Návod pro cvičení z předmětu Válcování

Transkript

1 Návod pro cvičení z předmětu Válcování Plastometrická simulace vybraného procesu válcování Vypracováno v roce 2017 za podpory projektu RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu na Katedře tváření materiálu na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství na VŠB-TU Ostrava. Řešitelé projektu: Ing. Petr Kawulok, Ph.D., Ing. Rostislav Kawulok, Ph.D., Ing. Stanislav Rusz, Ph.D.

2 1. TEORETICKÝ ÚVOD DO ZKOUMANÉ PROBLEMATIKY 1.1 Základní charakteristika laboratorních simulací válcování Efektivní metodou optimalizace technologií válcování jsou laboratorní simulace, ať už matematické, nebo fyzikální. Tyto laboratorní simulace se používají zejména z důvodu vysoké finanční náročnosti pokusného válcování přímo v provozních podmínkách. Metalurgické, materiálové a technologické parametry reálného procesu mají významný vliv na výsledné materiálové vlastnosti tvářeného produktu a proto bývají výsledky těchto simulací široce využívány pro optimalizaci skutečného výrobního procesu. Matematické simulace válcování se realizují většinou s využitím výpočtových programů, které pracují nejčastěji na bázi metody konečných prvků. V angličtině se tyto metody označují jako FEM (Finite Element Method). Mezi známé programy pro numerické simulace procesů objemového tváření se řadí například FORGE NxT, COLDFORM, DEFORM, SIMUFACT FORMING, FormFEM, RollFEM, atd. K fyzikálním simulacím lze využít laboratorní válcovací tratě nebo specializované plastometry (většinou krutové nebo tlakové). Výhodou laboratorních válcovacích tratí je možnost použití větších vzorků, z čehož vyplývají možnosti snadnějšího vyhodnocení nejen strukturních, ale i mechanických vlastností zkoumaného materiálu. Na katedře tváření materiálu, resp. v rámci Regionálního materiálově technologického výzkumného centra na Fakultě metalurgie a materiálové inženýrství je instalovaná např. laboratorní válcovací tratí Tandem (válcování plochých vývalků za tepla) a polospojitá laboratorní válcovna tyčí (válcování tyčí kruhového nebo čtvercového průřezu). Předností plastometrů je především jejich větší univerzálnost při volbě experimentálních podmínek. V Regionálním materiálově technologickém výzkumném centru na Fakultě metalurgie a materiálové inženýrství je instalován universální plastometr Gleeble 3800, který spolu se simulačním modulem Hydrawedge II tvoří Simulátor deformací za tepla HDS Základní charakteristika Simulátoru deformací za tepla HDS-20 Simulátor deformací za tepla HDS-20, instalovaný a zprovozněný koncem roku 2012 VŠB - TU Ostrava, je stavebnicový soubor zařízení s hlavními komponentami plastometru Gleeble 3800 a simulačního modulu Hydrawedge II (viz obr. 1). Tento sofistikovaný komplex zařízení se využívá pro zkoumání deformačních charakteristik materiálů a pro fyzikální simulace víceúběrových procesů objemového tváření za tepla. Přesná simulace vícestupňového tváření vyžaduje dodržení konstantní rychlosti deformace v každém kroku s okamžitým zastavením na konci příslušného úběru. Výměnný modul Hydrawedge II, jehož schéma je uvedeno na obr. 2, je synchronizovaný s hlavní jednotkou plastometru Gleeble 3800 a plní funkci mechanické flexibilní zarážky, díky níž je možno zastavit hydraulický beran nárazem do nepohyblivého předmětu. Modul se používá pro naprogramování přesných opakovaných úběrů, pro něž je nutno vzorkem pohybovat, jelikož hydraulický beran se zastaví vždy ve stejném bodě. Díky tomu lze přesně řídit velikost deformace a současně lze také samostatně přesně řídit rychlosti deformace vzorku. Všechna rychlá servo-hydraulická zařízení, která nejsou vybaveny tímto systémem, se vyznačují výraznými překmity přes nastavené velikosti deformace, případně musejí být před zastavením beranu v určité výšce vzorku zastaveny. Výsledkem prvního případu jsou pak odlišné velikosti reálných deformací v jednotlivých úběrech od nastavených. V druhém případě je průběh strukturotvorných procesů ovlivněn nižšími rychlostmi deformace

3 (ve srovnání s nastavenými rychlostmi deformace). Oba tyto faktory mohou výrazně negativně ovlivnit finální mikrostrukturu deformovaného materiálu. Obr. 1: Simulátor deformací za tepla HDS-20 Obr. 2: Schématický nákres systému Hydrawedge II Díky modulu Hydrawedge II lze zkoušené vzorky deformovat v širokém rozsahu deformačních rychlostí od 0,005 do 100 s -1 s možností naprogramování až 20 po sobě jdoucích úběrů s přesným řízením teploty vzorku v průběhu jednotlivých deformací. Vzorky lze po deformaci řízeně ochlazovat odvodem tepla do kovadel, nebo kombinací jejich ofuku vzduchem a odvodem tepla do kovadel, případně je lze zakalit ve vodě (například

4 z důvodu fixace výchozího austenitického zrna). Příklad řízení teploty v průběhu deformace a následného řízeného ochlazování vzorku při simulaci válcování drátu dokumentuje obr. 3. Obr. 3: Průběh simulace řízeného válcování a ochlazování nízkouhlíkové oceli S využitím výměnného modulu Hydrawedge II lze procesy objemového tváření za tepla fyzikálně simulovat pomocí dvou typů tlakových zkoušek viz obr. 4. Prvním typem je anizotermická zkouška jednoosým tlakem viz obr. 4a, která představuje pěchování válcovitého vzorku mezi rovnými kovadly. Tento typ testu se používá především pro simulace kování a pro simulace válcování dlouhých vývalků. Druhým typem testu je anizotermická tlaková zkouška s rovinnou deformací viz obr. 4b (v anglické literatuře označovaná jako PSCT Plain Strain Compression Test). Při tomto typu tlakové zkoušky se využívá omezeného šíření materiálu vlivem jeho tuhých konců (tj. nedeformovaných oblastí vzorku). Anizotermická zkouška s rovinnou deformací se používá především pro simulace podélného válcování plochých vývalků nebo pro simulace kovářských operací spojených s prodlužováním výkovku. Pro tento typ zkoušky se používají hranolovité vzorky (nejčastěji o rozměrech 10 x 15 x 20 mm), do kterých jsou vtlačována kovadla (například šířky 5 mm). Obr. 4: Porovnání průběhu sil a deformací při válcování a při tlakových zkouškách (a) zkouška jednoosým tlakem (b) zkouška s rovinnou deformací F síla, deformace, H tepelný tok, x směr válcování

5 1.3 Doporučená literatura pro získání více informací [1] MANDZIEJ, S. T. Physical simulation of metallurgical processes. Materials and Technology, 2010, roč. 44, č. 3, s [2] SCHINDLER, I., KAWULOK, P. Aplikační možnosti plastometru Gleeble 3800 se simulačním modulem Hydrawedge II na VŠB-TU Ostrava. Hutnické listy, 2013, roč. 66, č. 4, s [3] Plasticity of metallic materials. Editoři: HADASIK, E., SCHINDLER, I. 1. vydání. Gliwice: Silesian University of Technology, s. [4] SCHINDLER, I., et al. Plastometrická simulace doválcování a ochlazování mikrolegované C-Mn-V-B oceli. Hutnické listy, 2013, roč. 66, č. 4, s [5] KAWULOK, P., et al. Anizotermické přerušované zkoušky tlakem slitiny Al Mg3. Kovárenství, 2016, č. 57, s

6 2. ZADÁNÍ A CÍLE PRÁCE Hlavním cílem bude vyhodnotit fyzikální simulaci doválcování a ochlazování mikrolegované C-Mn-V-B oceli, která byla provedena na Simulátoru deformací za tepla HDS-20. Při vyhodnocování této plastometrické simulace se zaměřte především na tyto úkoly: z velikostí deformací v jednotlivých úběrech určete finální tloušťky zkoušených vzorků, zpracujte naměřená data a graficky znázorněte (pro všechny plastometricky zkoušené vzorky) průběh deformačního odporu v závislosti na velikosti aplikované deformace, z fotodokumentace mikrostruktury a hodnot tvrdosti se pokuste určit strukturní fáze v jednotlivých deformovaných vzorcích, stanovte vliv parametrů deformace a následného ochlazování na finální strukturní a mechanické vlastnosti zkoumané oceli, vypracujte protokol a nezapomeňte získané poznatky shrnout v závěru.

7 3. POPIS PLASTOMETRICKÉ SIMULACE DOVÁLCOVÁNÍ A OCHLAZOVÁNÍ MIKROLEGOVANÉ C-Mn-V-B OCELI Pro plastometrickou simulaci doválcování a ochlazování mikrolegované C-Mn-V-B oceli byly připraveny hranolovité vzorky o výšce 10 mm, délce 15 mm a šířce 20 mm, které byly podrobeny (na Simulátoru deformací za tepla HDS-20) anizotermickým zkouškám s rovinnou deformací. Připravené vzorky byly elektricky odporově ohřáty na teplotu 1200 C. Po 30 sekundové výdrži na teplotě 1200 C byly vzorky ochlazovány na teplotu první deformace (prvního simulovaného úběru). Celkem byly vzorky deformovány tlakem ve čtyřech úběrech, přičemž první 3 simulovaly předválcování zkoumané oceli a poslední úběr pak simuloval její doválcování. Skutečná deformace ve čtvrtém úběru při teplotě 980 C byla rovna 0,09, resp. při teplotě 850 C pak 0,21. Parametry deformací v jednotlivých úběrech dokumentuje tab. 1. V případě posledního úběru při teplotě 980 C byla skutečná deformace rovna 0,09, resp. při teplotě 850 C byla skutečná deformace rovna 0,21. Rychlosti ochlazování mezi jednotlivými úběry byly pro všechny vzorky stejné. Tab. 1: Parametry deformací při plastometrické simulaci úběr teplota skutečná deformace rychlost deformace [-] [ C] [-] [s -1 ] , , , ,09 0,21 20 Po posledním úběru byly deformované vzorky řízeně ochlazovány dvěma různými režimy, které měly simulovat provozní ochlazování vývalku volně na vzduchu (režim A) nebo zrychleně pomocí vodních sprch (režim B). Teplota byla v průběhu testů měřena pomocí termočlánkových drátků, které byly přivařeny na povrch zkoušených vzorků (viz obr. 5). Všechny vzorky byly následně podrobeny metalografickým analýzám a zkouškám tvrdosti. Obr. 5: Vzorek mezi kovadly při rovinné tlakové deformaci

8 4. VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU 4.1 Výpočet finální tloušťky zkoušených vzorků Pro správný výpočet finální tloušťky zkoušených vzorků je zapotřebí využít pro Vás určitě známý následující vztah: kde e h [-] je velikost skutečné výškové deformace, h 0 [mm] je počáteční výška a h 1 [-] je finální výška deformovaného vzorku. 4.2 Zpracování naměřených dat Pro zpracování dat registrovaných v průběhu plastometrických simulací (soubory typu.d01) lze využít speciální vyhodnocovací software ORIGIN nebo volně dostupný Excel. Software ORIGIN umožňuje přímé načtení těchto souborů a jejich následnou analýzu. Tento software však není volně dostupný (je nainstalován například na ovládacím PC plastometru Gleeble). Aby jste však mohli data analyzovat kdykoliv každý na svém vlastním PC nabízí se možnost využití druhého způsobu zpracování naměřených dat, pro který lze využít Vám již známý Excel. Soubory s daty naměřenými v průběhu testů na plastometru Gleeble (resp. na Simulátoru deformací za tepla HDS-20), které jsou umístěny na nelze v Excelu otevřít přímo, ale musí se do něj importovat. Jak se data do Excelu importují si vysvětlíme na příkladu plastometricky simulovaného vzorku označeného jako 980A (simulovaná doválcovací teplota 980 C, finální ochlazování režimem A). Po otevření Excelu je potřeba přepnout se nahoře v liště do karty Data, čímž se nám zobrazí nabídka s možnostmi načtení externích dat. Pro načtení datových souborů z plastometru Gleeble využijeme nabídku Z textu viz obr. 6. Pak je potřeba najít v příslušném PC složku s danými daty a poté vybrané data otevřít. V průvodci importu dat nezapomeňte změnit oddělovač desetinných míst (tj. zaměnit čárku za tečku). Plastometr Gleeble vyrábí a dodává společnost Dynamic Systems Inc. z USA a jak jistě víte v anglicky mluvících zemích se místo desetinné čárky používá tečka viz obr. 7. Obr. 6: Import naměřených dat do Excelu Pokud by jste záměnu desetinného oddělovače neprovedli, načtená data by neměla správný formát a následné analýzy by nevedly ke správným výsledkům. Následně se Vám do sešitu v Excelu načtou data z daného plastometrického testu viz obr. 8. V závislosti na čase tedy dostanete několik měřených parametrů. V případě plastometrických simulací pro nás má hlavní význam síla (Force), měřená absolutní deformace (Jaw), nastavená teplota (PTemp), vypočítaná velikost skutečné deformace (Strain), vypočítané napětí (Stress) a měřená teplotu na povrchu vzorku (TC1). Je potřeba si uvědomit, že plastometrické simulace byly realizovány tlakovou deformací a proto záznamy deformací a napětí jsou uváděny v záporných hodnotách. Z tohoto důvodu je potřeba hodnoty (1)

9 deformací a napětí vynásobit -1. Poté již lze bez problémů zkonstruovat grafickou závislost napětí (deformačního odporu) na skutečné deformaci viz obr. 9. Obr. 7: Změna oddělovače desetinných míst při importu dat Obr. 8: Naměřená data importovaná do Excelu Obr. 9: Průběh napětí v závislosti na aplikované deformaci

10 4.3 Vyhodnocení metalografických analýz a zkoušek tvrdosti Metalografické analýzy byly provedeny s využitím standartní optické mikroskopie v podélném řezu deformovaných částí vzorků. Fotodokumentace mikrostruktury vzorků po plastometrické simulaci je uvedena na obr. 10. a) doválcovací teplota 980 C, skutečná deformace ve 4. úběru e h4 = 0,09, zpomalené ochlazování (režim A) b) doválcovací teplota 980 C, skutečná deformace ve 4. úběru e h4 = 0,09, zrychlené ochlazování (režim B) c) doválcovací teplota 850 C, skutečná deformace ve 4. úběru e h4 = 0,21, zpomalené ochlazování (režim A) d) doválcovací teplota 850 C, skutečná deformace ve 4. úběru e h4 = 0,21, zrychlené ochlazování (režim B) Obr. 10: Fotodokumentace mikrostruktury vzorků po plastometrické simulaci Pokuste se z fotodokumentace mikrostruktury stanovit strukturní fáze zastoupené v jednotlivých deformovaných vzorcích. Ve středových oblastech deformovaných vzorků byla zjišťována při nízkém zatížení 9,8 N tvrdost podle Vickerse HV1. U každého vzorku byly provedeny 3 vpichy. Výsledné hodnoty naměřené tvrdosti jsou uvedeny v tab. 2. Na základě dosažených výsledků se pokuste vyhodnotit vliv parametrů deformace a následného ochlazování na finální strukturní a mechanické vlastnosti zkoumané oceli.

11 Tab. 2: Výsledné hodnoty tvrdosti parametry deformace ve 4. úběru a ochlazovací režim tvrdost HV1 1. vpich 2. vpich 3. vpich průměr T 4 = 980 C, e h4 = 0,09, režim A T 4 = 980 C, e h4 = 0,09, režim B T 4 = 850 C, e h4 = 0,21, režim A T 4 = 850 C, e h4 = 0,21, režim B Pracujte pečlivě a trpělivě při tvorbě protokolu a nezapomeňte v závěru stručně shrnout získané poznatky! Určitě vás napadá otázka, k čemu tyto testy a výsledky slouží? Odpověď na tuto otázku naleznete již v prvním odstavci tohoto dokumentu. Plastometrické simulace umožňují v laboratorních podmínkách fyzikálně simulovat reálné procesy tváření materiálů při analogických (případně velmi blízkých) parametrech deformace a následného ochlazování. Takto získané vzorky je pak možno podrobit metalografickým analýzám a zkouškám mechanických vlastností (např. tvrdost), díky nimž lze jasně dokumentovat vliv parametrů jednotlivých simulací na výsledné vlastnosti zkoumaných materiálů. Ve srovnání s prováděním provozních experimentů přináší tyto laboratorní simulace také jistou ekonomickou úsporu. Jako příklad si uvedeme řízené válcování pásů. Představte si, že jste technologem (nebo výzkumníkem) na válcovně pásů za tepla a potřebujete optimalizovat proces válcování transformátorové oceli. Doválcovací teplota a zvolený deformační režim ovlivňují tvorbu struktury a textury za tepla válcovaného pásu z transformátorové oceli, který je následně žíhán a válcován ještě za studena. Vašim cílem je tedy optimalizovat teploty ohřevu, velikosti deformací, doválcovací teploty a režimy ochlazování tak, aby jste získali co možná nejpříznivější strukturu materiálu pro jeho další zpracování. Dokážete si představit kolik bram (resp. tun zkoumané oceli) by jste pro tento účel potřebovali, pokud by jste tento experiment chtěli provést v praxi? Vhodně zvoleným přístupem lze tento reálný proces válcování fyzikálně simulovat na některém z laboratorních zařízení (s menší hmotností vzorků a s větší variabilitou zkoumaných parametrů). Na základě získaných výsledků pak lze optimalizovat samotný reálný výrobní proces, tj. v tomto případě válcování pásů z transformátorové oceli za tepla a provést v provozních podmínkách již pouze ověřovací zkoušky a následně daný materiál zpracovávat již optimalizovaným postupem.