Celem przeprowadzonych badań doświadczalnych oraz analizy mikrostruktury materiałów uzyskanych w procesie kątowego wielostopniowego ciągnienia było stwierdzenie czy występują i na ile istotne są związki pomiędzy historią odkształcania a zmianami w mikrostrukturze i niejednorodnością odkształcenia, co jak wiadomo ma wpływ na własności mechaniczne. Proces ciągnienia wyróżnia się spośród innych procesów przeróbki plastycznej silną niejednorodnością odkształcenia ze względu na charakter przepływu materiału przez stożkową strefę odkształcania ciągadła. W wykorzystanych badaniach nowy proces KWC w znacznie większym stopniu wprowadza niejednorodność odkształcenia do procesu rozwoju mikrostruktury w porównaniu do procesów tradycyjnego ciągnienia. Podstawową tego przyczyną jest sposób odkształcania opisany w podrozdziale 4.3.3.
5.3.1 Badania mikrostruktury
Na przedstawionych obrazach mikrostruktury z wykorzystaniem mikroskopii optycznej (rys. 5.16, 5.17, 5.18) wyraźnie widać charakterystyczne dla procesu ciągnienia wydłużenie ziaren w kierunku płynięcia materiału.
przekrój wzdłużny, środek
(a) schemat tradycyjny (b) schemat korbowy (c) schemat schodkowy
Rys. 5.16. Mikrostruktury stali niskowęglowej C2D1 wyżarzone w temperaturze 500°C po procesie KWC (2 etapy) - schemat tradycyjny (a); korbowy - (b); schodkowy - (c) uzyskane za pomocą mikroskopii optycznej. Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano na przekroju wzdłużnym w środku ciągnionych drutów.
Zastosowanie silnej akumulacji odkształcenia dzięki złożonej historii odkształcania przyczyniło się do niejednorodnego rozwoju mikrostruktury.
110 W warstwach przypowierzchniowych, gdzie akumulacja odkształcenia była silniejsza w porównaniu do środka drutów stopień odkształcenia mikrostruktury był większy.
przekrój wzdłużny, warstwa przypowierzchniowa (a) schemat tradycyjny
(b) schemat korbowy
Rys. 5.17. Mikrostruktury stali niskowęglowej C2D1 wyżarzone w temperaturze 500°C po procesie KWC (2 etapy) - schemat tradycyjny (a); korbowy - (b) uzyskane za pomocą mikroskopii optycznej. Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano na przekroju wzdłużnym w warstwie przypowierzchniowej ciągnionych drutów.
W przypadku stali niskowęglowej (C2D1) charakterystyczne jest, że dla schematu schodkowego odkształcenie ziaren w osi ciągnionego drutu było najmniejsze (rys. 5.16c) w porównaniu do dwóch pozostałych schematów ustawień ciągadeł. Natomiast w przypadku stali Y można zauważyć, że zastosowanie schematu schodkowego spowodowało większe odkształcenie warstw powierzchniowych niż w schemacie tradycyjnym (rys. 5.18a i c), co jest wynikiem nie tylko redukcji średnicy ale przede wszystkim nagniatania, zginania i skręcania materiału ciągnionego.
Potwierdzają to również mikrostruktury przekroju poprzecznego, gdzie przy powierzchni wyrobów ciągnionych (rys. 5.18f) widoczne są obszary z bardziej odkształconą mikrostrukturą aniżeli obszary bliżej osi drutów.
Analiza mikrostruktur z wykorzystaniem metody EBSD potwierdza podobnie jak analiza z wykorzystaniem mikroskopii optycznej, iż zastosowanie zmiennej drogi odkształcenia wpływa na rozwój mikrostruktury wyrobów ciągnionych. Wyniki analizy EBSD dla próbek wyżarzonych w temperaturze 500°C ze stali niskowęglowej uzyskanych w dwuetapowym procesie KWC z zastosowaniem schematu ustawienia ciągadeł: tradycyjnego, schodkowego i korbowego przedstawiono na rys. 5.19 i 5.20. Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano w warstwie przypowierzchniowej oraz w środku ciągnionych drutów.
111
schemat tradycyjny - przekrój wzdłużny (a) warstwa przypowierzchniowa (b) środek
schemat schodkowy - przekrój wzdłużny (c) warstwa przypowierzchniowa (d) środek
przekrój poprzeczny
(e) schemat tradycyjny (f) schemat schodkowy
Rys. 5.18. Mikrostruktury stali Y wyżarzone w temperaturze 500°C po procesie KWC (2 etapy) -
schemat tradycyjny (a), (b), (e) oraz schodkowy (c), (d), (f) uzyskane za pomocą mikroskopii optycznej. Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano na przekroju poprzecznym - (e), (f) i wzdłużnym w warstwie przypowierzchniowej - (a), (c) oraz w środku - (b), (d) ciągnionych drutów.
112
(a) schemat tradycyjny, warstwa przypowierzchniowa drutu
(b) schemat tradycyjny, środek drutu
(c) schemat korbowy, warstwa przypowierzchniowa drutu
(d) schemat korbowy, środek drutu
Rys. 5.19. Wyniki analizy EBSD dla próbek wyżarzonych w temperaturze 500°C ze stali C2D1
uzyskanych w dwuetapowym procesie KWC z zastosowaniem schematu ustawienia ciągadeł: tradycyjnego - (a) i (b) oraz korbowego - (c) i (d). Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano na przekroju wzdłużnym w warstwie przypowierzchniowej - (a), (c) oraz w środku - (b), (d) ciągnionych drutów.
We wszystkich rozpatrywanych schematach ustawień ciągadeł widoczny jest zwiększony udział objętościowy ziaren z granicami wąskokątowymi w obszarach bliżej osi drutów w porównaniu do warstw przypowierzchniowych. Dla schematu schodkowego i korbowego wartości te były większe w porównaniu do schematu tradycyjnego, co jest związane z dodatkowym odkształceniem wynikającym z nagniatania, zginania i skręcania materiałów ciągnionych.
113
(c) schemat schodkowy, warstwa przypowierzchniowa drutu
(d) schemat schodkowy, środek drutu
Rys. 5.20. Wyniki analizy EBSD dla próbek wyżarzonych w temperaturze 500°C ze stali C2D1
uzyskanych w dwuetapowym procesie KWC z zastosowaniem schematu schodkowego ustawienia ciągadeł. Zmiany w rozwoju mikrostruktury obserwowano na przekroju wzdłużnym w warstwie przypowierzchniowej - (a) oraz w środku - (b) ciągnionego drutu.
Energia odkształcenia po silnym odkształceniu na zimno w procesie KWC zmagazynowana jest w postaci podstruktury dyslokacyjnej. W wyniku wyżarzania w temperaturze 500°C obserwuje się proces zmiany tej podstruktury w stabilną mikrostrukturę z ziarnami o granicach szerokokątowych. Większy udział ziaren z tymi granicami widoczny jest dla warstw przypowierzchniowych ze względu na silniejsze ich odkształcenie w procesie KWC (rys. 5.21).
(a) (b)
Rys 5.21. Zbiorczy rozkład częstości względnej występowania ziaren z granicami o danym kącie
dezorientacji dla stali C2D1 wyżarzonej w 500°C po procesie KWC (2 etapy): warstwa przypowierzchniowa - (a) oraz środek - (b) ciągnionych drutów.
114 5.3.2 Badanie własności mechanicznych
Wykonane badania pozwoliły na przeprowadzenie oceny jakościowej wpływu niejednorodnego rozwoju mikrostruktury na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych. Rzeczywiste krzywe rozciągania wyżarzonych w temperaturze 500°C ciągnionych drutów ze stali C2D1 uzyskanych w dwuetapowym procesie KWC z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego, korbowego oraz schodkowego widoczne są na rys. 5.22. Druty uzyskane w wyniku zastosowania schematu schodkowego ustawień ciągadeł wykazały najlepszą kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych w porównaniu do schematu tradycyjnego i korbowego.
Rys. 5.22. Rzeczywiste krzywe rozciągania ciągnionych drutów ze stali C2D1 wyżarzonych
w temperaturze 500°C uzyskanych w dwuetapowym procesie KWC z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego, korbowego oraz schodkowego.
Wykorzystując rzeczywiste wykresy rozciągania oraz w oparciu o kryterium Considére wyznaczona została wielkość maksymalnego całkowitego odkształcenia równomiernego εr dla poszczególnych wyrobów ciągnionych z uwzględnieniem zastosowanych schematów ustawień ciągadeł w procesie KWC. Uzyskane wyniki badań dla stali niskowęglowej (C2D1) oraz stali mikroskopowej (Y) przedstawiono odpowiednio na rys. 5.23 i 5.24.
W przypadku stali C2D1 największą wartość całkowitego maksymalnego wydłużenia równomiernego uzyskano dla schematu schodkowego ustawień ciągadeł, która wyniosła εr = 0.019. Na podstawie otrzymanych własności mechanicznych wyrobów ciągnionych wyżarzonych w temperaturze 500°C ze stali C2D1 w dwuetapowym procesie KWCprzedstawionych w tablicy 5.6 można zauważyć, że również dla tego schematu uzyskano najlepszą kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych porównując wartości wiązkości czy współczynnika formowalności.
115
(a) schemat tradycyjny
(b) korbowy (c) schodkowy
Rys.5.23. Zastosowanie kryterium Conisdére do wyznaczenia maksymalnego całkowitego wydłużenia
równomiernego εr wyżarzonych w temperaturze 500°C wyrobów ciągnionych ze stali C2D1 uzyskanych w procesie KWC z zastosowaniem schematu ustawienia ciągadeł: tradycyjnego - (a), korbowego - (b) oraz schodkowego - (c).
Tablica 5.6 Wyniki badań własności mechanicznych wyżarzonych w temperaturze 500°C wyrobów
ciągnionych ze stali C2D1 w dwuetapowym procesie KWC.
Zmiana materiału badawczego ze stali C2D1 na stal Y, która charakteryzuje się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi nie spowodowała różnicy w maksymalnym całkowitym wydłużeniu równomiernym we wszystkich rozpatrywanych schematach odkształceń. Dla dwu-, jak i trzyetapowego procesu KWC uzyskano bardzo niską wartość maksymalnego całkowitego wydłużenia równomiernego równą εr = 0.005. Krzywe rozciągania miały charakterystyczny kształt (rys. 5.24), wraz ze wzrostem odkształcenia można zaobserwować niemal liniowy przyrost naprężenia uplastyczniającego aż do pewnej wartości maksymalnej po przekroczeniu której rozpoczynała się lokalizacja odkształcenia w rozciąganych próbkach.
116
schemat tradycyjny
(a) proces dwuetapowy (b) proces trzyetapowy
schemat schodkowy
(c) proces dwuetapowy (d) proces trzyetapowy
Rys. 5.24. Zastosowanie kryterium Conisdére do wyznaczenia całkowitego maksymalnego wydłużenia
równomiernego εr wyżarzonych w temperaturze 500°C wyrobów ciągnionych ze stali C2D1 uzyskanych w dwuetapowym - (a), (c) oraz trzyetapowym - (b), (d) procesie KWC z zastosowaniem schematu ustawienia ciągadeł: tradycyjnego - (a), (b) oraz schodkowego - (c), (d).
Jak wiadomo w momencie, w którym rozpoczyna się proces przewężenia materiał odkształca się nierównomiernie, co w konsekwencji prowadzi do jego zerwania. Jednak co jest ciekawym spostrzeżeniem, materiał zaczął się ponownie umacniać. Takie zachowanie się materiału może świadczyć, że zastosowana temperatura wyżarzania 500°C ułatwia przemieszczanie się zablokowanych dyslokacji swobodnych powstałych w efekcie silnej akumulacji odkształcenia w procesie KWC prowadząc do ponownego przyrostu naprężenia uplastyczniającego wraz z odkształcaniem w próbie rozciągania. W tablicy 5.7 zestawiono uzyskane własności mechaniczne dla wyrobów ciągnionych wyżarzonych w temperaturze 500°C ze stali Y.
Na podstawie wartości wydłużenia całkowitego, wiedząc iż wartość całkowitego maksymalnego wydłużenia nie ulega zmianie można stwierdzić, iż znaczącą rolę odgrywa wydłużenie przewężeniowe. Dlatego w przypadku materiałów o obniżonej
ciągliwości powinno uwzględniać się nie tylko całkowitego wydłużenie równomierne, ale również wydłużenie przewężeniowe, ponieważ zastosowanie korzystnego stanu naprężeń umożliwi dalszą przeróbkę plastyczną tych materiałów.
117
Tablica 5.7 Wyniki badań własności mechanicznych wyrobów ciągnionych ze stali Y w dwu- oraz
trzyetapowym procesie KWC wyżarzonych w temperaturze 500°C.
Większe różnice we własnościach mechanicznych widoczne są dla drutów ze stali Y w przypadku których zastosowano różne temperatury wyżarzania. Wpływ temperatury wyżarzania na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych ze stali Y w dwuetapowym oraz trzyetapowym procesie KWC z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego i schodkowego przedstawiono na rys. 5.25.
schemat tradycyjny
(a) proces dwuetapowy (b) proces trzyetapowy
schemat schodkowy
(c) proces dwuetapowy (d) proces trzyetapowy
Rys. 5.25. Wpływ temperatury wyżarzania na własności mechaniczne wyrobów ciągnionych
w dwuetapowym - (a), (c) oraz trzyetapowym - (b), (d) procesie KWC z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego - (a) i (b), schodkowego - (c) i (d).
118 We wszystkich rozpatrywanych przypadkach, niezależnie od zastosowanych schematów ustawień ciągadeł widoczny jest podobny charakter krzywych rozciągania zarówno dla materiałów umocnionych, czy dla tych samych temperatur wyżarzania.
Porównanie wartości maksymalnego całkowitego odkształcenia równomiernego εr dla stali Y w stanie umocnionym odkształceniem w dwuetapowym oraz trzyetapowym procesie KWC oraz po wyżarzaniu w temperaturze 700°C z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego i schodkowego widoczne jest na rys. 5.26.
schemat tradycyjny
(a) proces dwuetapowy (b) proces trzyetapowy
schemat schodkowy
(c) proces dwuetapowy (d) proces trzyetapowy
Rys. 5.26. Porównanie wartości maksymalnego całkowitego odkształcenia równomiernego εr dla stali Y w stanie umocnionym odkształceniem w dwuetapowym - (a), (c) oraz trzyetapowym - (b), (d) procesie KWC oraz po wyżarzaniu w temperaturze 700°C z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjny - (a) i (b), schodkowy - (c) i (d).
W celu określenia wpływu temperatury wyżarzania na własności mechaniczne i ich niejednorodność w wyrobach ciągnionych uzyskanych w dwu- i trzyetapowym procesie KWC porównano rozkłady twardości stali Y dla schematów ustawień ciągadeł: tradycyjnego oraz schodkowego (rys. 5.27).
Pomiary twardości przeprowadzono na przekroju poprzecznym. Wykonano pomiar w środku drutu (HV1środka), a następnie 16 odcisków co około 22° wzdłuż obwodu ciągnionych wyrobów.
Charakterystycznym jest, że we wszystkich rozpatrywanych przypadkach twardość mierzona w osi drutów była większa niż twardość w warstwach
119 przypowierzchniowych. Wskazuje to na złożony mechanizm umacniania się ciągnionego materiału w warunkach procesu KWC, wynikający przede wszystkim z uzyskanej niejednorodności odkształcenia. Niemniej, w przypadku tradycyjnego procesu ciągnienia obserwowane rozkłady twardości również wykazują podobne przebiegi. Wynika z tego wniosek, że pomiary lokalnych własności mechanicznych, reprezentowane w tym wypadku przez twardości nie stanowią skutecznego sposobu wyznaczania różnic pomiędzy ciągnieniem KWC i tradycyjnym. Natomiast zgodnie z oczekiwaniami widoczny jest spadek twardości wraz ze wzrostem temperatury wyżarzania.
schemat tradycyjny
(a) proces dwuetapowy (b) proces trzyetapowy
schemat schodkowy
(c) proces dwuetapowy (d) proces trzyetapowy
Rys. 5.27. Wpływ temperatury wyżarzania na twardość wyrobów ciągnionych ze stali Y
w dwuetapowym - (a), (c) oraz trzyetapowym - (b), (d) procesie KWC z uwzględnieniem schematów ustawienia ciągadeł: tradycyjnego - (a) i (b), schodkowego - (c) i (d).
Podsumowując uzyskane wyniki można stwierdzić, że na tym etapie badań
procesu KWC otrzymane półwyroby w postaci drutów ciągnionych z dużą niejednorodnością odkształcenia nie wykazują istotnego zróżnicowania własności mechanicznych w stosunku do wyrobów ciągnionych tradycyjną metodą.
120
6 Zastosowanie modelowania komputerowego
do oceny własności plastycznych
Modelowanie własności mechanicznych materiałów o strukturach silnie rozdrobnionych z wykorzystaniem symulacji komputerowych wymaga zaproponowania nowego lub zmodyfikowanego modelu reologicznego, który uwzględni charakterystyczną dla tych materiałów dużą niejednorodność mikrostruktury i własności mechanicznych. Ograniczoną zdolność do odkształceń równomiernych można wytłumaczyć uwzględniając niestabilność plastyczną. Jak już wcześniej wspomniano, na podstawie krzywych rozciągania, przy wykorzystaniu kryterium Considére istnieje możliwość wyznaczenia maksymalnej wartości wydłużenia równomiernego. Celem przeprowadzonych symulacji komputerowych było sprawdzenie możliwości oceny niestabilności plastycznej w próbie rozciągania przy zastosowaniu kryterium Considére. Analizowano wpływ wielkości odkształcenia zakumulowanego w procesie wieloosiowego ściskania (system MaxStrain) na własności końcowe otrzymanych materiałów. Schematy procesu odkształcania w procesie wieloosiowego ściskania zostały opisane w podrozdziale 4.3.2. W wykonanych symulacjach komputerowych analizowano wpływ wielkości odkształcenia zakumulowanego 2 i 15 na wartość wydłużenia równomiernego.