Физические основы пластической деформации
Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К.
Металлургия, 1982 г.
Влияние структуры, структурной и химической неоднородности на пластичность металлов и сплавов
Важным фактором, воздействующим на пластичность, является степень структурной и химической неоднородности. Наиболее существенное влияние на деформируемость сплавов оказывает зональная неоднородность.
Особое внимание будет уделено структурным характеристикам, связанным с величиной зерна, протяженностью межзеренных и межфазных границ, степенью химической неоднородности кристаллов, оказывающим влияние на пластичность и сопротивление деформации металлов и сплавов.
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИТЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ; АНИЗОТРОПИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.
От деформированного металла слиток отличается большей степенью структурной и химической неоднородности: 1) плотность литого металла или сплава ниже из-за наличия макро- и микропустот, располагающихся вблизи головной и осевой частей слитка. Слитки кипящей стали имеют развитую зону подкорковых пузырей. Подкорковые пузыри, часто выходящие к поверхности, могут встречаться и в слитках других сталей, особенно при нарушении технологии выплавки; 2) в слитках сталей и сплавов, полученных обычными методами выплавки, часто наблюдается значительная сегрегация вредных примесей (серы, фосфора и т. д.), особенно вблизи головной и осевой его частей; 3) для крупных слитков характерно интенсивное развитие дендритной ликвации; 4) в слитках двух- и многофазных сталей и сплавов вторая фаза образует включения, часто окаймляющие отдельные кристаллы.
Наличие такой неоднородной структуры приводит к анизотропии механических свойств, понижению пластичности литого металла, а также к уменьшению сопротивления его деформации по сравнению с деформированным состоянием. Размеры кристаллитов в слитке зависят от скорости .кристаллизации. Увеличение скорости кристаллизации на два порядка (от 0,2 до 20 см/мин) приводит к уменьшению расстояния между дендритными осями примерно в 50 раз: от 2 до 0,04 мм. Скорость кристаллизации обратно пропорциональна размерам слитка, соответственно в крупном слитке образуется более крупнозернистая структура. Типичная макроструктура слитка — трехзонная структура, определяемая различной скоростью кристаллизации по сечению слитка.
У поверхности, где кристаллизация происходит быстро, возникает зона равноосного мелкого зерна. Затем зона кристаллизации со столбчатым строением и центральная зона крупного равноосного зерна. Слиток такого типа формируется и при непрерывной разливке.
Слитки непрерывной разливки благодаря меньшему сечению и принудительному охлаждению характеризуются более мелкой структурой, а компоненты сплавов и примеси в таких слитках сегрегируют в меньшей степени. Это благоприятно влияет на деформируемость слитков непрерывной разливки.
Структурная неоднородность слитка тесно связана с химической неоднородностью. Степень дендритной ликвации зависит от типа диаграмм состояния стали и сплава.
Дендритная ликвация в сплавах развивается тем интенсивнее, чем больше коэффициент распределения К= ств /сж(ств — концентрация твердой фазы; сж— концентрация жидкой фазы) отличается от единицы и чем больше температурный интервал между началом и концом кристаллизации, а также в случае сильного химического взаимодействия элементов в жидком состоянии. Последнее характерно для сплавов с диаграммами состояния, имеющими сингулярную точку плавления интерметаллидного соединения.
Коэффициент степени ликвации К’(отношение концентрацииэлемента в межосном участке к концентрации у оси дендрита) составляет 2,3—4 для легирующих элементов в сплавах Ni+3% Ti, Ni+2,1 % Si, Ni+4% Sn, Ni+5%Sb. Бинарные сплавы Fe+(13—45) % Cr, Fe+ 45% Ni, Mo+0,5% Al, Mo+0,12% Zr, Ni + 3% Al, для которых характерно слабое химическое взаимодействие элементов в жидком состоянии, проявляют незначительную склонность к ликвидации компонентов. Для этих сплавов коэффициент К'= 1- 1,2. К ним относятся также -тройные сплавы систем Fe—Ni—Сr, сплавы Ni+ +20% Сr с добавкой алюминия, титана, ниобия, молибдена.
Ликвация углерода развивается только в присутствии карбидообразующих элементов (Ti, Сr) и не наблюдается при легировании некарбидообразующим алюминием. Усиление дендритной ликвации способствует различию пластических свойств и сопротивления деформации осей дендритов и межосных участков. Это приводит к неоднородности деформации, усилению концентрации напряжений и к снижению пластичности. Предварительный анализ диаграммы состояния нового сплава позволяет, таким образом, качественно оценить его деформируемость в слитке.
Применение новых методов выплавки — электрошлакового переплава, вакуумной, дуговой и индукционной, электроннолучевой зонной плавок — позволяет получить сплавы более высокой чистоты и с меньшей сегрегацией компонентов. Снижение содержания газов и примесей цветных металлов, а также неметаллических включений уменьшает анизотропию свойств, особенно в температурном интервале горячей деформации. Применение двойного вакуумно-дугового переплава приводит к уменьшению коэффициента анизотропии механических свойств сплава ХН55ВМТКЮ при 1150°С от 1,2 до 1,15.
Другой известный способ улучшения химической однородности слитков — высокотемпературный (гомогенизирующий) отжиг. В системах с неограниченной или частичной растворимостью компонентов продолжительный отжиг приводит к выравниванию химического состава и уменьшению анизотропии свойств, позволяет существенно улучшить пластичность тех сплавов, которые хрупки в литом состоянии. Так, ниобий с содержанием 0,25— 0,3% С, 0,01-0,02% 02 и 0,02—0,03% N2 после выплавки двойным дуговым или электроннолучевым переплавом имеет практически нулевую пластичность при комнатной температуре. После отжига таких слитков диаметром 150 мм при 1300—1500 °С относительное удлинение при комнатной температуре повышается до 15—
20%, сужение —до 25—45%. Повышение пластических свойств сплавов ниобия после отжига объясняется улучшением стабильности структуры (сохраняющейся при нагреве под деформацию), выделением второй фазы карбидов округлой формы и релаксацией температурных напряжений в литом сплаве.
Улучшения структуры слитка можно достичь также воздействием на процесс кристаллизации химическим (модифицирующие добавки) и физическим (ультразвук) путем. Модифицирование силумина с 10,8% Siмодификатором состава 20% LiF+80% LiClпозволяет затем деформировать этот «литейный» сплав горячей и холодной прокаткой.
Наложение ультразвука в процессе кристаллизации сплава в изложнице способствует росту числа зародышей кристаллизации и измельчению кристаллитов слитка уменьшает степень дендритной ликвации и в ряде случаев повышает деформируемость металла. В частности, применение ультразвука при обработке сталей У9 и У10 позволяет уменьшить размеры зерна до № 5—7, в результате чего предел прочности их возрастает на 75% при одновременном повышении характеристик пластичности на 30—60%. Большой эффект дает ультразвук на сплавах железа с хромом, кремнием и алюминием, особенно склонными к росту зерна. Обработка ультразвуком устраняет столбчатую структуру слитка, что также сопровождается увеличением предела прочности более чем в 1,5 раза, а относительного сужения и удлинения— в 4—13 раз. При этом понижается критический интервал хрупкости. Однако применение ультразвука в большой металлургии затруднено, так как требует больших мощностей (до 1,5—2,5 кВт/кг).
Литая сталь или сплав обладает большой анизотропией пластических свойств. Например, сплав ХН78Т на образцах, вырезанных из слитков вдоль столбчатых дендритов, имеет при 20 °С ударную вязкость, относительное удлинение и сужение в два—четыре раза больше, чем на образцах, вырезанных поперек дендритов.
В большинстве случаев образцы вырезают из слитка в направлении его главной оси, т. е. поперек столбчатых дендритов, исследуя при этом минимальную пластичность литого металла. Это правильно с точки зрения оценки технологичности металла, так как наиболее опасные растягивающие напряжения во время прокатки действуют в том же направлении. Максимальные пластические свойства в направлении осей дендритов показывают, какими резервами пластичности обладает литой металл.
Анизотропия свойств при горячей деформации проявляется тем в более сильной степени, чем больше металлургических примесей в слитке. Слитки трансформаторной стали с 3% Siэлектрошлакового переплава содержит в четыре раза меньше неметаллических включений, чем слитки мартеновской выплавки. Соответственно число оборотов до разрушения при кручении в области 800—1000 °С для электрошлаковой стали на 20—30% выше, чем для мартеновской. С повышением температуры до 1100—1200 °С эта разница уменьшается до 3-5%.
При прокатке клиновидных образцов сталь электрошлакового переплава обладает более высокой изотропностью, несмотря на наличие транскристаллитной структуры. Различие в предельных обжатиях до разрушения в осевом и поперечном направлениях слитка составляет 2,5—5% при 800 °С и отсутствует при 1000 °С и выше. У стали мартеновской выплавки относительные обжатия до разрушения в продольном направлении на 30—70% выше, чем в поперечном, хотя структура слитка преимущественно равноосная.
Результаты исследования анизотропии свойств крупных слитков свидетельствуют о больших резервах деформируемости литого металла в связи с тем, что пластичность литой стали выше в направлении осей дендритов. Отсюда следует важный вывод, что при совпадении осей кристаллитов с направлением прокатки резко повышается пластичность металла в слитках и уменьшаются энергосиловые затраты на деформацию.
Выплавка слитков с регулируемым охлаждением позволяет получить расположение осей столбчатых кристаллов, параллельные оси слитка. В частности, при электрошлаковом переплаве можно добиться незначительного отклонения осей кристаллов от продольной оси слитка.
Изменение структуры литого металла после пластической деформации приводит к тому, что механические свойства сталей при 20 °С заметно улучшаются. По достижении определенной степени деформации возрастают пределы прочности, текучести, ударная вязкость, относительное удлинение и сужение. Улучшение свойств связано с разрушением литой структуры, уплотнением металла, измельчением структурных единиц (зерен, включений второй фазы), уменьшением степени химической неоднородности. Например, после прокатки слитков двухфазной стали Х21Н5Т массой 14,7 тв слябы с суммарным, обжатием около 85% механические свойства стали при 20 °С становятся однородными независимо от направления. При этом предел прочности на 200 МПа больше, чем для литой стали. Относительное удлинение повышается от 10—16 до 25—20%, а ударная вязкость — от 150—210 до 800—1100 кДж/м2. При этом микроструктура слябов более дисперсна, чем слитков.