VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI VYSOCEPEVNÉ NÍZKOLEGOVANÉ OCELI. David Aišman

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI VYSOCEPEVNÉ NÍZKOLEGOVANÉ OCELI. David Aišman"

Petra Čechová
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI VYSOCEPEVNÉ NÍZKOLEGOVANÉ OCELI David Aišman ABSTRACT Tato práce se zabývá možnostmi tepelného zpracování pro experimentální ocel 42SiCr. Jedná se o nízkolegovanou ocel s pevností 980 MPa v základním stavu a tažností 30 %. Cílem tohoto experimentu je navrhnout a ověřit režim tepelného zpracování pro dosažení minimální pevnosti 2000 MPa při zachování tažnosti přes 15 %. Toho je dosaženo Q-P procesem, který bude testován v několika krocích. V první fázi experimentu je optimalizována doba výdrže na teplotě austenitizace a v solné lázni. Následně jsou vyhodnoceny tyto vlivy s využitím porovnání mikrostruktury, měření tvrdosti a zkoušek mechanických vlastností. KLÍČOVÁ SLOVA vysocepevné nízkolegované oceli, tepelné zpracování, Q-P proces 1. TEORETICKÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY Z důvodu zvyšujících se nároků na vlastnosti materiálů jsou vyvíjeny nové metody tepelného a mechanického zpracování. Tímto postupem vznikla skupina netradičních kovových materiálů a ocelí se zvláštními vlastnostmi (Obr. 1). Do této skupiny materiálů spadají vysokopevné oceli, amorfní kovové materiály, superplastické kovové materiály, slitiny s tvarovou pamětí, supravodivé slitiny a další. Tato práce je zaměřena na zlepšení vlastností vysocepevných nízkolegovaných ocelí. Za tyto ocele považujeme takové, které mají mez pevnosti v tahu přes 2000 MPa při maximálním obsahu legujících a doprovodných prvků do pěti hmotnostních procent. Bohužel u většiny vysokopevných ocelí dochází k výraznému poklesu tažnosti,a proto jsou zkoumány nové technologie zpracování, které se snaží tento pokles eliminovat. Obr. 1 některé druhy vysokopevných ocelí

ZVOLNÉ MODERNÍ METODY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NÍZKOLEGOVANÝCH OCELÍ Q-P proces Písmena v názvu jsou převzata z anglického názvu Quenching and Partitioning což je možné překládat jako ochlazování a

2 ZVOLNÉ MODERNÍ METODY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NÍZKOLEGOVANÝCH OCELÍ Q-P proces Písmena v názvu jsou převzata z anglického názvu Quenching and Partitioning což je možné překládat jako ochlazování a rozdělování (Obr. 2 ). Hlavní cíl tohoto procesu je stabilizovat netransformovaný (zbytkový) austenit uhlíkem vyloučeným z přesyceného martenzitu a potlačit vznik karbidů vhodným legováním. Výsledná struktura je pak tvořena martenzitem a stabilizovaným netransformovaným austenitem, eventuelně je možné dosáhnout bainiticko- austenitické struktury. Tato struktura podporuje tvařitelnost a vysokou mez pevnosti těchto ocelí. Obr. 2 Schematické znázornění Q-P procesu Přechod uhlíku z martenzitu k netransformovanému austenitu během procesu rozpadu je kritický krok pro Q - P proces. Při běžném popouštění martenzitu dochází ve struktuře ke vzniku karbidů, což je pro Q-P proces nežádoucí. To, ke kterému z pochodů dojde je dáno chemickým složením, teplotou, dobou nutnou pro vyloučení uhlíku z martenzitu a homogenizace austenitu. Pro správné zpracování je třeba sladit všechny tři parametry, přičemž již malá změna chemického složení má velký vliv na rozpadovou teplotu. Přechod uhlíku mezi martenzitem a austenitem může být různý, protože přesná morfologie a distribuce oblasti netransformovaného austenitu uvnitř oblastí zčásti transformované mikrostruktury není přesně známá. Očekává se, že se bude lišit, například typem vznikajícího martenzitu a dále tím, zda netransformovaný austenit je vyloučen jako interlaťkový film nebo jako objemnější útvary mezi pakety martenzitu. Při studiu zakaleného martenzitu byly zaznamenány různé parametry mřížky austenitu ve stejném vzorku [1]. Dalšími metodami, které se často používají pro zpracování vysoce pevných nízkolegovaných ocelí jsou dlouhodobé nízkoteplotní žíhání na bainit a interkritické žíhání. Dlouhodobé nízkoteplotní žíhání na bainit Při tomto procesu dochází během dlouhodobého izotermického žíhání ke vzniku bainitických desek. Toto žíhání se provádí při teplotách kolem 200 C a to po dobu až několika dnů, neboť difuzní rychlost je při těchto teplotách velmi malá. Výsledkem tohoto procesu jsou jemné bainitické desky o tloušťce 20-60nm a vynikající mechanické vlastnosti. Mez kluzu kolem 1200 MPa a tažnost až 30%[2]. Interkritické žíhání Při interkritickém žíhání dochází k ohřevu mezi teplotu A1 a A3 (Obr 3.).Díky tomu interkritický austenit obsahuje více uhlíku než je jeho rovnovážná hodnota v této oblasti. Po té následuje rychlé ochlazení na teplotu C a bainitická transformace[3].

3 Obr 3. Schematický cyklus interkritického žíhání EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Výchozí materiál Jako výchozí materiál byla použita experimentální ocel 42SiCr (Tab 1.). Chemické složení bylo zjištěno pomocí RTG analýzy. Jedná se o tabule plechu tlustého 18mm válcované za tepla a poté volně vychlazeny na vzduchu. Hlavní přísadou této oceli je křemík, který brání nebo omezuje precipitaci karbidů. Další významný prvek je mangan, který stabilizuje austenit a omezuje perlitickou přeměnu a chrom zvyšující tvrdost. C Si Cr Mn P S Mo Ni Cu Sn 0,43% 2,03% 1,33% 0,59% 0,009% 0,004% 0,03% 0,07% 0,07% 0,013% Al As Ca N Sb Pb Ti Nb V B 0,008% 0,002% 0,0015% 0,0076% 0,001% 0,002% 0,004% 0,035% 0,004% 0,0025% Tab. 1 Chemické složení materiálu Struktura výchozího materiálu: Výchozí struktura je tvořena klasickou feriticko perlitickou směsí (Obr 4). Světlé oblasti odpovídají feritu a obrazovou analýzou bylo zjištěno, že tvoří přibližně 16,5% mikrostruktury.

Obr. 4 mikrostruktura výchozí stavu materiálu, leptáno nitalem Varianty tepelného zpracování V této práci bylo zvoleno tepelné zpracování Q-P procesem.

4 Obr. 4 mikrostruktura výchozí stavu materiálu, leptáno nitalem Varianty tepelného zpracování V této práci bylo zvoleno tepelné zpracování Q-P procesem. V první fázi zatím proběhla příprava tohoto procesu a byl odzkoušen vliv doby austenizační teploty a následná rychlost ochlazování a výdrž v solné lázni. Doba výdrže na austenizační teplotě se pohybovala mezi minutami, doba výdrže v solné lázni mezi 5 20 minutami. Pro zjištění vlivu rychlosti ochlazení byly dva vzorky ochlazeny na dvě sekundy do vody a po té přeneseny do solné lázně (Tab. 2) Pro odzkoušení těchto parametrů bylo použito 6 vzorků o rozměrech 55x18x25 mm. Obr 5. schematické znázornění režimu tepelného zpracování

ohřev 900 C [min] ochlazení ve vodě solná lázeň 250 C [min] vzorek1 25 ne 5 vzorek 2 20 ne 10 vzorek 3 20 ne 20 vzorek 4 30 ne 10 vzorek 5 20 2s 10 vzorek 6 30 2s 10 Tab.

5 ohřev 900 C [min] ochlazení ve vodě solná lázeň 250 C [min] vzorek1 25 ne 5 vzorek 2 20 ne 10 vzorek 3 20 ne 20 vzorek 4 30 ne 10 vzorek s 10 vzorek s 10 Tab. 2 parametry jednotlivých režimů Metalografické hodnocení struktury Po tepelném zpracování byl připraven metalografický výbrus z každého vzorku. Pro naleptání ploch byl použit 3% nital. Výsledná struktura všech vzorků je tvořena martenzitem a zbytkovým austenitem. Rozdíl je ve velikosti martenzitických útvarů, které jsou hrubší u vzorků s delší výdrží na teplotě austenizace (Obr. 6 a 7). Obr. 6 naleptaná struktura, vzorek 3, doba austenizace 20 min

Obr. 7 naleptaná struktura, vzorek 6, doba austenizace 30 min Výsledky RTG difrakční analýzy Dále byla na vzorcích provedena rentgenová difrakční analýza pro zjištění podílu martenzitu, zbytkového

6 Obr. 7 naleptaná struktura, vzorek 6, doba austenizace 30 min Výsledky RTG difrakční analýzy Dále byla na vzorcích provedena rentgenová difrakční analýza pro zjištění podílu martenzitu, zbytkového austenitu a mřížkového parametru martenzitu (Tab. 3). U každého vzorku byla provedena 3 měření s různým úhlem dopadajícího RTG záření, aby byl eliminován vliv textury povrchu. Množství zjištěného zbytkového austenitu se pohybuje od 4,12% do 9,79%. vzorek podíl jednotlivých fází mřížkové parametry martenzitu martenzit [%] austenit [%] a [Ǻ] c [Ǻ] 1 94,89 5,11 2,862 2, ,88 4,12 2,8621 2, ,28 9,79 2,8554 2, ,09 6,91 2,8575 2, ,86 7,14 2,8568 2, ,52 7,48 2,855 2,881 Tab. 3 podíl martenzitu a zbytkového austenitu ve struktuře, mřížkové parametry martenzitu

7 ZKOUŠKY MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ Zkouška tahem byla z důvodu úspory materiálu provedena na minivzorcích o daných rozměrech (Obr. 8). Obr. 8 Zkušební tělísko na zkoušku tahem Výsledné hodnoty meze pevnosti v tahu se ukázaly nad očekávání dobré (Tab. 9). U všech vzorků je překročena hranice 2000MPa což je výrazný nárůst oproti výchozímu stavu. Bohužel u vzorků s ochlazením do vody se projevila nižší hodnota tažnosti, což ukazuje, že je zapotřebí zvolit pomalejší způsob ochlazování. vzorek Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 5mm [%] R m x A 5mm Výchozí stav Tab. 9 výsledné hodnoty mechanických zkoušek VÝSLEDKY MĚŘENÍ TVRDOSTI Měření tvrdosti bylo provedeno podle Vickerse a to HV10 a HV30. Výsledná hodnota je průměr pěti vtisků pro každý vzorek a velikost zatížení (Tab. 10). Všechny hodnoty se pohybují okolo 600HV. vzorek HV10 HV Výchozí vstav Tab. 10 výsledné hodnoty tvrdosti

8 ZHODNOCENÍ EXPERIMENTU Doposud realizovaná část experimentálního programu nám posloužila k otestování výchozích parametrů pro Q-P proces. Nejlepších mechanických vlastností bylo dosaženo u vzorku 2 a to meze pevnosti přes 2100MPa při tažnosti 16%. Ukázalo se, že delší doba výdrže na austenizační teplotě má za následek zhrubnutí martenzitu a tím dochází ke snížení mechanických vlastností. Jako optimální se tedy jeví doba prodlevy 20 minut. Také příliš rychlé ochlazení má za následek zhoršení tažnosti, přičemž mez pevnosti není vyšší než u ostatních vzorků. Na základě těchto výsledků bylo navrhnuto několik kompletních režimů Q-P procesu, tvořených austenizací na 900 C, ochlazením na různé teploty v intervalu C a opětovným ohřevem na teplotou 250 C. Podle těchto režimů byla zpracována další sada vzorků, jejichž mikrostruktura a mechanické vlastnosti se právě vyhodnocují. POUŽITÁ LITERATURA [1]

Podobné dokumenty

VÝVOJ MIKROSTRUKTURY VÍCEFÁZOVÉ OCELI S TRIP EFEKTEM SVOČ - FST 2013

VÝVOJ MIKROSTRUKTURY VÍCEFÁZOVÉ OCELI S TRIP EFEKTEM SVOČ - FST 2013 Bc. Vojtěch Průcha, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se zabývá rozborem mikrostruktur