Materiał badawczy

Metale i stopy o silnie rozdrobnionej mikrostrukturze, często do poziomu nanokrystalicznego, odgrywają coraz większą rolę w osiąganiu strukturalnej i funkcjonalnej integralności. Materiały ultradrobnoziarniste mają już za sobą pierwsze testy wytwarzania w skali przemysłowej, a dostępne obecnie technologie pozwalają na otrzymanie ich w stosunkowo dużych ilościach (w postaci blach, prętów i drutów). Coraz częściej wśród tego typu materiałów konstrukcyjnych pojawiają się nowoczesne stale np. mikroskopowe czy wielofazowe, które swoje podstawowe własności zawdzięczają oddziaływaniu złożonych mechanizmów umocnienia, w tym wydzieleniowego i roztworowego. Ich wyjątkowa atrakcyjność wynika przede wszystkim jednak z dużej odporności na działanie niekorzystnych warunków eksploatacyjnych m.in. dużych gradientów temperatury i obciążeń udarowych. To z kolei, jest efektem m.in. silnego rozdrobnienia mikrostruktury. W pracy przeprowadzona została analiza materiałów wielowarstwowych i niejednorodnych, jako efekt oddziaływania różnych mechanizmów umocnienia. Uzyskana w ten sposób wiedza umożliwia rozszerzenie możliwości przewidywania i kontrolowania rozwoju mikrostruktury materiałów ultradrobnoziarnistych i nanostrukturalnych w ujęciu wieloskalowym, dając równocześnie możliwość optymalizacji działania w tych warunkach złożonych mechanizmów umocnienia. W konsekwencji uzyskuje się poprawę własności mechanicznych i eksploatacyjnych stwarzających nowe obszary zastosowań.

W celu dokonania właściwej analizy mechanizmów umocnienia do badań wytypowane zostały dwie charakterystyczne grupy materiałów: tzw. tradycyjne materiały, w których silnemu rozdrobnieniu mikrostruktury towarzyszą inne mechanizmy umocnienia (wydzieleniowe i roztworowe) oraz nowe, o zaprojektowanym składzie chemicznym i wytworzonej specjalnej mikrostrukturze, umożliwiającej w maksymalnym stopniu osiągnięcie celu głównego tj. wytworzenie i badanie niejednorodnych materiałów gradientowych z silnie odkształconymi składnikami strukturalnymi (ziarna, koloniami perlitu lub bainitu), w których osnowę stanowią ferryt lub austenit. W pracy stosowane

75

są pojęcia austenitu mikrostopowego (M_A) oraz ferrytu mikrostopowego (M_F). Będą to materiały o strukturze ferrytycznej i austenitycznej z dodatkami mikrostopowymi, dzięki którym obserwowane jest występowanie umocnienia wydzieleniowego i roztworowego. Podstawowe różnice między nimi wynikają z różnego składu strukturalnego jako efekt składu chemicznego, są to głównie dwufazowe kompozycje mikrostrukturalne umocnione cząstkami faz obcych, przede wszystkim dyspersyjnymi wydzieleniami Nb i Ti. Skład chemiczny zastosowanych materiałów zaprezentowano w Tablica 1. Ponadto, w pracy wykorzystana została komercyjna stal o strukturze ferrytycznej z dodatkami mikrostopowymi wykorzystywana do produkcji rurociągów - API X70. Materiały badawcze poddane zostały różnym procesom przeróbki plastycznej, co pozwoliło na przeprowadzenie analizy wpływu mechanizmów umocnienia, które towarzyszą różnym schematom mechanicznym odkształcania (odkształcenia i naprężenia) oraz wpływu na własności mechaniczne i zmiany mikrostrukturalne również w poszczególnych warstwach wytworzonych materiałów wielowarstwowych.

Tablica 1. Skład chemiczny stali zastosowany w badaniach doświadczalnych (w % wagowych).

C Si Mn P S Cr Ni Ti Nb N

X70 0,07 0,29 1,65 0,012 0,002 0,021 0,028 0,021 0,07 0,0045 M_F 0,07 0,27 1,36 - - - 0,08 0,031 0,067 0,0098 M_A 0,047 0,3 1,64 <0,001 0,008 <0,005 30,8 0,002 0,097 -

W stalach mikrostopowych poddanych przeróbce plastycznej silna akumulacja energii odkształcenia oraz obecność dodatków mikrostopowych stanowią podstawowe źródło generowania mechanizmów umocnienia. W przypadku stali z dodatkiem Nb szczególnie istotnym jest, z punktu widzenia umocnienia, występowanie dyspersyjnych cząstek indukowanych odkształceniem tj. Nb(C,N). Połączenie obecności takich cząstek i ich oddziaływania z dyslokacjami wg. mechanizmu Orowana oraz umocnienia roztworowego pozwala na uzyskanie wzrostu własności wytrzymałościowych materiału, wraz ze wzrostem intensywności odkształcenia.

Wykorzystane w pracy stale mikrostopowe typu X70 oraz M_F w nieznaczny sposób różnią sią składem chemicznym, niemniej różnice w zawartości Mn oraz Ti stanowią źródło istotnych różnic we własnościach mechanicznych oraz w charakterystyce mikrostruktury. Ponadto materiały te ze względu na historie zastosowanej procesy

76

przeróbki plastycznej różniły się mikrostrukturą oraz jej rozkładem objętościowym. Stal X70 została zastosowana do badań w postaci blachy w stanie po walcowaniu na gorąco natomiast stal M_F w postaci walcówki.

Wykorzystany w badaniach modelowy stop austenitu (M_A) został zaprojektowany w celu oceny różnic w mechanizmach umocnienia w zależności od rodzaju sieci krystalicznej. Wysoka zawartość Nb w składzie chemicznym pozwoliła na wykorzystanie umocnienia wydzieleniowego w celu uzyskania wysokich własności wytrzymałościowych przy zachowaniu dobrej plastyczności materiału.

Stal w gatunku X70 stosuje się głównie przy produkcji rurociągów ze względu na wysokie własności wytrzymałościowe (przede wszystkim udarność), dobrą odporność na korozję atmosferyczną oraz dobrą spawalność. Dodatki mikrostopowe takie jak Nb i Ti oraz proces termomechanicznej przeróbki pozwalają na uzyskanie dużego rozdrobnienia ziarna, zwiększając tym samym wytrzymałość materiału. W stalach tego typu nawet niewielki dodatek któregokolwiek z niepożądanych pierwiastków może w istotny sposób wpłynąć na własności mechaniczne, dlatego też w znaczny sposób ograniczona jest zawartość S, P czy też O. Zestawienie wyników badań własności mechanicznych przeprowadzonych dla stali X70 przedstawiono w Tablica 2.

Tablica 2. Najważniejsze własności wytrzymałościowe materiałów wykorzystanych w badaniach.

Rp0,2, MPa Rm, MPa A50, %

X70 580 660 36

M_F 430 630 28

M_A 500 600 30

Rys. 3.1 Mikrostruktura stali mikrostopowej X70, próbki pobranej ze środka blachy po walcowaniu na gorąco, w kierunku prostopadłym do RD.

77

Stal X70 charakteryzuje się strukturą ferrytyczno-perlityczną (Rys. 3.1). Na tle jasnego ferrytu występują kolonie perlitu. Średnia wielkość ziarna ferrytu wynosiła ok. 20μm. Udział objętościowy perlitu wynosił ok 10%. Obecność w takiej ilości perlitu odgrywa bardzo ważną rolę w kształtowaniu własności wytrzymałościowych stali X70. Mikrostruktura przedstawiona na Rys. 3.1 ukazuje typowe układy pasmowe perlitu. Charakterystyczną cechą stali M_F jest korzystna kombinacja własności wytrzymałościowych i plastycznych, uzyskiwane dzięki zastosowaniu przeróbki cieplno-mechanicznej. Pozwala to między innymi wyeliminować kosztowne zabiegi obróbki cieplnej stosowanej zazwyczaj do poprawy własności. Z kolei mała zawartość węgla gwarantuje dobrą spawalność, a pierwiastki mikrostopowe takie jak Nb zapewniają niską temperaturę przejścia w stan kruchy. Te i inne zalety stali z dodatkami mikrostopowymi, w porównaniu ze stalami np. perlitycznymi o podobnych poziomach wytrzymałości, sprawiają, że stają się one coraz powszechniej stosowane na całym świecie, wypierając z rynku inne gatunki.

Stal M_F posiadała granicę plastyczności na poziomie 420 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie równą 630 MPa. Własności plastyczne wynosiły odpowiednio wydłużenie całkowite 28% oraz przewężenie równe 70%. Obserwacje mikrostruktur zastosowanej do badań walcówce ze stali M_F przeprowadzono zarówno w osi jak i w warstwach powierzchniowych. Obserwowana mikrostruktura charakteryzowała się obecnością zarówno ferrytu ziarnistego, jaki bainitu. Udział objętościowy bainitu jest znacznie mniejszy i jest on rozproszony znacznie bardziej w środku próbki,

Rys. 3.2 Mikrostruktura stali ferrytycznej M_F w walcówce o średnicy 6,5 mm. Zdjęcia mikrostruktur wykonano na przekroju poprzecznym przy powierzchni –a); i w środku walcówki –c); oraz przekroju wzdłużnym przy powierzchni –b); oraz w środku –d) [133].

78

niż w warstwie powierzchniowej. Średnia wielkość zmierzonego ziarna ferrytu wynosiła 25μm. Obrazy mikrostruktur stali M_F zarówno na przekroju poprzecznym jak i wzdłużnym przedstawione zostały na Rys. 3.2.

Modelowy stop austenitu mikrostopowego został zaprojektowany w celu umożliwienia oceny działania mechanizmów umocnienia austenicie w temperaturze pokojowej. Skład chemiczny badanej stali (Tablica 1) zawierający dodatki Nb i Ti pozwolił na śledzenie oddziaływania efektów umocnienia na strukturę austenityczną. Dodatkową cechą charakterystyczną austenitu mikrostopowego jest niska energia błędu ułożenia (EBU), co prowadzi do ograniczonego wspinania się dyslokacji krawędziowych oraz poślizgu poprzecznego.

Zmierzona granica plastyczności austenitu mikrostopowego wynosiła 500 MPa, natomiast wytrzymałość na rozciąganie 600 MPa. Własności plastyczne badanego materiału, reprezentowane przez wydłużenie i przewężenie i wynosiły odpowiednio 30% oraz 70%.

Oprócz przedstawionych stali z mikrododatkami stopowymi w badaniach wykorzystano inne stale w celu zademonstrowania istotnych różnic w związkach pomiędzy historią odkształcania a mechanizmami umocnienia, zwłaszcza w układach wielowarstwowych. Szczegółowa charakterystyka tych materiałów badawczych, zarówno własności mechaniczne, jak i składy chemiczne i mikrostrukturalne zostaną przedstawione w rozdziałach, w których będą one omawiane.

Rys. 3.3 Mikrostruktura stali austenitycznej M_A pobrana z płaskownika po walcowaniu na gorąco wykonana na przekroju poprzecznym z wykorzystaniem światła spolaryzowanego.

79