ZDOKONALENÁ KLÍNOVÁ ZKOUŠKA TVARITELNOSTI PRI VÁLCOVÁNÍ ZA TEPLA IMPROVED WEDGE TEST OF FORMABILITY AT HOT ROLLING

Transkript

1 ZDOKONALENÁ KLÍNOVÁ ZKOUŠKA TVARITELNOSTI PRI VÁLCOVÁNÍ ZA TEPLA IMPROVED WEDGE TEST OF FORMABILITY AT HOT ROLLING Petra Turonová a Ivo Schindler a Milan Heger a Luboš Procházka b a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, CR, petra.turonova@vsb.cz b POLDI Hütte, s.r.o., Prumyslová 1343, Kladno, CR, prochazka@poldi.cz Abstrakt Klínová válcovací zkouška je jednou z metod zkoušení tvaritelnosti ocelí za tepla. Sledovanými kritérii pri tomto experimentu jsou kritická velikost úberu? krit a míra šírení? b/? l, odpovídající vzniku trhliny. Protože oceli jsou za tepla vetšinou natolik plastické, že ani jednorázové výškové úbery nad 70 % pri klínové zkoušce válcováním nevedou k praskání, je vhodné zavést pri výrobe výchozího vzorku dodatecné úpravy, napomáhající snadnejšímu vzniku trhlin. Pro zvýšení efektivity pri zjištování hodnoty? krit byl použit vzorek ve tvaru klínu s predem vyfrézovanými svislými vruby na bocní stene vzorku. Na laboratorní válcovací stolici K350 byla provedena série klínových zkoušek pri ruzných teplotách. Experiment byl proveden na feritické automatové oceli X14CrMoS17. Byly urceny parametry tvaritelnosti a vliv velikosti deformace na vývoj struktury behem válcování. The wedge-shaped rolling test is one of the methods of examining the steels hot formability. Critical height reduction? krit and measure of spreading? b/? l linked with the crack s initiation are the evaluated criterions in this experiment. Steels are mostly insofar plastic during hot rolling that even one-pass height reductions over 70 % by wedge-shaped rolling test do not result in cracking. There is recommended to involve the additional modifications during production of initial sample, making the crack s initiation easier. For increase of cost-effectiveness by finding the? krit value there was used a wedged sample with beforehand milled out vertical slits on the side-wall. Series of wedge-shaped rolling tests were realized by different temperatures at rolling mill K350. The experiment was carried out on the ferrite automatic steel X14CrMoS17. Parameters of forming and influence of equivalent strain on the structure development during rolling were determined. 1. ÚVOD Zkoušení ruzných vlivu na tvaritelnost daného materiálu a priblížení se napetove deformacním podmínkám v reálném výrobním technologickém procesu je jednou zpriorit výzkumu v oblasti vývoje nových materiálu. Hlavním cílem je získat informace o metalurgicko-fyzikálních vlastnostech daných materiálu. K celé škále základních zkoušek pro tvárení ocelí za tepla patrí i klínová válcovací zkouška. Je vhodná pro rychlé vyhodnocení válcovatelnosti a ve spolupráci s následnými metalografickými analýzami i ke studiu vybraných strukturotvorných procesu. Principem laboratorní zkoušky válcováním klínovitého vzorku je využití takového tvaru vzorku, aby bylo možno zjistit deformacní parametry materiálu pri spojité zmene velikosti úberu od minima až po maximum po celé délce vzorku behem jednoho proválcování [1]. 1

2 Kritériem hodnoceným u této zkoušky je kritická velikost úberu e krit do porušení soudržnosti a do jisté míry i míra šírení. 2. EXPERIMENT Cílem experimentu bylo zjistit míru šírení?b/?l a kritické velikosti úberu e krit u dané oceli, které vedou k destrukci (narušení soudržnosti) materiálu v závislosti na rozmerech pripravovaného vzorku ve tvaru klínu viz vztahy (1) a (2). Protože oceli jsou vetšinou za tepla natolik plastické, že ani jednorázové výškové úbery pri klínové zkoušce válcováním nevedou ke vzniku trhlin, byla provedena dodatecná úprava tohoto klínového vzorku, spocívající ve vyfrézování 10 vrubu tvaru V na bocní stene vzorku. Vruby slouží coby iniciátory trhlin pro zcitlivení aplikované metody zkoušení tvaritelnosti.?b =?l? b1? b0?? l? l?, 1 0 (1) kde e krit kde b 1..maximální šírka vzorku po válcování [mm] b 0..šírka pred válcováním [mm] l 1..prumerná délka po válcování [mm] l 0..délka pred válcováním [mm] H? h = H krit, H..výchozí výška vzorku pred válcováním [mm] h krit...výška po válcování v míste pocátku vzniku trhlin [mm] (2) Použití této zkoušky je vhodné u ocelí se sníženou tvaritelností [2]. Pro naše úcely byl použit výkovek z feritické oceli X14CrMoS17. Výsledek chemické analýzy této oceli je uveden v tab. 1. Tabulka 1. Chemická analýza oceli X14CrMoS17 v hm. % Table 1. Chemical analysis of steel X14CrMoS17 in wt. % C Mn Si P S Cr Mo 0,12 0,85 0,30 0,026 0,218 16,1 0,38 Vlastní experiment byl proveden na válcovací stolici K350 vkonfiguraci duo. Vzorky ve tvaru klínu o daných rozmerech (tab. 2) s predem vnesenými vruby tvaru V (hloubky 0,8 mm) po jedné strane vzorku (obr. 1) byly proválcovány jedním úberem (obr. 2). Vzorky byly nahrívány prímo na válcovací teplotu 800 až 1200 C a válcovány hladkými ocelovými válci jmenovitého prumeru 140 mm pri rychlosti otácení válcu 100 min -1. U hotových provalku byly zjištovány tyto údaje, které byly dále zaznamenány do tabulky 2: - místo tvorby trhlin v míste vrubu 1 až 10 od místa pocátku vstupu provalku - kritická velikost úberu e krit, pri níž byl zaznamenán vznik první trhliny na šírící se bocní stene výchozího vzorku - pomerný koeficient šírení?b/?l v míste maximální šírky 2

3 Obr. 1. Výchozí tvar klínu (pudorys a bocní stena) Fig. 1. Initial shape of the wedged sample (plan and side-wall) Obr. 2. Schématické znázornení válcování klínovitého vzorku Fig. 2. Schema of the wedge-shaped sample rolling Tabulka 2. Namerené a vypoctené hodnoty Table 2. Measured and calculated values Teplota/ Výskyt trhliny u vrubu c. l 0 b 0 h 0,min h 0,max l 1 b 1 h 1 e krit?b/?l c. vzorku [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [%] 800 / T T T T T T T T ,03 14, ,5 3,86 0,031 44,3 850 / T T T T T T T T ,99 14, ,8 3,71 0,035 46,5 900 / T T T T T T T T ,94 15, ,1 3,71 0,040 46,5 950 / T T T T T T T T ,94 14, ,7 3,70 0,032 46, / T T T T T T T T ,84 14, ,9 3,80 0,038 45, / T T T T T T T T ,04 15, ,0 3,66 0,036 47, / T T T T T T T ,10 14, ,2 3,58 0,035 55, / T T T T T ,05 14, ,3 3,59 0,031 64, / T T T ,96 14, ,2 3,46 0,028 71,9 Presné zjištení rozmeru proválcovaného vzorku zvyšuje presnost výpoctu velicin, charakterizující deformacní charakteristiky materiálu. Bežne se provádí mechanický odecet rozmeru v nekolika prurezech a hodnoty se prumerují, což je zatíženo statistickou chybou. Nové zpusoby využití pocítacové techniky skýtají nové možnosti, jak rychle a presne získat údaje o rozmerech provalku [1]. Pro úcely detailního hodnocení rychlostních i deformacních pomeru po délce proválcovaného klínového vzorku je vyvíjena další verze pocítacového programu Wedge, založeného na pocítacové analýze naskenovaného obrazu pudorysného 3

4 prumetu provalku. Jeho úcelem je vedle zpresnení výpoctu i zvýšení komfortu pri vyhodnocování výsledku této experimentální metody [3]. Vývalky byly rovnež podrobeny metalografickému vyhodnocení mikrostruktury na základe svetelné mikroskopie. 3. DISKUSE VÝSLEDKU 3.1 Zhodnocení namerených a vypoctených hodnot Kritická velikost úberu e krit a pomerný koeficient šírení?b/?l v závislosti na válcovacích teplotách byly vyneseny do grafu znázorneném na obr. 3. Pro lepší grafickou predstavu byla provedena aproximace datového souboru polynomickou funkcí 4. stupne. 75 0, ?b/?l polynom 4. stupne 0,041 0,039 e krit. (%) ,037 0,035 0,033 0,031?b/?l 45 0, e krit polynom 4. stupne 0, ,025 teplota T ( C) Obr. 3. Kritická velikost úberu e krit a pomerný koeficient deformace?b/?l po tvárení Obr. 3. The critical height reduction e krit and measure of spreading?b/?l after forming Z namerených a vypoctených hodnot vyplývá: trhliny v míste vrubu se zacínají tvorit od vrubu c. 3 (pocítáno od nejtencího místa klínu), a to pri teplotách válcování C. Od teploty 1100 C je patrný posun vzniku trhlin až do vrubu c. 4 a výše kritické deformace e krit mají vyrovnaný prubeh v rozmezí válcovacích teplot C, a to v rozmezí hodnot 44,3 47,2 %; od teploty 1150 C je patrný lineární vzestup této hodnoty pomerný koeficient šírení?b/?l má vyrovnaný prubeh v závislosti na válcovacích teplotách. V rozmezí teplot C je patrný jeho nárust z 0,031 na 0,040, což je maximální hodnota. Pri teplote 950 C dochází k poklesu na 0,032 a poté opet k nárustu u teploty 1000 C. Od teploty 1050 C je patrný pozvolný pokles až na minimum 0,028 pri teplote 1200 C 4

5 3.2 Vyhodnocení mikrostruktury Mikrostrukturní stav oceli ve stavu pred tvárením vykazuje rovnomerná feritická zrna s malými vmestky na hranicích zrn, rovnomerne rozmístenými v celém objemu vzorku. Mikrostrukturní stav po tvárení, který byl vyhodnocen u vzorku tváreného pri teplote 1000 C a pak zakaleného ve vode pro fixaci zrna (obr. 4), vykazuje samozrejme ruzné stupne protvárení. U vrubu c. 7 jsou patrné zárodky rekrystalizovaných zrn. Obr. 4a Obr. 4a Puvodní stav pred tvárením Initial state before the forming Obr. 4b Mikrostruktura oceli tvárené pri teplote 1000 C a ochlazené ve vode (naproti vrubu c. 2) Obr. 4b Microstructure of the steel formed from the temperature 1000 C and cool in the water (opposite of the notch no. 2) Obr. 4c Mikrostruktura oceli tvárené z teploty 1000 C a ochlazené ve vode (naproti vrubu c. 5) Obr. 4c Microstructure of the steel formed from the temperature 1000 C and cool in the water (opposite of the notch no. 5) Obr. 4d Mikrostruktura oceli tvárené z teploty 1000 C a ochlazené ve vode (naproti vrubu c. 7) Obr. 4d Microstructure of the steel formed from the temperature 1000 C and cool in the water (opposite of the notch no. 7) Obr. 4. Mikrostruktura oceli X14CrMoS17 Fig. 4. Microstructure of the steel X14CrMoS17 5

6 4. ZÁVERY Jak z obrázku c. 3 a tabulky c. 2 vyplývá, v rozmezí teplot válcování C mají hodnoty e krit a?b/?l zdánlive vyrovnaný prubeh. Od teploty 1100 C je patrný posuv hodnot e krit k vyšším hodnotám a?b/?l k hodnotám nižším. Od této teploty je patrný i posuv vzniku trhlin až od vrubu c. 4 a výše. Vyšší válcovací teploty mají príznivý vliv na tvaritelnost daného typu oceli, což se projevilo oddálením vzniku trhlin v kritickém míste, jako je vrub. Strana vývalku bez vrubu nevykazovala žádné trhliny. Trhliny se objevovaly výhradne na bocích opatrených vruby. Je tedy zrejmé, že dané zcitlivení aplikované výzkumné metody bylo velmi vhodné, bez nej by nebyly získány žádné údaje o tvaritelnosti. Z pohledu plasticity i náchylnosti k šírení je u sledované oceli vhodné využívat oblast pomerne velmi vysokých tvárecích teplot. Je ovšem otázkou, nakolik by se tím negativne ovlivnila výsledná velikost zrna v hotovém výrobku. LITERATURA [1] HEGER, M., SCHINDLER, I., FRANZ, J. Využití pocítacového rozpoznávání obrazu pro urcení parametru laboratorne válcovaných vzorku. In: Instruments and Control, Proceedings of XXVIII Seminary ASR 03. Ostrava : FS VŠB-TU, Ostrava, 2003, s [2] ŽÍDEK, M. Metalurgická tvaritelnost ocelí za tepla. VŠB-TU Ostrava, [3] HEGER, M., SCHINDLER, I., FRANZ, J., CMIEL, K. Computer processing of results of the wedge test of formability. In: CO-MAT-TECH Trnava : STU Bratislava, 2003, s Výzkum probíhal v rámci výzkumného zámeru MSM (MŠMT CR). 6