TVÁŘENÍ NOVÝCH TYPŮ OCELÍ Ondřej Žáček Jiří Kliber VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, katedra tváření materiálu, 17. Listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR, ondrej.zacek@vsb.cz, jiri.kliber@vsb.cz Abstract The transformation of austenite to martensite is fundamental to the hardening of carbon steels. This transformation plays an important role for the mechanical behaviour of low-carbon ferrous alloys containing retained austenite. The effect, known as TRansformation Induced Plasticity (TRIP), is manifested by unusual high work hardening and high uniform elongation-properties very desirable for thin sheet applied for automobiles parts [1]. The influence of hot deformation on microstructure of a hot-rolled Si-Mn TRIP steel was evaluated in effort to better control retained austenite content. In the study[2], axial compressive strain varying in amount from 0 to 60 % were imposed in the austenite phase field, and effects of on the formation of polygonal ferrite, bainite and retained austenite were determined. In adition, modifications in simulated coiling temperature from 420 C to 480 C and cooling rates from the rolling temperature, between 10 C.s -1 and 35 C.s -1, were assessed. Abstrakt Přeměna austenitu na martenzit je podstatou zpevňování nízkouhlíkových ocelí. Tato transformace hraje rozhodující roli pro mechanickém vlastnosti nízkouhlíkových ocelí obsahujících zbytkový austenit. Efekt transformací indukované plasticity (TRIP) je charakteristický neobvykle vysokým deformačním zpevněním a vysokou tažností-tedy vlastnostmi velmi užitečnými u tenkých lisovaných výrobků z pásů pro automobilový průmysl [1]. V práci [2] je zkoumán vliv deformace za tepla na mikrostrukturu za tepla válcované Si-Mn TRIP oceli s cílem lepší kontroly obsahu zbytkového austenitu. Oblast austenitické fáze byla tlakově zatěžována v rozsahu deformací 0 až 60 % a byl zkoumán vliv na tvorbu polygonálního feritu, bainitu a zbytkového austenitu. Navíc byl hodnocen vliv změny teploty simulovaného navíjení v rozsahu 420 C až 480 C a změny rychlosti ochlazování v rozsahu 10 C/s až 35 C/s na mikrostrukturu TRIP oceli. 1. ÚVOD Teoretická část práce čerpá z informací shromážděných pro podporu návrhu grantu Využití transformačně indukované plasticity (TRIP) u technologií tváření oceli podaného VŠB TECHNICKOU UNIVERZITOU OSTRAVA, Fakultou metalurgie a materiálového inženýrství, Katedrou tváření materiálu Grantové agentuře České republiky. Snižování hmotnosti vozidel a snižování výrobních nákladů při současném zvyšování bezpečnosti pasažérů vytváří potřebu nových materiálů pro automobilový průmysl. Je známo, že díky transformací indukované plasticitě (transformation induced plasticity - TRIP) dosahují TRIP oceli mimořádných mechanických vlastností kombinovaných s dobrou svařitelností a galvanizovatelností.
Chemické složení běžných TRIP ocelí je v rozsahu 0,15 až 0,4 % C, 1,0 až 2,5 % Si a 1,0 až 3,0 % Mn. Mikrostruktura těchto ocelí je tvořena velmi jemnou feritickou matricí, tvrdou bainitickou nebo martenzitickou fází a zbytkovým austenitem představujícím 5 až 20 % struktury. Takovou mikrostrukturu ukazuje obr. 1. Obr. 1. mikrostruktura TRIP oceli Klíčová myšlenka současných výzkumů kombinuje zjemnění austenitického zrna dynamickou rekrystalizací a přítomnost mikrolegujících prvků, jako Nb,Ti a V s cílem vytvořit dvoufázovou mikrostrukturu kontinuálním chlazením na pokojovou teplotu [6]. Druhá fáze je dále zpevňována jemnozrnnými precipitáty Nb, Ti a V. Efekt transformací indukované plasticity (TRIP), resp. deformačně indukovaná martenzitická transformace (strain induced martensitic transformation) SIMT metastabilního austenitu, je obvykle připisován dvěma rozdílným mechanismům [3]: (1) napětím podporovaná nukleace martenzitu s přednostní orientací ve směru hlavního napětí; a (2) plastická deformace okolních fází vede ke změně jejich tvaru a podílu ve struktuře, což souvisí z šířící se transformací. Mechanizmus (1) má dvě fáze a to napětím podporovaná transformace (stress-assisted transformation) martenzitu a deformačně indukovaná transformace (strain-induced transformation) martenzitu. Přechod mezi těmito dvěma fázemi tvoří mez kluzu, což schematicky ukazuje teplota obr. 2. napětí Obr. 2. Úspěšnost proběhnutí TRIP efektu závisí na množství a stabilitě zbytkového austenitu. Chemické složení, zvláště obsah C, Si a Mn a historie tepelných procesů silně ovlivňují brždění austenitu. Stabilita zbytkového austenitu proti deformací indukované martenzitické deformaci (SIMT) je hlavním faktorem ovlivňujícím plasticitu materiálu [1]. SIMT efekt probíhá tak, že za kritického tahového napětí se v oblastech koncentrace deformace zbytkový austenit nevratně transformuje na martenzit. SIMT efekt je doprovázen nárůstem objemu transformované fáze, což vede k dalšímu zpevnění okolní mikrostruktury. Zhruba před deseti lety byly vyvinuty nízkolegované oceli na bázi C - Si Mn (plechy pro automobilový průmysl), využívající vlivu manganu a křemíku na zvýšení stability zbytkového austenitu. Křemík zpožďuje precipitaci karbidů při rozpadu
austenitu a způsobuje tak výrazné obohacení dosud netransformovaného austenitu uhlíkem, které přispívá k jeho vyšší stabilitě [4]. Při vhodném tepelně mechanickém zpracování (TMP) lze získat směsnou strukturu feritu (několik desítek %), bainitu, martenzitu a zbytkového austenitu (10-20 %). Polygonální jemnozrnný ferit po hranicích původních austenitických zrn a zbytkový austenit v bainitických a martenzitických oblastech zvyšují tažnost oceli. Zbytkový austenit v průběhu deformace transformuje na martenzit. Tím opět dochází ke zpevnění a k rovnoměrnému rozložení deformace. Legování niobem a hliníkem v koncentracích několika setin procenta způsobuje celkové zjemnění mikrostruktury a zvýšení objemového podílu zbytkového austenitu [5]. Niob navíc příznivě ovlivňuje morfologii zbytkového austenitu a zpomaluje tak jeho přeměnu na martenzit. Volbou různých režimů TMZ lze měnit podíly jednotlivých strukturních složek a tím ovlivňovat mechanické vlastnosti oceli. V oblasti nízkolegovaných ocelí je využití TRIP efektu ve srovnání s aplikací tohoto jevu u jiných druhů ocelí jednoznačně nejvýznamnější a nerozšířenější. V současné době je intenzivně sledována rovněž legovací báze C-Al-Mn, především z důvodu příznivějšího chování při povlakování těchto ocelí. 2. POSTUP Termomechanické zpracování (thermomechanical processing TMP) zásadním způsobem ovlivňuje výsledné vlastnosti produktu z TRIP oceli. Kvantifikování jednotlivých vlivů působících při termomechanickém zpracování (TMP) na TRIP oceli je tedy základním předpokladem dosažení požadovaných vlastností výsledného produktu. Vzhledem k faktu, že jsme ve výzkumu zpracování TRIP oceli ve stádiu rešeršních studií a vlastní experimenty zatím nebyly provedeny, předkládáme výsledky převzaté z jiných prací, zejména z [2]. V práci je zkoumán vliv deformace za tepla na mikrostrukturu za tepla válcované Si-Mn TRIP oceli s cílem lepší kontroly obsahu zbytkového austenitu. Chemické složení použité TRIP oceli je uvedeno v tabulce I. Ocel byla termomechanicky zpracována (TMP), schématicky je postup zpracování zobrazen na obr. 3. Vzorky byly 5 minut austenitizovány při teplotě 1000 C a tlakově deformovány při 920 C, mírně nad dolní mezní teplotou jednofázové austenitické oblasti. Tlaková deformace byla provedena deformační rychlostí 0,025 s -1 na velikost deformace 0, 15, 30, 45, nebo 60 %. Deformované vzorky byly následně ochlazovány rychlostí od 10 C/s do 35 C/s na teplotu simulovaného navíjení 420 C, 450 C, nebo 480 C. Po dosažení navíjecí teploty byly vzorky pomalu chlazeny po dobu 2 minut na teplotu 420 C, aby byla dokončena bainitická transformace. Nakonec vzorky chladnou na vzduchu na teplotu okolí. Ohřev a deformace byla v práci [4] prováděna na plastometru GLEEBLE 1500. čas Obr. 3. Schématický diagram TMP teplota Tabulka I. Chemické složení zkoumané oceli C Si Mn P S 0,207 1,905 1,490 0,015 0,003
3. VÝSLEDKY 3.1. Vliv rychlosti chlazení S růstem rychlosti ochlazování se zvyšuje obsah zbytkového austenitu, snižuje se podíl polygonálního feritu a vznikají jemnější bainitické lamely. Obr. 4a ukazuje nárůst obsahu zbytkového austenitu z 18 na 24 % (pro všechny teploty navíjení) při zvýšení rychlosti ochlazování z 10 C/s na 35 C/s. Obr. 4b ukazuje současný pokles obsahu polygonálního feritu z 25 % na 2 %. (pro teplotu navíjení 450 C). a) b) % polygonálního feritu Obr. 4. Závislost obsahu zbytkového austenitu na rychlosti ochlazování 3.2. Vliv teploty navíjení Teplota simulovaného navíjení měla na mikrostrukturu nedeformovaných vzorků malý vliv v celém rozsahu použitých tří teplot. Velikost bainitických lamel je pro všechny teploty podobná a polygonální ferit se ve struktuře v podstatě nevyskytuje. Obr. 4a ukazuje nárůst obsahu zbytkového austenitu s poklesem teploty navíjení, význam tohoto efektu je však velmi malý. Rozdíl v obsahu zbytkového austenitu při nejvyšší a nejnižší teplotě navíjení je méně než 1 %. Vliv teploty navíjení na množství polygonálního feritu nebyl zpozorován. 3.3. Kombinovaný vliv deformace za tepla, rychlosti ochlazování a teploty navíjení Deformace za tepla výrazně snižuje množství zbytkového austenitu a zvyšuje podíl polygonálního feritu, tvoří se hrubší bainitické lamely. Obr. 5a ukazuje závislost podílu zbytkového austenitu na rychlosti ochlazování a velikosti deformace (pro nejnižší rychlost navíjení 420 C). Vzorky s deformací 60 % mají podíl zbytkového austenitu asi o 20 % nižší než nedeformované vzorky. Výsledky pro vyšší teploty navíjení jsou více méně stejné, kromě ostrého propadu obsahu zbytkového austenitu, ke kterému dochází při vysokých ochlazovacích rychlostech kombinovaných s výraznou deformací. Obr. 5b a 6c ukazují překvapivou závislost podílu zbytkového austenitu na velikosti deformace a rychlosti ochlazování (pro teploty navíjení 450 C a 480 C). Podíl zbytkového austenitu roste s rostoucí rychlostí ochlazování do 30 C/s až při rychlosti ochlazování 35 C/s prudce klesá. Tento efekt nebyl u nedeformovaných vzorků za teploty navíjení 420 C pozorován.
a) b) c) Obr. 5. Závislost obsahu zbytkového austenitu na rychlosti ochlazování Pro teplotu simulovaného navíjení a) 420 C, b)450 C, c) 480 C Obr. 6 ukazuje závislost podílu polygonálního feritu na rychlosti ochlazování (pro 30 % deformaci). Za vyšších navíjecích teplot podíl polygonálního feritu klesá s rostoucí rychlostí ochlazování až do rychlosti 30 C/s, potom při rychlosti ochlazování 35 C/s prudce roste. Při teplotě navíjení 420 C tento efekt nebyl pozorován. % polygonálního feritu Obr. 6. Závislost obsahu polygonálního feritu na rychlosti ochlazování
4. DISKUSE VÝSLEDKŮ Stabilita austenitu v Si-Mn TRIP ocelích je dána bainitickou transformací, během které tvorba bainiticko feritických lamel obohacuje mezilamelární austenit uhlíkem. Je-li obsah C v austenitu dostatečně vysoký a tvorba Fe 3 C je potlačeno, teplota M s je snížena pod teplotu okolí. Výsledkem je, že při ochlazování na teplotu okolí austenit setrvává bez martenzitické transformace. Míra zachování austenitu jako zbytkového závisí na podílu ve struktuře a na obsahu C v austenitu na počátku bainitické transformace a nárůstu obsahu C během transformace. Tvoří-li se polygonální ferit, klesá množství austenitu, které by mohlo projít následnou bainitickou transformací. Jako výsledek lze očekávat odpovídající pokles podílu zbytkového austenitu. 5. ZÁVĚRY Vysoké rychlosti ochlazování z válcovací teploty a nízké teploty navíjení a malá deformace zvyšují podíl zbytkového austenitu v za tepla válcovaných Si-Mn TRIP ocelích. Při nejvyšší rychlosti ochlazování 35 C/s kombinované s intenzivní deformací za tepla a vysokou teplotou simulovaného navíjení přesto dochází k neočekávanému a prudkému poklesu podílu zbytkového austenitu. Konkrétní závěry jsou následující: 5.1. Při absenci deformace za tepla s nárůstem rychlosti ochlazování z 10 C/s na 35 C/s dochází k nárůstu podílu zbytkového austenitu z 18 na 24 %. Nárůst podílu austenitu je doprovázen odpovídajícím poklesem množství polygonálního feritu. Z toho vyplývá, že množství austenitu vstupující do bainitické transformace přísně diktuje výsledné množství zbytkového austenitu. 5.2. Snížení teplot simulovaného navíjení způsobí malé zvýšení podílu zbytkového austenitu. Žádné jiné popsatelné rozdíly v mikrostruktuře vzorků simulovaně navíjených za různých teplot nebyly zjištěny. 5.3. Zvětšující se deformace za tepla zvyšuje množství polygonálního feritu a snižuje množství zbytkového austenitu. Vzorky s deformací 60 % obsahovaly asi o 20 % méně zbytkového austenitu, než vzorky nedeformované. 5.4. Trend růstu obsahu zbytkového austenitu s rostoucí rychlostí ochlazování se obrací při nejvyšší rychlosti ochlazování 35 C/s kombinované s intenzivní deformací za tepla. Předpokládá se, že tato interakce mezi deformací rychlostí ochlazování je důsledkem nedostatečného času pro úplné zotavení a rekrystalizaci deformovaného austenitu, což vede k zrychlení kinetiky transformace polygonálního feritu. K tomuto zrychlení navíc dochází pouze při vyšších teplotách navíjení, což naznačuje, že transformace polygonálního feritu je prodlužována výdrží na teplotě simulovaného navíjení, tedy 450 C a 480 C.
LITERATURA [1] A. Wasilkowska, P. Tsipouridis, E. A. Werner, A. Pichler, S. Trait: Microstructure and tensile bahavior of cold-rolled TRIP-aided steels, 11 th international scietific conference AMME 2002, Glivice [2] H.-B. Ryu, J. G. Speer, J. P. Wise: Effect of thermomechanical processing on the retained austenite content in Si Mn TRIP steel, Metallurgical and materils transactions A, volume 33A, September 2002 [3] P. J. Jacques, J. Ladrière, F. Delannay: On the influence of interactions between phases on the mechanical stability of retained austenite in TRIP multiphase steels, Metallurgical and materils transactions A, volume 32A, November 2001 [4] J.Wang, S.Van Der Zwaag: Stabilization mechanisms of retained austenite in transformation-induced plasticity steel. Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 32A, 2001, p.1527-1539. [5] A.Z. Hanzaki, P.D. Hodgson and S. Yue: Hot Deformation Characteristics of Si- Mn TRIP Steels with and without Nb Microalloy Additions. Transactions ISIJ International, Vol. 35, No. 3, 1995, p. 324-331.