STRESS-STRAIN BEHAVIOUR AND SOFTENING IN MANGANESE TWIP STEEL TESTED IN THERMAL-MECHANICAL SIMULATOR

Transkript

1 PLASTOMETRICKÉ VÝSLEDKY NAPĚŤOVO-DEFORMAČNÍHO CHOVÁNÍ A STUPNĚ ZMĚKČENÍ FEROMANGANOVÉ TWIP OCELI STRESS-STRAIN BEHAVIOUR AND SOFTENING IN MANGANESE TWIP STEEL TESTED IN THERMAL-MECHANICAL SIMULATOR Jiří Kliber, Kamil Drozd, Ilja Mamuzić VŠB - TU Ostrava,katedra tváření materiálu, 7. listopadu 5, Ostrava, ČR, jiri.kliber@vsb.cz, kamil.drozd@vsb.cz Abstrakt Feromanganové TWIP oceli s obsahem 7 až 20 % manganu jsou plně austenitické a nemagnetické, bez fázové transformace. Vzhledem k uplatnění mechanismu dvojčatění jsou TWIP oceli schopny uspokojit řadu technických požadavků pro výrobu aut nové generace. Základní experimentální výsledky TWIP ocelí vykazují vysokou konečnou pevnost v tahu 600 až 00 MPa a extrémní hodnoty tažnosti v rozmezí 60 % až 90 %. Metodou plazmového a vakuového tavení byly připraveny odlitky slitin Fe-Mn-C. Vzorky o rozměrech 8,5 x 5 x 20 mm byly podrobeny plastometrickému zkoušení (PSCT) na Gleeblu Jako proměnné byly zvoleny teploty od 900 ºC do 00 ºC. Zkoušky byly jednak spojité s deformací e = 0,8, tak i přerušované s postupnými deformacemi e až e 3 = 0,3 a s časy mezi úběry od s do 00 s. Hlavní část experimentálních prací byla zaměřena na sledování vlivu tváření na strukturní charakteristiky a mechanické vlastnosti vysoce pevných Fe-Mn TWIP ocelí v závislosti na rozdílném chemickém složení jednotlivých vzorků. Cílem příspěvku je vyhodnotit závislost napětí-deformace, určit konstanty do matematických rovnic napětí-deformace a stanovit stupeň změkčení struktury X. Abstract The ferromanganese TWIP steels with content of 7 to 20 % of manganese are fully austenitic and non-magnetic, without any phase transformation. Owing to the claiming of the twinning mechanism the TWIP-steels are able to satisfy a great number of technical requirements for production of cars of the new generation. The primary experimental results of the TWIP-steels show the high end tensile strength of 600 to 00 MPa und extreme values of ductility at intervals from 60 % to 90 %. Through the method of plasma and vacuum melting there were prepared alloyed castings Fe-Mn-C. The samples with dimension of 8,5 x 5 x 20 mm were put to plasto-metrically checking (PSCT) on the Gleeble As variables there were selected temperatures from 900 ºC to 00 ºC. The tests were both continuous with the deformation e = 0,8 as discontinuous with the consecutive deformations e up to e 3 = 0,3 and with the terms between the draughts from second to 00 seconds. The major section of the experimental works was focused on the monitoring of the influence of the forming work on the structural and the mechanical characteristics of the highly solid TWIP-steels Fe-Mn in dependence on the different chemical structure of the particular samples. The objective of this contribution is the evaluation of the dependence tension/deformation, determination of the constants for the mathematically equations for tension/deformation and determination of the point of the softening of the structure X.

2 . TEORETICKÁ PODSTATA TWIP OCELÍ Výrobci oceli již delší dobu pozorují, že čelí konkurenci hliníku a jiných nových materiálů jako jsou například hořčíkové slitiny nebo plasty. Aby uspěli v konkurenci, musí být nové oceli lehčí, pevnější a stabilnější. Jedním z materiálů, které by mohly tyto požadavky v budoucnu splňovat jsou TWIP oceli. Vzrůstající nároky na design karoserie auta jsou stejně důležité jako vlastnosti a kvalita používaných ocelí. Během nárazu musí ocelové části karoserie splňovat dva různé požadavky: musí být tvárné (houževnaté), aby pohltily co nejvíce nárazové energie, ale zároveň musí být tvarově stabilní, aby ochránily pasažéry v kabině. K materiálům, které mohou uvedeným požadavkům vyhovět patří zejména vysoce manganové TWIP oceli s obsahem 7 až 20 % manganu. Tyto austenitické oceli vykazují výjimečné vlastnosti díky speciálnímu zpevňovacímu mechanismu dvojčatění [2]. Feromanganové TWIP oceli s obsahem 7 až 20 % manganu jsou plně austenitické a nemagnetické, bez fázové transformace. Formace mechanických dvojčat způsobují během deformace vysoké napěťové zpevnění, zabraňují tvorbě krčku při tahovém zatížení a zajišťují tak vysokou napěťovou kapacitu. Základní experimentální výsledky TWIP ocelí vykazují vysokou konečnou pevnost v tahu 600 až 00 MPa a extrémní hodnoty tažnosti v rozmezí 60 % až 90 %. TWIP oceli jsou atraktivní zejména díky vysoké schopnosti absorpce nárazové energie, která je více než dvojnásobná v porovnání s konvenčními vysoko pevnostními ocelemi. V případě srážky se TWIP oceli deformují, ale zachovávají si svou tvárnost. Každá část se nejdřív prodlouží, zpevní a pak předá zbytek deformační energie okolním částem, které se také zdeformují. Tím, že se energie rozloží po celém povrchu, je nárazová energie absorbována mnohem efektivněji, což dává pasažérům vozidla větší šance na přežití. Mechanismus dvojčatění způsobuje vysoký nárůst koeficientu zpevnění (n), jelikož mikrostruktura oceli se stává stále jemnozrnnější. Vysoko manganové TWIP oceli kombinují extrémně vysokou pevnost s velmi dobrou tvárností, vzhledem ke skutečnosti, že vznikající hranice dvojčat se chovají jako hranice zrn a ocel zpevňují. Koeficient zpevnění n se zvyšuje na hodnotu 0,4 asi při hodnotách deformace okolo 30 % a pak zůstává konstantní až do celkového prodloužení 50 % []. Výhodou TWIP ocelí by měla být i kompatibilita se zaběhnutými výrobními postupy ocelí jiných jakostí, včetně jejich následného zpracování plynulým odléváním, válcováním, lisováním a dobrá svařitelnost. Drobné technické problémy se mohou vyskytnout během metalurgické přípravy těchto ocelí. Může docházet ke ztrátě manganu během tavení v důsledku vysokého tlaku par Mn. Vypařování podstatné procentuální části manganu během tavby vede k nutnosti přidávat mangan v přebytku [2]. 2

3 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Jednotlivé vzorky o rozměrech 8,5x5x20 mm byly zpracovány na plastometru Gleeble Vstupní parametry zkoušení jsou uvedeny v tabulkách a 2. Zkoušky byly později doplněny o spojité při teplotách od 900 do 00 C, v některých případech byly doplněny i o rychlost deformace až 00 s - [2]. Tabulka. Podmínky plastometrických zkoušek pro vzorky p až p6 deformační rychlost ė deformace e 5 0,8 teplota [ o C] způsob chlazení číslo vzorku 00 vzduch p 00 voda p2 000 vzduch p3 000 voda p4 900 vzduch p5 900 voda p6 Tabulka 2. Podmínky plastometrických zkoušek pro vzorky p7 až p8 deformační rychlost ė 0 deformace e 0,3 prodleva teplota [ o C] mezi úběry [s] p7 p3 0 p8 p4 00 p9 p5 p0 p6 0 p p7 00 p2 p8 Průběh reálného výsledku experimentu u spojitého zatěžování je znázorněn na obr.. Pro velké množství jednotlivých hodnot experimentu byly tyto hodnoty redukovány na samotný průběh deformace a z nich následně vybrána každá pátá hodnota. 3

4 350 ė = 5 [/s] napětí σ [MPa] p 00 C 50 p3 000 C p5 900 C 0 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 deformace ε [-] Obr.. Závislost napětí deformace u vzorků p, p3 a p5 Pro komplexní zjištění průběhu křivek napětí-deformace byla zvolena metoda postupného stanovení σ pc podle rovnice () [3-9]. σ pc exp & ε = arcsin h α A Q RT n () Postupnými lineárními regresemi, systémem výpočtu konstant n, α, β a uplatněním sinh vztahu jsme vypočetli hodnotu aktivační energie Q = 58 KJ/mol. Další postup spočíval ve stanovení hodnoty ε pc podle rovnice (2). k X ε = & pc ε exparcsin h Y + (2) T Následně jsme úplné křivky napětí-deformace popsali rovnicí (3) [0]. c ε c pc ε σ = σ exp ε pc ε (3) pc Jako příklad uvádíme tabulku 3, ve které jsou pro ė = 0 s - vypočteny hodnoty napětí. Obdobné hodnoty výpočtu máme pro ostatní velikosti deformační rychlosti. 4

5 Tabulka 3. Vypočtené hodnoty napětí při deformační rychlosti 0 s - ė [s - ] 0 T [K] ε σ c [MPa] 0, , , , , , , , Grafické vyhodnocení těchto výsledků je na následujících obrázcích. Jednak to je průběh křivek napětí-deformace pro závislost na teplotě znázorněný na obr. 2. Tak i průběh křivek napětí-deformace pro závislost na rychlosti deformace, který je znázorněn na obr. 3. napětí σ [MPa] ė = 0 [/s] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 deformace ε [-] 73 K 273 K 373 K Obr. 2. Závislost napětí - deformace při deformační rychlosti 0 s - 5

6 300 T = 273 K 250 napětí σ [MPa] /s 0 /s /s /s 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 deformace ε [-] Obr. 3. Závislost napětí - deformace při teplotě 273 K Součástí experimentu byly také zkoušky přerušované. Stejně jako u spojitých zkoušek bylo výstupem experimentu velké množství hodnot, proto došlo k jejich redukci, a to stejným způsobem jako u zkoušek spojitých. Jako příklad reálného experimentu je na obr. 4 znázorněn průběh křivek napětí-deformace. V grafu jsou zpracovány 3 křivky z přerušovaného zkušebního režimu (p3, p4, p5), společně s jednou křivkou ze spojitého zatěžování (p5) za stejných podmínek, pouze s rozdílnou deformační rychlostí konkrétně s - a 5 s pozn.: teplota 900 C p5 ė = 5s - p3, p4, p5 ė = s napětí σ [MPa] p5 p3 prodleva s p4 prodleva 0s p5 prodleva 00s 0 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 deformace ε [-] Obr. 4. Srovnání závislosti napětí - deformace pro vzorky p5, p3, p4, p5 6

7 Přerušované zkoušky byly provedeny při všech teplotách. Velikost jednotlivých deformací byla 0,25 respektive 0,3. Časy prodlev mezi jednotlivými deformacemi byly, 0 a 00 s. Obr. 4 je doplněn obalovou křivkou spojité zkoušky, díky které můžeme odhadnout začátky deformace pro start dynamické rekrystalizace. Křivky spojitých deformací mají poněkud zvláštní charakter v tom, že nelze vidět žádný inflexní bod a přechod do ustáleného toku kovu. U přerušovaných zkoušek byl proveden výpočet stupně změkčení X podle následující rovnice. X σ m σ 2 = σ σ m (4) Vypočtené hodnoty X pro vzorky p0, p a p2 jsou uvedeny v tabulce 4 a grafické znázornění závislosti stupně změkčení na časech mezi úběry (, 0 a 00 s) je znázorněno na obr. 5. Tabulka 4. Hodnoty X pro vzorky p0, p a p2 ė [/s] teplota [ C] č. vzorku σ [MPa] σ 2 [MPa] σ m [MPa] X doba prodlevy [s] P0 23,33 24,83 80,48 0, P 8,82 20,00 88,00 0,98 0 P2 27,84 38,37 89,50 0,83 00 p0, p, p2 0,95 stupeň změkčení X 0,9 0,85 0,8 0, doba prodlevy [s] Obr. 5. Stupeň změkčení X pro vzorky p0, p a p2 v závislosti na době prodlevy 7

8 Vypočtené hodnoty X pro vzorky p6, p7 a p8 jsou uvedeny v tabulce 5 a grafické znázornění závislosti stupně změkčení na časech mezi úběry (, 0 a 00 s) je znázorněno na obr. 6. Tabulka 5. Hodnoty X pro vzorky p6, p7 a p8 ė [/s] teplota [ C] č. vzorku σ [MPa] σ 2 [MPa] σ m [MPa] X doba prodlevy [s] P6 49,97 25,74 278,89 0, P7 8,54 268,36 33,6 0,34 0 P8 7,02 23,53 305,26 0,55 00 p6, p7, p8 0,6 0,5 stupeň změkčení X 0,4 0,3 0,2 0, doba prodlevy [s] Obr. 6. Stupeň změkčení X pro vzorky p6, p7 a p8 v závislosti na době prodlevy 3. VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ 3. Vyhodnocení spojitého zatěžování Z počátku, při malých deformací, vykazují jednotlivé křivky klasický průběh, při vyšších teplotách odpovídá poloha křivky nižším hodnotám napětí, to znamená, že hodnota napětí se zvyšuje se snižující se teplotou. Zpevňování nastává velmi intenzivně okamžitě po přechodu do plastického stavu. Je způsobeno zvyšováním hustoty dislokací, které jsou generovány deformačním procesem. Při dalším zvyšování deformace rychlost zpevňování klesá v důsledku probíhajícího dynamického zotavení. Následně při dosažení určité úrovně deformace se objevuje dynamická rekrystalizace. Tento dynamický proces dokazuje existenci píku na všech třech křivkách, přičemž při vysoké teplotě 00 C lze odhadnout velikost píkové deformace na cca 0,25 a při teplotě 900 C lze očekávat hodnotu píkové deformace cca 0,3. I při teplotě 900 C je pík výrazný a lze prokázat stav dynamické rekrystalizace [2]. Z obr. 3 je patrné, že vliv rychlosti deformace není zvlášť výrazný, se zvyšující se rychlostí deformace roste zákonitě i deformační odpor. 8

9 3.2 Vyhodnocení přerušovaných zkoušek Pro možnost vzájemného grafického srovnání jsou v grafu na obr. 4 zpracovány 3 křivky z přerušovaného zkušebního režimu (p3, p4, p5), společně s jednou křivkou ze spojitého zatěžování (p5) za stejných podmínek, pouze s rozdílnou deformační rychlostí konkrétně s - a 5 s -. Spojitá křivka prokázala pík při hodnotě deformace 0,3 a při podobné rychlosti deformace se v první části přerušované zkoušky napětí blíží stejné píkové hodnotě. Připustíme-li, že již prvá deformace je v oblasti píku (plastometrické určení píkové deformace a píkového napětí odpovídá již probíhající dynamické rekrystalizaci, která začíná strukturně před projevem píkového napětí a píkové deformace), pak po časech přestávek dynamicky rekrystalizovaná zrna rostou a proces je charakterizován probíhající metadynamickou rekrystalizací. Ukazuje se, že křivka spojité deformace tvoří obalovou křivku deformace přerušované. U ostatních křivek bylo dosaženo obdobných výsledků [2]. Přerušované zkoušky při teplotách zkoušení u daného typu oceli ukázaly velmi rychlý nástup uzdravování, který u TWIP oceli s vysokým obsahem manganu lze přičíst typické austenitické struktuře. Následný start dynamické rekrystalizace neumožňuje klasický výpočet stupně uzdravení struktury X, který je používaný pro průběh statické rekrystalizace. Hodnoty dynamicky uzdravené struktury se v případech teploty 00 C blíží hodnotě a s časem prodlevy mezi deformacemi jen nepatrně klesají. Tento pokles je možné přičíst schopnosti a možnostem experimentálního vyhodnocení. Výsledky z tabulky 4 jsou v rámci chyby měření a zejména odečtu hodnot při vyhodnocování. U nejnižší teploty 900 C, kde i podle předcházejících spojitých křivek napětí-deformace je pík posunut dále za hranici okolo 0,4, se stupeň uzdravení struktury pohybuje do 0,5 a lze usuzovat postupný nárůst s hodnotou X při prodlužování pauzy mezi deformacemi. 4. ZÁVĚR Jednotlivé vzorky byly zpracovány na plastometru Gleeble v sérii 8 měření podle schémat uvedených na obr. a 2. Jednotlivá schémata zpracování se lišila teplotou, deformací, deformační rychlostí a u některých vzorků prodlevou mezi úběry a způsobem ochlazování. Spojité zkoušky byly prováděny za teplot 00, 000 a 900 C, deformace 0,8 a rychlosti deformace 5 s -. Bylo zjištěno, že průběh křivek nasvědčuje výskytu dynamického zotavení a následně při dosažení určité hodnoty deformace i dynamické rekrystalizace, což potvrzuje existenci napěťového píku na všech křivkách. Při hodnocení přerušovaných zkoušek (doba prodlevy, 0, 00 s, deformační rychlost respektive 0s -, deformace v jednotlivých úběrech 0,25 respektive 0,3 při teplotách 900 a 00 C) z analýzy získaných hodnot vyplývá, že po čase prodlevy dynamicky rekrystalizovaná zrna rostou a proces je charakterizován probíhající metadynamickou rekrystalizace. Lze konstatovat, že křivka spojité deformace tvoří obalovou křivku deformace přerušované. LITERATURA [] KLIBER, J., KURSA, T., SCHINDLER, I.: The Influence of Hot Rolling on Mechanical Properties of High-Mn TWIP steel. In 3 rd Int. Conf. Thermomechanical Processing of Services. Brno: Tribun EU Brno, 2008, s ISBN [2] KURSA, T.: Diplomová práce, FMMI, VŠB-TU Ostrava,

10 [3] KLIBER, J.: Simulation of forming processes by plastometric tests. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava, číslo, 997, řada hutnická, článek č. 69. [4] KLIBER, J. - SCHINDLER, I.: Deformation resistence during metal forming. In. Proc. 4th Europen Conference Euromat 95, Padova, Italy, September 995, Symp. F. p.-94. [5] KLIBER, J.: New approaches in describing stress-strain curves. In: Procedings Inter. Conf. FORMABILITY 94, October 994, Tanger Steel, Ostrava, pp [6] SCHINDLER, I. KLIBER, J.: Deformation Resistance and Static Softening Behavior of Type Mo-Nb-V Microalloyed Steels Determined by Plastometric Experiments. In: ICSMA 9. Int. Conference, Haifa, Israel, s [7] KLIBER, J SCHINDLER, I. BOŘUTA, J.: Deformation resistence of materials (Activation Energy) Part I. In: Int. Conf. CAD in metal forming. Wisla, Poland, January 995, pp [8] KLIBER, J. SCHINDLER, I.: Stress-strain curves computer modelling of deformed steel at elevated temperatures. In. Proc. ICSMA 9th Inter. Conference, Haifa, Israel, p [9] RYAN, N.D. QUEEN, MC., H.J.: Flow stress, dynamic restiration, strain hardening and ductility in hot working of 36 steel. Journal of Mechanical Working Technology, 2,,p [0] CINGARA, A. QUEEN, MC., H.J.: In Inter. Symposium on Processes, Pensylvania,