Analiza mikrostruktury

Duża liczba parametrów procesowych, które zastosowano w procesie kontrolowanego walcowania umożliwiła ocenę ich wpływu na rozdrobnienie mikrostruktury stali mikrostopowej (stali X65) a następnie na ocenę wpływu czynników mikrostrukturalnych na własności mechaniczne.

Wyniki analizy mikrostrukturalnej wykonanej przy wykorzystaniu mikroskopii optycznej przedstawione są na rys. 5.1. Zastosowana historia procesu odkształcania jak również skład chemiczny stali mikrostopowej przyczyniły się do powstania dużej niejednorodności mikrostrukturalnej, która widoczna jest w wielkości, kształcie oraz rozmieszczeniu ziaren ferrytu, jak również obecnych w mikrostrukturze kolonii perlitu. Uzyskano stopień rozdrobnienia mikrostruktury o średniej wielkości ziarna ferrytu w zakresie od 3 do 12 µm. Mikrostruktury z wyraźnymi obszarami składającymi się z drobnych ziaren ferrytu otoczone ziarnami większymi widoczne są dla schematów odkształcania, w których badany materiał nagrzewano do temperatury 1200°C, chłodzono do temperatury odkształcania wynoszącej odpowiednio 800°C (próbki B2 i B3) oraz 840°C w przypadku próbki B4. Najbardziej jednorodna okazuje się być mikrostruktura pasma, które odkształcano zgodnie ze schematem 6, gdzie zastosowano większe prędkości chłodzenia w porównaniu do schematu 1 i 2.

Zastosowanie takich warunków odkształcania umożliwiło uzyskanie najniższego poziomu rozdrobnienia ferrytu spośród wszystkich przedstawionych schematów procesu kontrolowanego walcowania. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach widoczna jest ziarnista postać ferrytu. Zastosowanie schematu odkształcania 2 i 5 przyczyniło się do powstania struktury pasmowej, z ułożeniem perlitu w kierunku zgodnym do kierunku walcowania, co jest charakterystyczne dla procesu walcowania tych gatunków stali. Natomiast większe skupiska perlitu widoczne są na rys. 5.1a i d, a dyspersyjne kolonie perlitu na rys. 5.1c i f.

92

(a) B1, 1000°C, 0.2°C/s (b) B2, 800°C, 0.2°C/s

(c) B3, 800°C, 4°C/s (d) B4, 840°C, 4°C/s

(e) B5, 840°C, 4°C/s (f) B6, 800°C, 4°C/s

Rys. 5.1. Mikrostruktury stali X65 po procesie kontrolowanego walcowania uzyskane za pomocą

mikroskopii optycznej. Próbki odkształcono zgodnie z warunkami podanymi w tablicy 4.3: B1 - (a); B2 -

93 5.1.2 Badania własności mechanicznych

Poddany badaniom własności mechanicznych materiał charakteryzował się dużym zróżnicowaniem mikrostruktury w efekcie zastosowanych schematów procesu kontrolowanego walcowania. Wykorzystując rzeczywiste wykresy rozciągania oraz w oparciu o kryterium Considére wyznaczona została wielkość maksymalnego całkowitego odkształcenia równomiernego ε_r dla poszczególnych próbek, reprezentujących różne historie odkształcania oraz stopień rozdrobnienia i niejednorodności mikrostruktury. Uzyskane wyniki badań dla stali X65 przedstawiono na rys. 5.2.

(a) B1, 1000°C, 0.2°C/s (b) B2, 800°C, 0.2°C/s

(c) B3, 800°C, 4°C/s (d) B4, 840°C, 4°C/s

(e) B5, 840°C, 4°C/s (f) B6, 840°C, 4°C/s

Rys. 5.2. Zastosowanie kryterium Conisdére do wyznaczenia maksymalnego całkowitego wydłużenia

równomiernego ε_r stali X65 po procesie kontrolowanego walcowania: B1 - (a); B2 - (b); B3 - (c); B4 -

94 Natomiast wartości: maksymalnego całkowitego wydłużenia równomiernego, maksymalnego wydłużenia całkowitego, wiązkości, wytrzymałości na rozciąganie oraz współczynnika formowalności odkształconej stali zestawiono w tablicy 5.1.

Tablica 5.1. Wyniki badań własności mechanicznych stali X65 po procesie kontrolowanego walcowania,

który przeprowadzono zgodnie ze schematami przedstawionymi w tablicy 4.3.

Na podstawie uzyskanych wyników można zauważyć, iż najwyższe wartości całkowitego maksymalnego odkształcenia równomiernego εr uzyskano dla schematów odkształcania 5 i 6, w których próbki nagrzewano do temperatury 1000°C i odkształcano odpowiednio w 840 i 800°C. Należy jednak zwrócić uwagę, iż dla próbki B6 dla której uzyskano najniższy poziom rozdrobnienia ferrytu wartość maksymalnego całkowitego wydłużenia jest największa. Wynika z tego, iż przyrost maksymalnego całkowitego wydłużenia jest spowodowany przyrostem wydłużenia przewężeniowego

εp, co jest charakterystyczną cechą materiałów o strukturach silnie rozdrobnionych. Zmiana prędkości chłodzenia z 0.2 na 4 °C/s w przypadku schematów odkształcania 2 i 3 spowodowała większe rozdrobnienie ziarna ferrytu w paśmie B3 niż w próbce B2. Natomiast obecność plastycznego bainitu mogła przyczynić się do poprawy własności plastycznych w porównaniu do próbki B2. Konsekwencją tak zastosowanego schematu odkształcania jest uzyskanie materiału charakteryzującego się wysokimi własności wytrzymałościowymi bez obniżenia własności plastycznych. Najniższą wartość odkształcenia rzeczywistego odpowiadającą procesowi rozpoczęcia przewężenia w próbie rozciągania widoczna jest dla schematu 2. Natomiast najwyższą wiązkość, uwzględniającą zarówno własności wytrzymałościowe i plastyczne posiadało pasmo B3 o niejednorodnej mikrostrukturze, w której widoczne są obszary drobnych ziaren ferrytu otoczone ziarnami większymi (rys. 5.1c).

Z uwagi na zawartość w badanej stali mikrododatków stopowych, takich jak Al, Ti i Nb (tablica 3.1) w rozwoju mikrostruktury należy również uwzględnić wpływ procesów wydzieleniowych. Zależność rozpuszczalności wydzieleń w stali mikroskopowej (HSLA) od zastosowanej temperatury nagrzewania widoczna jest na rys. 5.3a. Na szczególną uwagę spośród mikrododatków stopowych zasługuje Nb. Zastosowana temperatura nagrzewania przed procesem odkształcania jest wyższa od temperatury rozpuszczania Nb(C,N), co powoduje przejście Nb do roztworu, który segregując do granic ziaren austenitu wzmacnia je, a tym samym opóźnia rekrystalizację statyczną. Temperatura zatrzymania rekrystalizacji RST (z ang.

Recrystallization Stop Temperature), czyli temperatura, w której proces wydzieleniowy

poprzedza proces rekrystalizacji statycznej i uniemożliwia zajście rekrystalizacji, w wyniku czego dochodzi do umocnienia austenitu, zmienia się w zależności od

95 zawartości Nb (rys. 5.3b). Na przykład dla zawartości 0.04% Nb temperatura zatrzymania rekrystalizacji wynosi około 920°C.

(a) (b)

Rys. 5.3. Wpływ temperatury na rozpuszczalność wydzieleń w stali mikroskopowej (HSLA) [82] - (a)

oraz zależność temperatury zatrzymania rekrystalizacji RST od zawartości Nb w roztworze - (b) [13], [37].

W zakresie zastosowanych temperatur odkształcania 800÷1000°C w wyniku akumulacji odkształcenia z poprzednich przepustów zachodzi proces wydzieleniowy Nb(C,N). Wydzielenia lokują się na granicach ziaren austenitu utrudniając jego rekrystalizację. Następuje silne odkształcenie ziaren austenitu, które przyjmują charakterystyczny spłaszczony kształt. Wynikające z silnego odkształcenia austenitu dodatkowe miejsca zarodkowania ferrytu (pasma poślizgu, przecięcia i sploty dyslokacji) przyspieszają przemianę fazową, co prowadzi do rozdrobnienia powstającego ferrytu. Można również zauważyć, iż porównując schematy odkształcania 4 i 5 zastosowanie wyższej temperatury nagrzewania spowodowało całkowite rozpuszczenie obecnych w osnowie wydzieleń Nb(C,N). Natomiast zmiana prędkości chłodzenia z 0.2 na 4 °C/s w przypadku schematów odkształcania 2 i 3 spowodowała, iż w mikrostrukturze zamiast perlitu widoczny jest bainit.

Przeprowadzona analiza mikrostruktury oraz badań własności mechanicznych potwierdzają, iż zastosowanie różnej historii odkształcania w procesie kontrolowanego walcowania umożliwia sterowanie rozdrobnieniem ziaren ferrytu. Konsekwencją niejednorodności tak uzyskanych mikrostruktur są różnice we własnościach wytrzymałościowych i plastycznych.

96