Высокопрочная арматурная сталь

Раздел: Учебники

Согласно современным представлениям материаловедения и физики металлов основные свойства металлических систем, например стальных сплавов, определяющие их практическую ценность, а именно: прочность, пластичность, сопро

тивляемость хрупкому разрушению, усталостная прочность, коррозионная стойкость, ползучесть и др. обусловливаются структурным состоянием и природой образующих сплав компонентов. При этом исключительно важный вклад в формирование свойств вносит субструктура (тонкая структура) сплава: плотность и характер распределения несовершенств строения кристаллической решетки, в первую очередь, дислокаций. Несовершенства строения в существенной мере •оказывают влияние на механизм и кинетику фазовых и структурных превращений при термической обработке, определяя тем самым конечную структуру сплава и его свойства. Управлять дислокационной структурой — плотностью и распределением несовершенств кристаллической решетки — означает сознательно и целенаправленно регулировать свойства металлов и их сплавов. Поскольку одним из основных методов изменения дислокационной структуры является пластическая деформация, то возникает логичное стремление объединить в единый технологический процесс пластическую деформацию; например, аустенита при горячей прокатке стали с последующим быстрым охлаждением (закалкой) с целью фиксации тех структурных изменений, которые возникают в аустените при прокатке в результате протекания и наложения друг на друга сложных упрочняющих (горячий наклеп) и разуирочняющих (динамические и статические возврат, полигонизация и рекристаллизация) процессов

В зависимости от условий проведения горячей деформации (температуры, степени, скорости, дробности деформации, длительности последеформационной выдержки) может быть достигнут широкий набор структурных состояний деформированного металла: от горяченаклепанного до рекристаллизованного. Так как при использовании интенсивного охлаждения вслед за окончанием деформации упрочнение возникает под влиянием механических (обработка давлением, прокатка) и термических (закалка) операций, то такую последовательность воздействий принято называть термомеханической обработкой (ТЛЮ). При этом, •если деформацию проводят в пределах температур, лежащих выше температуры рекристаллизации, тсрмомеханическую обработку называют высокотемпературной (ВТМО).

В соответствии с новыми взглядами на природу горячей пластической деформации металлов и сплавов, развитыми М. Л. Бернштейном, последняя происходит в условиях протекания сложных упрочняющих и разупрочняющих процессов и далеко не всегда, как это считалось ранее, сопровождается полной рекристаллизацией, т. е. ликвидацией горячего наклепа. О природе процессов, происходящих при горячей деформации, судят на основании построения и изучения диаграмм горячей деформации при сжатии, растяжении или кручении соответствующих материалов и исследования их тонкого дислокационного •строения методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгенострук- турного анализа. Схема стадий горячей деформации показана на  39

Первые две стадии отвечают деформационному упрочнению — горячему наклепу. При этом стадия 1 аналогична легкому скольжению при холодной пластической деформации, когда деформация сперва проходит в наиболее выгодно расположенных к действию внешних сил кристаллографических плоскостях. Стадия /У отвечает множественному скольжению по различным кристаллографическим плоскостям, сопровождается интенсивным деформационным упрочнением (горячим наклепом), но в то же время характеризуется и определенным развитием термически активируемых процессов разупрочнения при подходе к максимуму на кривой в координатах «истинное напряжение — истинная деформация».

На восходящем отрезке указанной кривой (до em ах) нередко наблюдаются два участка упрочнения, каждый из которых хорошо аппроксимируется зависимостью а=Кг у, и характеризуется своим коэффициентом упрочнения /(,. При этом величина К на втором участке, прилегающем к 8тах, меньше, чем на первом. Разграничивающая эти участки деформация нередко составляет 7—10%. По мнению М. Л. Бернштейна

наличие двух участков свидетельствует о смене механизма структурообразова- ния при деформации. Точка перехода на оси деформаций является границей,, выше которой на процесс горячего наклепа накладывается процесс динамического возврата, в основе которого лежит поперечное скольжение и переползание дислокаций. Этот процесс снижает теми горячего наклепа и является первым этапом разупрочнения в ходе самой деформации

В результате перераспределения дислокаций путем их поперечного скольжения и переползания уже при деформациях >7—10%, но меньших 8шах) могут наблюдаться первые признаки формирования полигонизованной субструктуры, за счет прохождения процесса динамической полигонизации в ходе самой деформации.

Тем не менее, на стадии 1—II превалирует процесс горячего наклепа, структура которого характеризуется текстурой деформации, высокой плотностью неравномерно распределенных в теле зерна дислокаций, образующих сплетения (клубки) и объемные малоугловые границы, формирующие ячеистую субструктуру.

Стадия ///, отвечающая пику диаграммы горячей деформации, характеризуется одновременным протеканием двух конкурирующих процессов: деформационного упрочнения в результате горячего наклепа и разупрочнения по механизму динамического возврата (А. X. Котрелл). На этой стадии деформации уже интенсивно развивается ячеистая субструктура, которая в конце стадии III и при переходе к стадии IV трансформируется в динамически равновесную полигонизованную структуру с равноосными субзернами в теле текстурован- ного аустенитного зерна при сравнительно небольшой плотности свободных дислокаций в объеме субзерен  Следовательно, полигонизованная субструктура отвечает такому структурному состоянию, когда тело деформированного зерна разделено на мельчайшие субзерна малоугловыми субграннцами, представляющими собой плоские сетки дислокаций. Если такая структура возникает в процессе самой деформации, ее называют 'динамически полигонизованной, если ее образование происходит во время последеформационной паузы или выдержки — статически полигонизованной.

Особенностью такой дислокационной структуры является то обстоятельство^ что помимо упрочняющего эффекта из-за торможения дислокаций субграннцами полигонов, они (субграницы) при достаточной большой концентрации напряжений, вызванных локальным нагромождением дислокаций, могут пропускать через себя дислокации, т. е. способствуют релаксации пиковых микронапряжений. Это, естественно, снижает склонность металла к хрупкому разрушению

Участок IV диаграммы, называемый установившейся стадией горячей деформации, отличается той принципиальной особенностью, что здесь непрерывно набирается деформация при постоянном или мало изменяющемся напряжении. Следовательно, на этой стадии устанавливается динамическое равновесие между упрочнением, обусловленным горячей деформацией, и одновременно протекающим интенсивным разупрочнением. При этом разупрочняющими процессами могут быть динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация, проходящими в условиях одновременного воздействия деформирующих усилий

Если подавляющим процессом разупрочнения является динамическая полигонизация, что обычно характерно для металлов с небольшим деформационным упрочнением при горячем наклепе в условиях больших и малых деформаций (сплавы с ферритной структурой, алюминий и др.), равно как и для материалов с сильным деформационным упрочнением (у-железо, никель, медь и др.), но при умеренных температуре, степени и скорости деформации, то на стадии IV формируется тонкая дислокационная полигональная субструктура с относительно невысокой плотностью дислокаций внутри субзерсн. Такую субструктур/ динамической полигонизации — наиболее предпочтительную при ВТМО — может наследовать мартенсит с достижением в закаленной стали наиболее благоприятного сочетания высокой прочности и пластичности.

Созданная на стадии IV субструктура динамической полигонизации вследствие снижения накопленной энергии (из-за прохождения процесса динамического возврата) обладает способностью тормозить статическую (первичную)- рекристаллизацию при последующих, нередко даже длительных последеформа- цлэнныз выдержках, что расширяет технологические возможности при практическом осуществлении ВТМО. Кроме того, такая субструктура может проявлять удивительную устойчивость при последующих нагревах до температур, лежащих выше порога статической рекристаллизации.

ЕСЛИ главным разупрочняющим процессом на стадии IV является динамическая рекристаллизация, состоящая в коалесценции субзерен, то возникает неустойчивая субструктура с повышенной плотностью дислокаций внутри суб- зереи. Это связано с тем, что при динамической рекристаллизации не все избыточные дислокации уничтожаются, поскольку продолжающаяся горячая деформация вносит в тело субзерен новые «свежие» дислокации. Поэтому в определенной степени эффект упрочнения (горячий наклеп) сохраняется Хотя в результате динамической рекристаллизации возникают новые мелкие рекри- сталлизованные субзерна, они, тем не менее, обладают повышенной плотностью дислокации, а, следовательно, и запасенной энергией. Это приводит к развязыванию вслед за окончанием горячей деформации процесса статической (первичной) рекристаллизации, приводящей к дополнительному снижению плотности дислокаций и формированию рекристаллизованных зерен с болыпеугловыми границами новой ориентации в сравнении с текстурой деформации.

Оба рассмотренных процесса разупрочнения па стадии IV, в зависимости от условий деформации в одном и том же материале могут протекать одновременно, т. е. они не являются альтернативными. Динамическая рекристаллизация является чаще всего следующей за полигонизациен стадией разупрочнения при горячей деформации.

В реальных производственных условиях прокатки при высоких температуре (>1000СС), скорости (»1 с-1) и умеренных степенях деформации (0,25—0,30) вшах "а рассмотренной выше диаграмме деформации не достигается, т. е. горячая прокатка может проходить в рамках неустановившейся стадии деформации. Хотя в таких условиях прокатки, например, на многоклетевых непрерывных мелкосортных станах увеличивается склонность к рекристаллизации как во время последеформационных пауз между клетями, так и после •окончания деформации в последней чистовой клети стана, при определенных температурно-деформационных условиях прокатки и последующего быстрого -охлаждения может быть зафиксировано структурное состояние, обусловливающее эффект ВТМО.

Ниже приведены данные, касающиеся сравнительного рассмотрения свойств высокопрочной арматуры, полученной путем закалки с прокатного и отдельного (печного) нагрева и позволяющие в определенной мере оценить возможность и -степень проявления эффекта ВТМО в конкретных промышленных условиях, в зависимости от некоторых параметров технологии и химического состава стали.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБ. Виды...

Упрочнение низколегированных и углеродистых сталей достигают высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), включающей нагрев металла до температуры...