Изменение структуры металла в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОВКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Лекция 3

По термомеханическим факторам ковки наиболее важными особенностями отличается аустенитная группа высоколегирован­ных сталей, в которых, как известно, отсутствуют фазовые пре­вращения. Необходимая структура металла в этих сталях дости­гается лишь условиями деформирования, ибо никакая термооб­работка не позволяет измельчить зерно, полученное при ковке. Закалка с последующим старением, обычно применяемая для аустенитных сталей, в лучшем случае может сохранить величину зерна, сформированную при ковке. Но нередко наблюдается об­ратное явление, когда операция термообработки приводит к росту зерен без возможности изменения их величины какими-либо ме­тодами теплового воздействия на металл.

От величины зерна зависят механические и жаропрочные свойства стали. С увеличением зерна механические свойства ме­талла снижаются, а длительная прочность несколько возрастает, но при условии отсутствия значительной разнозернистости струк­туры. Таким образом, основное требование к структуре жаро­прочных сталей аустенитного класса заключается в равномер­ности зерен. При этом в большинстве случаев по комплексу требуемых характеристик структура поковок из жаропрочных сталей должна быть мелко- или среднезернистой.

Beличина зерна деформированного металла зависит от про­цесса рекристаллизации, который развивается в зависимости от степени деформации и температуры. При ковке металла в области критических степеней деформации структура металла после ре­кристаллизации получается грубозернистой. Поэтому техноло­гией^ ковки на последних операциях должен предусматриваться такой режим обжатий за один ход пресса или удар молота, который обеспечил бы получение нормального зерна. Назначение степеней Деформации при выполнении поковок производится на основании диаграмм рекристаллизации, разработанных для конкретных ма­рок стали.

Для большинства жаропрочных аустенитных сталей критиче­ская степень деформации находится в пределах 5—12%. Крити­ческие деформации имеют место при всех ковочных температурах, но особенно резко зерно увеличивается с повышением темпера­туры. В связи с этим окончание ковки в области высоких ковочных температур недопустимо при малых, близких к критическим, сте­пенях деформации в тех случаях, если поковка должна иметь мел­козернистую структуру. Но одновременно применение очень низ­ких конечных температур ковки также приводит к неудовлетво­рительной структуре: она получается разнозернистой вследствие неоднородных условий деформации, вызываемых неполным за­вершением рекристаллизационного процесса.

Одним из условий получения равномерного зерна в объеме поковки является отсутствие смешанного "механизма деформиро­вания, т. е. окончание процесса рекристаллизации во время ко­вочных операций. Работы по изучению влияния температуры и степеней деформации на рекристаллизацию аустенитной стали ЭИ572, проведенные на НЗЛ и в ЦНИИТмаше, показали, что при конечной температуре ковки до 800°С рекристаллизация отсут­ствует при любом укове. Процесс рекристаллизации обработки; начинается после ковки при 900°С и выше. Для образования: рекристаллизованных зерен при этой температуре требуется 80—| 85-процентная деформация, но даже и при такой степени деформации рекристаллизация обработки полностью не завершается.; С повышением температуры ковки степень деформации, при кото-) рой начинается процесс рекристаллизации обработки, уменьшается: при 950°С она соответствует примерно 50%, при 1000° С — 40%, при 1100—1150С рекристаллизация завер­шается во всем объеме независимо от степени деформации. Выяв­лено, что в условиях, когда рекристаллизация обработки пол­ностью не заканчивается (1000°С и ниже), в структуре стали ЭИ572 наблюдаются зерна, резко неоднородные по величине. Что касается собирательной рекристаллизации, то установлено, что она начинается при 1050—1100°С, но протекает весьма вяло, очень слабо сказываясь на росте зерен даже при длительной вы­держке. Практически заметный рост зерна в результате собира­тельной рекристаллизации наблюдается только при 2—3-часовой выдержке в области температур около 1150° С. Для других аусте­нитных сталей конкретная взаимосвязь условий рекристалли­зации с температурами и степенями деформирования зависит oт специфики марки стали, но общая закономерность явления повторяется.

Таким образом, нижний температурный предел ковки аустенитных сталей определяется не только условиями пластичности металла, но и требованиями по равномерности зерна.

При исследовании и производственном контроле поковок из аустенитных сталей скопления укрупненных зерен обнаружи­ваются в самых различных участках. В дисках, например, крупно­зернистая структура наиболее часто наблюдается в области, при­мыкающей к торцовым плоскостям, но нередко встречается и во внутренних слоях поковки. Наличие крупных и неравномер­ных зерен вблизи контактных поверхностей объясняется неод­нородной деформацией и захолаживанием металла в этих обла­стях поковки: температура деформирования металла нередко оказывается ниже температуры начала рекристаллизации, которая протекает только при последующей термической обработке с об­разованием крупных зерен. Что касается грубозернистой струк­туры в глубинных зонах поковки, где температура металла при ковке относительно высока, то она, по-видимому, образуется в ре­зультате длительного пребывания металла в области высоких температур и действия процесса собирательной рекристаллизации. Разнозернистость структуры отсутствует в том случае, когда рекристаллизация обработки во всем объеме деформируемой де­тали протекает (и завершается) при относительно низкой темпе­ратуре.

На неравномерную рекристаллизацию высоколегированных сталей оказывает влияние и металлургическая природа металла [18]. Сталь с повышенной загрязненностью отличается более ши­роким интервалом критических деформаций, и процесс рекри­сталлизации, как правило, протекает с образованием в локальных зонах поковки крупных кристаллитов. Поэтому получению рав­номерной структуры металла способствует использование для поковок стали повышенной чистоты с минимальным содержанием неметаллических включений и других примесей.

Большой практический интерес представляет вопрос о влиянии скорости деформирования на рекристаллизацию обработки. Ис­следованиями установлено [17, 18, 19], что имеется значительная разница в кинетике процесса рекристаллизации стали при раз­личных скоростях деформирования, особенно в зоне, близкой к нижнему пределу ковочного интервала температур. Разупрочняющие процессы протекают во времени, поэтому и рекристалли­зация протекает полнее при малых скоростях деформирования. В этом случае интервалы критических деформаций получаются, как правило, меньшими, начало рекристаллизации наступает при менее высоких деформациях, а механизм деформирования в большей степени соответствует чисто горячему. Отсюда следует, что при одинаковых температурных условиях ковка на молоте вызывает большие опасения в отношении неполного завершения Рекристаллизации и наличия смешанного механизма деформиро­вания, чем ковка на прессе. Учитывая эту закономерность, для пресса и молота устанавливаются различные температурно-временные режимы деформации. Например, при ковке на молоте некоторых высоколегированных сталей в интервале относительно низких ковочных температур не рекомендуется непрерывно де­формировать один и тот же участок поковки во избежание подав­ления рекристаллизационных процессов.

Эффект влияния скорости деформирования на условия рекри­сталлизации аустенитных сталей резко снижается с повышением температуры ковки, при которой скорость рекристаллизации от­носительно велика и упрочнение стали в процессе горячей обра­ботки полностью снимается даже в условиях динамической де­формации. Практически при повышенных температурах ковка аустенитных сталей на молоте протекает не менее успешно, чем на прессе. Этому способствует и значительно более равномерная температура по сечению заготовки, сохраняемая при деформиро­вании за счет Динамического воздействия молота.

Величина и степень равномерности зерна в окончательно от­кованной поковке обусловливается главным образом термомеха­ническими факторами деформации за последний вынос.

Помимо температуры и степени деформации известное влия­ние на конечную величину зерна оказывает его исходное состоя­ние [20], но это состояние сказывается главным образом при ма­лых степенях деформации. При повышенных степенях деформации влияние исходной структуры на конечную отсутствует: разнозернистая или крупнозернистая структура практически полностью устраняется деформацией за последний вынос и последующей рекристаллизацией.

Нагревом поковок от температуры конца деформирования до температуры интенсивной рекристаллизации создаются более равномерные структурные изменения металла в объеме поковки, что способствует уменьшению разнозернистости [21].

Применение метода ультразвуковой дефектоскопии поковок до термообработки часто ограничивается структурной неоднород­ностью металла, так как при наличии в поковке участков с крупно­зернистой структурой прозвучивание затруднено из-за рассея­ния в этих зонах ультразвуковых волн и ложных дефектных импульсов. Надежный ультразвуковой контроль может быть осу­ществлен только при отсутствии помех в виде нерекристаллизованных крупных зерен.

Прозвучиваемость участков крупнозернистой структуры, по­лученной в результате недостаточно полного завершения рекри­сталлизационных процессов во время ковки, резко улучшается после нагрева поковок до температуры несколько выше темпера­туры начала рекристаллизации и последующего охлаждения.) Такой же эффект прозвучивания достигается и после закалки (аустенизации) поковок, но при условии, если установленная: температура нагрева и длительность выдержки при этой темпе­ратуре не вызывают процесса собирательной рекристалли­зации.

Явление плохой прозвучиваемости поковок до термообработки свойственно не только сталям аустенитного класса, но и жаро­прочным сталям других классов, например мартенситным высоко­хромистым упрочненным сталям типа ЭИ802 и 15X11МФБ. В прак­тике неоднократно наблюдались случаи, когда полноценный ультразвуковой контроль поковок дисков, роторов и других де­талей не мог быть осуществлен до термической обработки из-за помех, создаваемых участками нерекристаллизованных зерен. Иногда ультразвуковой контроль до термообработки приводил к ложным заключениям о наличии в поковках внутренних дефек­тов и являлся причиной неправильной оценки качества металла. Плохое прозвучивание поковок и в этих случаях обусловлено тем­пературными условиями ковки: вследствие высокой температуры рекристаллизации жаропрочных сталей окончание деформации при пониженных температурах приводит к неполному завершению рекристаллизационных процессов и появлению в поковке мест­ных участков с непрозвучиваемой крупнозернистой структурой.

После термической обработки рекристаллизация металла пол­ностью завершается и прозвучивание поковок (при условии от­сутствия в них зон с недостаточно деформированной литой струк­турой) протекает без каких-либо помех. Но нередко но техно­логическим причинам ультразвуковая дефектоскопия поковок должна проводиться до термообработки. Это бывает, например, при контроле цельнокованых роторов, термически обрабатывае­мых после нарезки дисков, или при изготовлении деталей типа тройников и патрубков, неправильная форма которых не позво­ляет производить ультразвуковой контроль после термообработки. В этих случаях, как показал опыт производства, наличие в общем цикле первичной термообработки и охлаждения поковок специаль­ной тепловой операции — выдержки при температуре, превышаю­щей температуру рекристаллизации, улучшает прозвучиваемость металла и позволяет вполне надежно проводить ультразвуковой контроль поковок до окончательной термообработки.

Дата добавления: 2014-01-07