitické ocel B zrno oceli B jemnější než u oceli A. Hodnoty tvrdostí HV 30 naměřených po deformaci při teplotě 800 C jsou zaneseny v tabulce 4. Ocel B má opět vyšší hodnotu tvrdosti, rozdíl se však v porovnání se stavem deformovaným při vyšší teplotě snížil. Mírné snížení hodnoty tvrdosti u oceli B lze spojit se výrazným úbytkem podílu jehlicovitého feritu ve struktuře. Bodovou metodou byl stanoven podíl perlitu u vzorků deformovaných při 800 C, pro ocel A 0,26 a pro ocel B 0,18. Ve vzorcích ochlazených po deformaci při 800 C do vody nebyla ve shodě s diagramem IRA pozorována přítomnost feritu vyloučeného během prodlevy před deformací. Aby deformace probíhala ve dvoufázové oblasti, kdy ve struktuře očekáváme i přítomnost deformačně zpevněného feritu po tváření v oblasti austenit - ferit, je třeba deformační teplotu snížit [3]. 3.3 Válcovaný stav Struktura stavu válcovaného má feriticko-perlitický charakter s výraznou řádkovitostí perlitu v obou typech ocelí (obr. 5) [5]. Pozorovaná řádkovitost je výraznější u oceli bez O65, ocel A O65, ocel B P80, ocel A P80, ocel B Obr. 5. Struktura válcovaného stavu (rovnoběžně se směrem válcování) Fig. 5. Structure of rolled state (parallel with rolling direction) 4

5 mikrolegury. Ojedinělý výskyt jehlicovitých feritických útvarů v mikrostruktuře je častější u oceli A (bez mikrolegury). Sekundární zrno mikrolegevané oceli B je i v tomto případě u obou typů vývalků jemnější než zrno oceli A, která má i vyšší podíl perlitu ve struktuře. O65, ocel A O65, ocel B P80, ocel A P80, ocel B d m [µm] % perlitu Výstupní teplota po válcování byla pro O C a pro P C, ochlazování probíhalo na vzduchu. HVm 10 ferit perlit HV30 ocel A ocel B O65, ocel A O65, ocel B P80, ocel A P80, ocel B 0 O65 P80 Obr. 6. Fig. 6. Mikrotvrdost válcovaný stav Microhardness rolled state Obr. 7. Fig. 7. Tvrdost válcovaný stav Hardness rolled state Hodnoty mikrotvrdostí změřené u obou typů vývalků jsou patrné z obrázku 6. Mikrotvrdosti vývalků se liší nevýrazně, mírně vyšší hodnoty byly naměřeny u mikrolegovaných ocelí B. Pro oba typy vývalků byly stanoveny také hodnoty tvrdostí (obr. 7). Výraznější závislost tvrdosti na směru válcování u vývalků nebyla prokázána; rozdíly v hodnotách tvrdostí jsou naopak opět patrné v závislosti na složení oceli, ocel B dosahuje především v případě vývalku P80 vyšších tvrdostí. HV 30 Ocel A Ocel B střed pov rch Relativní vzdálenost od středu Obr. 8. Průběh tvrdosti po průřezu vývalku P80 Fig. 8. Hardness values in crosscut of rolled shape P80 5

6 Průběh tvrdosti v příčném řezu vzorkem P80 (obr. 8.) ukazuje, že nejvyšší hodnoty jsou v oblasti mezi středem a povrchem vývalku. Hodnoty tvrdostí stavu provozně válcovaného a laboratorně pěchovaného se výrazněji neliší a jsou ve shodě s hodnotami mechanických vlastností vývalků změřených v ISPAT Nová Huť a.s. doplněných hodnotami tvrdostí (Tabulka 5). Tabulka 5. Mechanické vlastnosti vývalků Mechanical properties: Stress Hardness Impact toughness Semiproduct O65 P80 Steel R e [MPa] R m [MPa] HV30 KV -20 C [J] KV 0 C [J] A B A B Table 5. Mechanical properties of semiproducts Mikrolegovaná ocel má u obou typů polotovaru vyšší mez kluzu a výrazně vyšší nárazové práce zjištěné při zkouškách vrubové houževnatosti. Vyšší hodnoty souvisí jednak s jemnějším strukturou mikrolegované oceli jednak s méně výraznou řádkovitostí perlitu. 4. ZÁVĚRY 1. Struktura všech hodnocených stavů je feriticko-perlitická s různým podílem feritu polyedrické a jehlicovité morfologie. Tvorba jehlicovitého feritu souvisí s velikostí primárního austenitického zrna a s rychlostí ochlazování. Hrubší primární zrno a vyšší rychlost ochlazování mají za následek větší podíl feritu jehlicovité morfologie. Ocel A (bez mikrolegury) za stejných podmínek obsahuje vždy větší počet těchto útvarů než ocel B (mikrolegovaná). 2. Vyšší stupeň deformace zjemní primární austenitické zrno a následně také zrno sekundární, toto zjemnění se na výsledné tvrdosti výrazněji neprojeví. Lze předpokládat příznivý vliv větší deformace na finální houževnatost. 6

7 3. Teplota deformace 800 C vede ke zjemnění sekundární struktury oproti vzorkům deformovaným při teplotě 1200 C. 4. Ocel mikrolegovaná vykazuje ve všech stavech mírně vyšší hodnoty tvrdostí i mikrotvrdostí. Vliv mikrolegury se projeví především zjemněním finálního zrna, precipitační zpevnění je nevýrazné. 5. Mikrolegování má pozitivní vliv na hodnoty meze kluzu v obou sledovaných vývalcích, důležitou úlohu přitom hraje velikost sekundárního zrna. Podobný vliv finální struktury je pozorován i na hodnotách vrubové houževnatosti. LITERATURA [1] HORNÍK, Jakub, aj. Studium vlivu následných ohřevů uhlíkových a mikrolegovaných ocelí vyrobených kontilitím na strukturu a vlastnosti kontislitků. In: Metal 2003: 12. mezinárodní konference metalurgie a materiálů Hradec nad Moravicí, Červený zámek, Česká republika [CD-ROM]. Ostrava: Tanger: květen, 2003, p.174. ISBN [2] ZUNA, P. aj. Modification of structure and properties of semioproducts fabricated from continuous casting billets by condition of their processing. Acta Metallurgica Slovaca, 2004, vol. 10, No. 1, p ISSN [4] Thomas, M. H., Michal, G. M. The Influence of Niobium and Nb(C,N) Precipitation on the Formation of Proeutectoid Ferrite in Low Alloy Steels. Solid to Solid Phase Transformations; Pittsburgh; Pa ; Aug p [3] ŽÍDEK, M. Metalurgická tvařitelnost ocelí za tepla a za studena. Praha: ALEKO, s. [5] Chawla, K.K. at all: Detailed Microstructural Characterization of Two Controlled-Rolled Nb-V Microalloyed Steels. In: Welding, Failure Analysis, and Metallography. The American Society for Metals, Ohio pp