Widok Zmiany struktury ferrytycznej stali odpornej na korozję podczas odkształcania plastycznego na ciepło

Dr inŜ. Jarosław SAMOLCZYK Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań Dr inŜ. Tomasz KACHLICKI Politechnika Poznańska, Poznań

Zmiany struktury ferrytycznej stali odpornej

na korozję podczas odkształcania plastycznego

na ciepło

Changes of the ferritic structure of corrosion resistant steel

during warm forming

Streszczenie

W artykule omówiono wyniki badań strukturalnych stali X3CrTi17 po obróbce plastycznej na ciepło. ZaleŜność wielkości napręŜeń uplastyczniających od temperatury odkształcania stali X3CrTi17 wyznaczono podczas spę-czania próbek Rastiegajewa. Zaobserwowano, Ŝe podczas odkształcania plastycznego w badanych materiałach zachodzą procesy dynamicznej odbudowy struktury. Otrzymane wyniki pozwalają skutecznie przewidywać koń-cową strukturę i właściwości wyrobów ze stali typu X3CrTi17, odpornej na korozję, po obróbce plastycznej na ciepło.

Abstract

The dependence of the yield stress on the temperature of X3CrTi17 steel deformation has been determined while upsetting Rastegaev samples. It has been found that during plastic deformation, processes of dynamic structure rebuilding take place in the examined materials. The results obtained allow to forsee the final struc-ture and properties of products made of X3CrTi17 type steels resistant to corrosion after warm forming.

Słowa kluczowe: badania plastometryczne przez zgniot, odkształcenie plastyczne, zdrowienie dynamiczne, rekrystalizacja dynamiczna, rozmiary ziarna

Key words: plastometric investigation by cold work, plastic deformation, dynamic recovery, dynamic

recrystallization, grain size

1. WSTĘP

Odkształcanie metali na ciepło jest od wie-lu lat przedmiotem systematycznych badań. Podczas odkształcania stali na ciepło, ustala się stan napręŜenia uplastyczniającego, który osiąga się poprzez równowagę pomiędzy pro-cesami umocnienia i jednoczesnego zmiękcza-nia spowodowanego zdrowieniem lub rekrysta-lizacją [1, 2, 3].

W artykule podano wyniki badań wpływu parametru odkształcania plastycznego na ciepło na zmiany właściwości mechanicznych i struk-tury stali ferrytycznej odpornej na korozję X3CrTi17. Technologiczną plastyczność okre-ślono na podstawie badań plastometrycznych

przez zgniot w statycznej próbie ściskania w zakresie temperatury 200°C÷1000C° z pręd-kością odkształcenia

•

ε= 0,21s-1 . Przeprowa-dzone badania wykazały istotne zmiany w strukturze podczas procesu odkształcania na ciepło stali ferrytycznej odpornej na korozję X3CrTi17.

2. METODYKA BADAŃ

Materiałem do badań była stal ferrytyczna odporna na korozję X3CrTi17 wg PN-EN 10088-1:1988 (gatunek 1.4510 wg EN 10270) o składzie chemicznym podanym w tabeli 1.

Tabela 1. Skład chemiczny stali

Table 1. Chemical composition of the steel used in the investigation

Zawartość pierwiastków,% Znak stali

C Si Mn P S Cr Cu Mo Ni Ti.

X3CrTi17 0,04 0,55 0,28 0,020 0,005 16,97 0,05 0,040 0,12 0,57

Wykonano próbki do badań o początkowej wysokości ho=11 mm i średnicy początkowej

0

φ

=11 mm z wytoczeniami u podstaw. Naprę-Ŝenia uplastyczniające stali X3CrTi17 wyzna-czono w statycznej próbie ściskania [4] w za-kresie temperatury 200°÷1000°C z prędkością odkształcania

•

ε

= 0,21s-1. Aby określić wpływ parametrów procesu odkształcania na strukturę, bezpośrednio po odkształceniu, próbki chło-dzono w wodzie. Badania struktury prowadzo-no za pomocą mikroskopu świetlnego, skanin-gowego wraz z mikroanalizatorem rentgenow-skim oraz mikroskopu elektronowego techniką cienkich folii.

3. WYNIKI BADAŃ

Struktura badanej stali X3CrTi17 w stanie normalizowanym, to ferryt chromowy z wy-dzielonymi węglo-azotkami tytanu (rys. 1).

Rys. 1. Stal X3CrTi17 w stanie normalizowanym

Fig. 1. X3CrTi17 steel in normalized condition

Za pomocą elektronowego mikroskopu skanin-gowego FEI Inspekt S i mikroanalizatora rent-genowskiego EDAX Genesis XM2i wykonano mapy odwzorowujące rozmieszczenie pier-wiastków w badanym obszarze (rys. 2).

Obraz SEM Cr Fe

Ti C N

Rys. 2. Mapa rozkładu analizowanych pierwiastków stali X3CrTi17 z uwidocznionymi węglo-azotkami tytanu, pow. x3000

Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej zarejestrowano mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków, w tym: Cr, Fe, Ti, C, N.

Krzywe płynięcia σp = f

(

ε,T

)

wraz ze

zmia-nami struktury w poszczególnych etapach pro-cesu ściskania przedstawiono na rys. 3÷12.

0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Odkształcenie logarytmiczne ε N a p rę Ŝ en ie u p la st y c zn ia ją c e M P a

Rys. 3. Krzywa płynięcia σp = f(ε) i mikrostruktura stali

X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 300°C

Fig.3. The flow curve, σp = f(ε), and microstructure

of X3CrTi17 steel deformed at 300°C

W przedziale temperatury 200°÷600°C na krzywych płynięcia plastycznego nie zaobser-wowano zakresu ustalonego płynięcia, który moŜna przypisać procesom zdrowienia dyna-micznego (rys. 3). Mikrostruktura stali X3CrTi17 po odkształceniu w tej temperaturze charakteryzuje się wydłuŜonym ziarnem ferry-tu chromowego. Ziarna przyjmują orientację równoległą do osi próbki.

Na krzywej napręŜenie uplastyczniające

p

σ - odkształcenie logarytmiczne

ε

dla próbki odkształconej w temperaturze 740 oC (rys. 4) moŜna zaobserwować ustalone płynięcie, co świadczy o zrównowaŜeniu intensywności umocnienia odkształceniowego zmian struktu-ralnych spowodowanych usuwaniem skutków

odkształcenia. W badanym materiale zaobser-wować moŜna „ząbkowanie” granic ziaren. Tworzy się ono w wyniku oddziaływania po-między granicami ziaren i granicami podziaren, i wskazuje na zawansowany proces zdrowienia dynamicznego. Mikrostrukturę charakteryzują podziarna ujawnione wewnątrz wydłuŜonych ziaren ferrytu chromowego.

0 20 40 60 80 100 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Odkształcenie logarytmiczne ε N a p re Ŝ e n ie u p la s ty c z n ia ją c e M P a

Rys. 4. Krzywa płynięcia σp = f(ε) i mikrostruktura stali

X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 740°C

Fig. 4. The flow curve, σp = f(ε), and microstructure

of X3CrTi17 steel deformed at 740°C

Badania elektronomikroskopowe stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 740°C i chłodzonej w wodzie pokazują dokładniej strukturę ferrytu chromowego. Widoczne są wyraźne efekty zdefektowania ziaren przy jed-noczesnym tworzeniu się dyslokacyjnej struk-tury komórkowej i podziaren z duŜą gęstością dyslokacji (rys. 5).

W temperaturze 780°C charakterystyka odkształcania stali X3CrTi17 ma przebieg dla materiału z wyraźnie uwidaczniającym się maksimum napręŜenia uplastyczniającego (rys. 6). Świadczy to o początkach rekrystalizacji dynamicznej.

Rys. 5. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 740°C z duŜą gęstością dyslokacji

w ferrycie chromowym, pow. x16800

Fig. 5. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 740°C with high density and dislocations in chromium

ferrite, magnification 16800 x 0 20 40 60 80 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Odkształcenie logarytmiczne ε N a p rę Ŝ e n ie u p la s ty c z n ia ją c e M P a

Rys. 6. Krzywa płynięcia σp = f(ε) i mikrostruktura stali

X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 780°C

Fig. 6. The flow curve, σp = f(ε), and microstructure

of X3CrTi17 steel deformed at 780°C

Potwierdzają to zmiany mikrostruktury, która charakteryzuje się wydłuŜonym ziarnem ferry-tu chromowego. Zarodkowanie podczas

rekry-stalizacji dynamicznej obejmuje w początko-wej fazie pierwotne granice ziaren odkształco-nych (rys. 6, 7). Wokół granicy tworzą się wie-lokrotnie mniejsze ziarna zrekrystalizowane o regularnym kształcie. Proces stopniowo obej-muje większe obszary, bez wyraźnej granicy przemieszczania się frontu rekrystalizacji.

Rys. 7. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 780°C

Fig. 7. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 780°C

Dokładniejsza analiza zmian strukturalnych przeprowadzona przy pomocy transmisyjnego mikroskopu elektronowego wskazuje na za-wansowany proces zdrowienia dynamicznego (rys. 8).

Rys. 8. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 780°C z dyslokacjami w ferrycie

chromowym, pow. x8200

Fig. 8. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 780°C with high density and dislocations

Widoczne są wyraźne efekty zdefektowania ziaren badanej stali przy jednoczesnym two-rzeniu się dyslokacyjnej struktury komórkowej i podziaren z małą gęstością dyslokacji. MoŜna równieŜ zaobserwować (rys. 9) zrekrystalizo-wane obszary struktury stali X3CrTi17 (nowe ziarna po procesie całkowitej rekrystalizacji).

Rys. 9. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 780°C, pow. x8200

Fig. 9. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 780°C, magnification 8200 x

Procesy dynamiczne cechują wzajemnie nakładające się procesy umocnienia i mięknię-cia (zdrowienie dynamiczne, rekrystalizacja dynamiczna), Proces przebudowy mikrostruk-tury rozpoczyna się od ponownej anihilacji dyslokacji. Ziarna są po procesie całkowitej rekrystalizacji; występuje niewielka gęstość dyslokacji (rys. 10, 11) i powstanie dysloka-cyjnych granic subziaren (rys. 11, 12) oraz wspinanie się dyslokacji w tych granicach i koalescencja subziaren (rys. 12). DuŜy sto-pień pofałdowania niektórych ziaren powoduje, Ŝe przyjmują one wygląd określony jako tzw. „ząbkowanie” (rys.12).

Od temperatury 825°C charakterystyki odkształcania badanej stali mają przebieg z wyraźnie zaznaczonym maksimum napręŜe-nia uplastycznapręŜe-niającego (rys. 10). Rekrystaliza-cja dynamiczna rozpoczyna się po osiągnięciu maksimum na krzywej. Brak ustalonego pły-nięcia plastycznego świadczy o zróŜnicowaniu pomiędzy intensywnością umocnienia od-kształceniowego i intensywnością zmian struk-turalnych spowodowanych usuwaniem skut-ków odkształcenia. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 Odkształcenie logarytmiczne e N a p rę Ŝ e n ie u p la s ty c z n ia ją c e M P a

Rys. 10. Krzywa płynięcia σp = f(ε) i mikrostruktura

stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 825°C

Fig. 10. The flow curve, σp =f(ε), and microstructure

of X3CrTi17 steel deformed at 825°C

Rys. 11. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 825°C, pow. x8200

Fig. 11. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 825°C, magnification 8200 x

Rys. 12. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 825°C, pow. x16800

Fig.12. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 825°C, magnification 16800 x

Ciągła przebudowa struktury podczas odkształ-cania plastycznego badanej stali pozwala na tworzenie się nowych równoosiowych poligo-nalnych ziaren, wolnych od defektów (rys. 13).

Rys. 13. Mikrostruktura stali X3CrTi17 odkształconej w temperaturze 1000°C

Fig. 13. Microstructure of the X3CrTi17 steel deformed at 1000°C

Zmiany średniej powierzchni ziarna płaskiego

A stali odpornej na korozję X3CrTi17 w za-leŜności od temperatury odkształcenia są przedstawione w tablicy 2 i na rys. 14.

Tablica 2. Średnia powierzchnia ziarna płaskiego A

w zaleŜności od temperatury odkształcenia

Table 2. Average grain area depending on the deformation temperature

Średnia powierzchnia ziarna płaskiego A [µm] Gatunek stali Temperatura odkształcenia [°C] X3CrTi17 stan wyjściowy 17673 780 134 825 148 850 430 925 1130 1000 3458 17673 134 148 430 1130 3458 0 4000 8000 12000 16000 20000 20 780 825 850 925 1000 Temperatura odkształcenia [o_C] P o w ie rz c h n ia z ia rn a m 2

Rys. 14. Zmiany średniej powierzchni ziarna płaskiego

A, stali X3CrTi17 w zaleŜności od temperatury odkształcania

Fig.14. Changes of the average grain area, A, of the X3CrTi17 steel depending on the deformation

temperature

4. OMÓWIENIE WYNIKÓW

Charakterystyki odkształcania i ich interpre-tacja

W artykule przeanalizowano zjawiska za-chodzące podczas odkształcania na ciepło stali ferrytycznej odpornej na korozję X3CrTi17. W szczególności analizowano zjawiska zdro-wienia i rekrystalizacji dynamicznej oraz zmia-ny mikrostruktury po zakończeniu

odkształca-µ

m

nia. Interpretację przebiegu procesów zdrowie-nia i rekrystalizacji dynamicznej oparto na ana-lizie kształtu charakterystyk odkształcania.

Obrazem graficznym zjawisk zachodzą-cych podczas odkształcania na ciepło badanej stali są krzywe σp = f

( )

ε . Na krzywych umocnienia określonych na podstawie wyni-ków badań plastometrycznych w zakresie 200°÷600C° nie zaobserwowano zakresu usta-lonego płynięcia, który moŜna przypisać proce-som zdrowienia dynamicznego. Zmiany wiąŜą się ze wzrostem gęstości dyslokacji i tworze-niem splotów dyslokacyjnych.

Ustalone płynięcie stali X3CrTi17 na krzy-wych odkształcania (rys. 4) zaobserwowano w temperaturze 740°C, co świadczy o zrów-nowaŜeniu intensywności umocnienia od-kształceniowego i intensywności zmian struk-turalnych spowodowanych usuwaniem skut-ków odkształcania. W zakresie ustalonego

pły-nięcia plastycznego       = 0 ε σ d d wielkość po-dziaren zaleŜy od warunków odkształcania (prędkości i temperatury) oraz składu chemicz-nego materiału i praktycznie nie zaleŜy od war-tości odkształcania.

Od temperatury 825°C charakterystyki odkształcania stali X3CrTi17 mają przebieg z wyraźnie zaznaczonym maksimum napręŜe-nia uplastycznapręŜe-niającego (rys. 10). Rekrystaliza-cja dynamiczna rozpoczyna się po osiągnięciu maksimum na krzywej. Brak ustalonego pły-nięcia plastycznego świadczy o zróŜnicowaniu pomiędzy intensywnością umocnienia od-kształceniowego i intensywnością zmian struk-turalnych spowodowanych usuwaniem skut-ków odkształcania.

Zmiany strukturalne zachodzące podczas od-kształcania na ciepło

Analizowano zjawiska (zdrowienia i re-krystalizacji dynamicznej) towarzyszące od-kształcaniu na ciepło ferrytycznej stali odpor-nej na korozję X3CrTi17. Po odkształceniu w temperaturze 740°C w próbkach stali X3CrTi17 obserwuje się tzw. „ząbkowanie granic” (rys. 4). Większość ziaren wykazuje wydłuŜenie i posiada substrukturę. W procesie zdrowienia dynamicznego obserwuje się lokal-ną, ograniczoną migrację granic, która

prowa-dzi do „ząbkowanego” kształtu granicy ziaren, co zapewnia zmniejszenie energii granic po-dziaren.

Zdrowienie dynamiczne wywołuje inten-sywne zmiany strukturalne związane z anihila-cją dyslokacji oraz ich przegrupowaniem i two-rzeniem doskonale uporządkowanych podgra-nic.

Odkształcenie plastyczne w badanej stali spowodowało powstanie rozwiniętej substruk-tury w ziarnach ferrytu (rys. 8,9), która ułatwia zdrowienie dynamiczne. Wskutek zachodzącej w stali repoligonizacji, podziarna w odkształ-conym na ciepło metalu są prawie równoosio-we.

Ze wzrostem temperatury odkształcania w stali X3CrTi17 tworzy się struktura zrekry-stalizowana (rys.11,12,13).

Wykazano istotny wpływ odkształcenia na ciepło stali X3CrTi17 na wielkość ziaren, którą moŜna zmieniać w szerokim zakresie (tablica 2 i rys.14).

5. WNIOSKI

Przeprowadzone badania pozwoliły ocenić zmiany struktury podczas odkształcania pla-stycznego stali ferrytycznej odpornej na koro-zję X3CrTi17.

W szczególności stwierdzono, Ŝe:

podczas odkształcania plastycznego na ciepło badanej stali zachodzą procesy od-budowy struktury, takie jak zdrowienie dynamiczne i rekrystalizacja dynamiczna. Procesy te zachodzą równolegle i z róŜną intensywnością;

od temperatury 740°C obserwuje się pro-ces zdrowienia dynamicznego;

przy odkształcaniu od temperatury 780°C obserwuje się ograniczone zarodkowanie nowych zrekrystalizowanych ziaren przy granicach ziaren pierwotnych i dalszy ich wzrost ze wzrostem temperatury;

w badanej stali zarodki rekrystalizacji dy-namicznej zlokalizowane są początkowo w otoczeniu granic ziaren, gdyŜ w tych ob-szarach osiąga się krytyczną wartość od-kształcenia εc ;,

wielkość ziaren zaleŜy praktycznie od wa-runków odkształcania (

•

poprzez dobór parametrów odkształcania moŜna w szerokim zakresie zmieniać rozmiary ziaren i tym samym podstawowe własności stali X3CrTi17, co przy braku przemian fazowych stwarza moŜliwości oddziaływania na właściwości, juŜ na eta-pie przetwarzania.

Pracę zrealizowano w ramach działalności statu-towej finansowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego: BM 901 26 001 - Określe-nie wpływu obróbki plastycznej (spęczaOkreśle-nie) na cie-pło stali ferrytycznej na własności i strukturę.

LITERATURA

[1] Mc Queen H. J., Metall. Trans., A8, 1977, p. 807÷824.

[2] Doherty R. D., Hughes D. A., Humphreys F. J.: Materials Science and Engineering A236, 1997. [3] Wyrzykowski J. W., Pakieła Z., Świderska A.:

Odkształcenie plastyczne polikrystalicznych metali. Wyd. Pol. Warszawskiej, Warszawa 1993.

[4] Samolczyk J.: Wyznaczanie krzywych umocnienia metodą spęczania próbek z czołowymi wytocze-niami. Praca BM 901 01 004 INOP, Poznań, 1998.