Zmiany struktury i właściwości stali austenitycznej odkształcanej na gorąco

ZESZYTY NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

? . K > M > / o o

Grzegorz NIEW IELSKI

ZMIANY STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI STALI AUSTENITYCZNEJ

ODKSZTAŁCANEJ NA GORĄCO

HUTNICTWO

z. 58

GLIWICE 2000

POLITECHNIKA SLĄSKA ZESZYTY NAUKOWE Nr 1463

1 >' ^ ^ / 0 0

Grzegorz NIEWIELSKI

ZMIANY STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI STALI AUSTENITYCZNEJ

ODKSZTAŁCANEJ NA GORĄCO

Gliwice 2000

OPINIODAWCY

Prof. dr hab. inż. Franciszek Grosman Prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski

KOLEGIUM REDAKCYJNE

REDAKTOR NACZELNY — Prof. dr hab. Zygmunt Kleszczewski REDAKTOR DZIAŁU — Doc. dr hab. inż. Stanisław Serkowski SEKRETARZ REDAKCJI - Mgr Elżbieta Lesko

REDAKCJA Mgr Aleksandra Kłobuszowska

REDAKCJA TECHNICZNA Alicja Nowacka

Wydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

PL ISSN 0324-802X

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej ul. Akademicka §

44-100 Gliwice tel./fax (0-32) 237-13-81

www.wvdawnictwo.polsl.gliwice.pl wydawnictwo@polsl.gliwice.pl

N a k l 110+83 egz. A r l t w y d . 9 A rk . d r u k . 8 P a p ie r o ffset, kl. I I I 7 0 x 100, 80 g O d d a n o do d r u k u 19.05.2000 r. P o d p is, d o d r u k u 19.05.2000 r. D r u k ukończ, w m a ju 2000 r.

F o to k o p ie, d r u k i o p ra w ę w y k o n ał „ R O L E K ” , G liw ice, ul. K azim ierza W ielkiego 4

SPIS TREŚCI

Wykaz skrótów i oznaczeń

9

1. Wprowadzenie u

2. Zjawiska strukturalne wywołane odkształcaniem na gorąco

stali o małej EBU

14

2.1. Zmiany struktury podczas odkształcania plastycznego na gorąco 15

2.1.1. Zdrowienie dynamiczne 17

2.1.2. Rekrystalizacja dynamiczna 18

2.2. Energia aktywacji procesu odkształcania na gorąco stali 19 2.3. Procesy odbudowy mikrostruktury po zakończeniu

odkształcania plastycznego na gorąco 22

2.3.1. Zdrowienie statyczne

23

2.3.2. Rekrystalizacja statyczna

25

2.4. Zależności matematyczne i fizyczne opisujące odkształcenie

materiału 25

3. Założenia, cel i teza rozprawy 38

4. Przedmiot badań

⁴⁰

5. Metodyka badań

⁴²

5.1. Plastometryczna próba skręcania 42

5.2. Wyznaczanie energii aktywacji procesu odkształcania oraz

parametru Zenera-Hollomona 50

5.3. Metodyka badań strukturalnych

⁵²

5.3.1. Badania metalograficzne

52

5.3.2. Ilościowa ocena struktury

53

5.3.3. Modelowanie mikrostruktury stali trudno odksztalcalnej

54

6

. Wyniki badań

⁵⁷

6

.1. Wpływ warunków odkształcania na naprężenie uplastyczniające

stali austenitycznej

⁵⁷

6.2. Odbudowa mikrostruktury podczas i po odkształceniu na gorąco 71

6.3. Zmiana cech geometrycznych ziarna stali austenitycznej po

odkształcaniu na gorąco 83

6.4. M odele zmian mikrostruktury stali austenitycznej w proce-sach

odkształcania na gorąco 97

Analiza wyników ¹⁰⁹

Podsumowanie i wnioski ¹¹⁵

Literatura ¹¹⁷

Streszczenia ¹²³

CONTENTS

List of abbreviations and symbols

9

1. Introduction

11

2. Structural phenomena evoked by hot deformation of steel

of small EBU

14

2.1. Changes o f the structure due to hot plastic strain

¹⁵

2.1.1. Dynamic recovery 1 7

2.1.2. Dynamic recrystallisation 18

2.2. Activation energy the process o f hot steel deformation 19 2.3. Processes of reconstructing the structure after hot plastic strain 22

2.3.1. Static recovery 23

2.3.2. Static recrystallisation 25

2.4. Mathematical and physical dependencies describing material

strain

25

3. Assumptions, objective and thesis of the dissertation 38

4. Subject of the research 40

5. Methodology of the research 42

5.1. Plastometric torsion test 42

5.2. Determining the activation energy of the deformation

process and the Zener Hollomon parameter 50

5.3. M ethodology o f the structural research 52

5.3.1. Metallographic research

52

5.3.2. Quantitative evaluation o f the structure

53

5.3.3. Modeling the microstructure o f low-deformable steel

54

6. Results of the research 57

6.1. Impact o f the deformation conditions on yield stress of

austenitic steel

57

6.2. Reconstruction of the microstructure during and after

hot deformation 71

6.3. Changes o f geometrical features o f austenitic steel grains after hot

deformation 83

6.4. Models o f changes o f the austenitic steel microstructure in hot

deformation processes 97

7. Analysis of the results 109

8. Summary and conclusions 115

Bibliography 117

Summaries 123

INHALTSVERZEICHNIS

Liste der abkürzungen und bezeichnungen

9

1. Einleitung n

2. Strukturerscheinungen, verursacht durch Warmverformung

des stahls mit kleinem EBU

14

2.1. Strukturänderungen während Warmverformung

¹⁵

2.1.1. Dynamische Erholung 17

2.1.2. Dynamische Rekristallisation 18

2.2.

Aktivierungsenergie im Warmverformungsverfahren

¹⁹

2.3.

Strukturaufbauprozesse nach Beendigung der

plastischen Warmverformung

22

2.3.1. Statische Erholung

23

2.3.2. Statische Rekristallisation 25

2.4.

Mathematische und physische Abhängigkeiten, die Formänderung

des Materials beschreiben

25

3. Voraussetzungen, ziel und these der abhandlung 38

4. Gegenstand der prüfungen 40

5. Methodik der prüfungen 42

5.1. Plastometrischer Verdrehungsversuch 42

5.2.

Ermittlung der Aktivierungsenergie des Verformungsverfahrens

und des Parameter von Zener-Hollomon 50

5.3.

Methodik der Strukturforschungen 52

5.3.1. Metallografische Prüfungen 52

5.3.2. Quantitätsbeurteilung der Struktur

53

5.3.3.Mikrostrukturmodellierung des schwerverformbaren Stahls

54

6. Prüfegebnisse

57

6.1.

Einfluß der Verformungsbedingungen auf Formänderungsfestigkeit

des austenitischen Stahls 57

6.2.

Rekonstruktion der Mikrostruktur während und nach

der Warmverformung 71

6.3. Änderung der geometrischen Eigenschaften austenitischen

Stahlkomes nach Warmverformung 83

6.4. M odelle der Mikrostrukturänderungen austenitischen Stahls

im Warmverformungsverfahren 97

7. Analyse der ergebnisse 109

8. Resümee / Schlusswort 115

Literatur 117

Zusammenfassungen 123

WYKAZ SKRÓTÓW I OZNACZEŃ

b - w ektor Burgersa

5 - bezw ym iarow y w skaźnik wydłużenia ziam do - średnica pom iarow a próbki plastom etrycznej [mm]

- średnia średnica podziam dla ustalonego płynięcia plastycznego [(im]

e - odkształcenie rzeczywiste

- odkształcenie odpowiadające m aksym alnem u naprężeniu uplastyczniającem u Ec - odkształcenie krytyczne zdrow ienia dynam icznego

Ecs - odkształcenie krytyczne zdrow ienia statycznego Ez„ - odkształcenie graniczne

Es - odkształcenie początku ustalonego płynięcia plastycznego

£ - prędkość odkształcania rzeczywistego; [ s 1]

y - odkształcenie postaciowe

- bezw ym iarow y w spółczynnik kształtu ziam p - gęstość dyslokacji [m'2]

Pc - krytyczna gęstość dyslokacji [rn 2]

a - naprężenie [MPa]

ü p - naprężenie uplastyczniające [MPa]

^pm - m aksym alne naprężenie uplastyczniające [MPa]

°ps - naprężenie ustalonego płynięcia plastycznego [MPa]

CTPC - naprężenie krytyczne zdrow ienia dynam icznego [MPa]

1 - średnia sw obodna droga dyslokacji [m]

m - w spółczynnik w rażliwości naprężenia na prędkość odkształcania n - w spółczynnik um ocnienia przy odkształceniu na zim no

v ( Ä ) - w spółczynnik zm ienności płaskiego przekroju

p - w spółczynnik um ocnienia przy odkształceniu na gorąco

r» - prom ień próbki plastom etrycznej [mm]

t - czas skręcania [s]

*0.5 - połów kow y czas rekrystalizacji [s]

Ä - średnia pow ierzchnia płaskiego przekroju ziarna [|im 2]

Ä . - średnia pow ierzchnia płaskiego przekroju ziarna dla ustalonego płynięcia [ ( i m

Äo ^- średnia pow ierzchnia płaskiego przekroju ziarna w yjściow ego [|am2]

D - średnia średnica ziarna zrekrystalizowanego [(im]

D„ ^- średnia średnica ziarna wyjściowego [|am]

D 2d - średnia średnica ziarna po zdrowieniu dynam icznym [|im]

Ds - średnia średnica ziarna dla ustalonego płynięcia plastycznego [|am]

D r s - średnia średnica ziarna po statycznej rekrystalizacji [(im]

EBU - energia błędu ułożenia [mJ/m2]

9

F - siła [N]

G - m oduł sprężystości poprzecznej [MPa]

1„ - długość pom iarow a próbki plastom etrycznej [mm]

M - m om ent skręcający [Nm]

N A - średnia liczba ziam na jednostkę pow ierzchni [|xm'2]

N - liczba skręceń próbki plastom etrycznej Ń - prędkość obrotow a skręcania [m in 1]

Q

- energia aktyw acji [kJ/mol]

Qz„

- energia aktyw acji pękania [kJ/mol]

Qmrd - energia aktywacji rekrystalizacji m etadynam icznej [kJ/mol]

Qrs - energia aktywacji rekrystalizacji statycznej [kJ/mol]

Qzd - energia aktyw acji zdrow ienia dynam icznego [kJ/mol]

Qrd - energia aktywacji rekrystalizacji dynam icznej [kJ/mol]

Qhw - energia aktyw acji odkształcenia na gorąco (przy s m, crm) [kJ/mol]

Qrz - energia aktyw acji rozrostu ziam [kJ/mol]

Q v - energia aktyw acji dyfuzji [kJ/mol]

R - stała gazow a [kJ/m ol K]

0 - intensyw ność um ocnienia odkształceniowego [MPa]

T - tem peratura [K]

Ta

- tem peratura w yżarzania [K]

TT

- tem peratura topnienia [K]

X

- ułam ek zrekrystalizow anego m ateriału

z

- param etr Zenera - H ollom ona; skorygow ana tem peraturą prędkość odkształcania [s-1

z c

- krytyczna w artość param etru Zenera-H ollom ona konieczna do zajścia rekrystalizacj dynam icznej [ s 1]

Uwaga: pozostałe skróty i oznaczenia objaśniono w tekście.

1. WPROWADZENIE

Stal o dużej zaw artości m anganu należy do stopów o małej energii błędu ułożenia / EBU/

austenitu, zależnej od składu chem icznego (5 - 50 m J/m 2) [1-3]. Zaw artość węgla rozpuszczonego w austenicie (od 0,2 do 0,4% w zależności od tem peratury wygrzew ania do odkształcania na gorąco) zm ienia istotnie wartość EBU. Stal m anganow a o dużej w ytrzym ałości (szczególnie ze zw iększoną zaw artością azotu) znalazła w iele interesujących zastosow ań technicznych [4+8]. W łaściwości m echaniczne tej grupy stali stanowiły podstawę do licznych prac badaw czych [3,9,10] i poszukiw ań ich racjonalnego w ykorzystania [3, 4, 6, 10, 11]. O becnie stal chromowo-manganową uw aża się za odrębną grupę stali stopowej, w śród której ze w zględu na zastosow anie m ożna wyróżnić [4-8, 9, 11-12]:

- wysokowytrzymałą stal nierdzewną;

- stal żaroodporną i żarowytrzym ałą;

- stal z metastabilną strukturą austenitu umacniającą się podczas eksploatacji;

- stal niemagnetyczną i do pracy w tem peraturze kriogenicznej;

- stal austenityczno-ferrytyczną o dużej ciągliwości i nadplastyczności.

O dkształcanie metali na gorąco od wielu lat stanowi przedm iot system atycznych badań [1-2, 13-18, 19+39]. Rozwój metod badań plastom etrycznych przyczynił się do opracowania podstaw m odelow ania zjaw isk zachodzących podczas procesów obróbki plastycznej [40-45].

Zagadnienia m odelow ania zjaw isk tow arzyszących procesom odkształcania plastycznego z uw zględnieniem m ięknięcia metali w skutek dynam icznych procesów zdrowienia i rekrystalizacji przedstaw iono w pracach [14 - 16, 19 - 20, 24, 26, 29-32, 36-37, 46-55]. W m odelach w ysokotem peraturow ego odkształcania metali stosowano zw ykle kryteria m echaniczne [19] lub strukturalne [20]. Opracow anie modeli strukturalnych było podstaw ą w ielu badań [21, 23, 25, 56-58]. Przyjęto, że m echanizm em kontrolującym proces zdrowienia dynam icznego je s t w tem peraturze T<(0.4+0.6)T, poślizg i poślizg poprzeczny dyslokacji, natom iast w tem peraturze T>(0.4+0.6)T, poligonizacja. Poślizg poprzeczny je st kontrolowany przez proces łączenia się dyslokacji cząstkowych w jednostkow e oraz ich wspinanie. Energia niezbędna do dysocjacji dyslokacji zależy od wartości EBU materiału. W materiałach o małej

11

EBU , w których energia dysocjacji dyslokacji je st duża, zarówno w spinanie, ja k i poślizg poprzeczny są ograniczone.

Rozw ój m etod opisu ilościow ego zjaw isk podczas odkształcania plastycznego, m.in.

zastosow anie m etody elem entów skończonych (M ES) do m odeli cieplno-m echanicznych [9, 24, 46, 59-64] oraz m etod stereologii i statystyki do m odeli strukturalnych przyczynił się do pow stania program ów kom puterowych, za pom ocą których podejm ow ane są próby m odelow ania m ikrostruktury. Znane są program y kom puterow e Elroll [24,66], Com p_axi [49-50], C A PS-Finel [67], za pom ocą których podejm ow ane są próby m odelow ania m ikrostruktury obejm ujące zjawiska:

• rozrostu ziarn podczas nagrzew ania;

• rozpuszczania w ydzieleń podczas nagrzew ania;

• um ocnienia odkształceniow ego, zdrow ienia i rekrystalizacji dynam icznej;

• zd row ienia i rekrystalizacji statycznej pom iędzy kolejnym i etapam i odkształcania;

• starzenia odkształceniow ego lub w ydzielania pom iędzy kolejnym i etapami odkształcania;

• rozrostu ziarn po dynam icznej lub statycznej rekrystalizacji.

D otychczas nie zbudow ano m odelu, który uw zględnia w szystkie procesy cieplnom echaniczne i strukturalne zachodzące podczas i po zakończeniu odkształcania na gorąco. R eakcja m ateriału na zadane w arunki obciążania nie zaw sze je st jednoznaczna. Brak bow iem jednego tylko m echanicznego rów nania stanu m ateriału lub jednego zbioru równań opisujących zachow anie się m ateriałów [25]. W ynika to stąd, że podczas odkształcania, szczególnie w w ysokiej tem peraturze, zachodzą z różną intensyw nością w zależności od w arunków odkształcania złożone procesy strukturalne: um ocnienie odkształceniow e, zdrow ienie dynam iczne i statyczne, rekrystalizacja dynam iczna i statyczna, dynam iczne starzenie odkształceniow e.

D uże stężenie pierw iastków stopow ych w austenicie stali austenitycznej ham uje rekrystalizację statyczną i tym sam ym ułatw ia badanie zarówno zdrow ienia dynam icznego, ja k i rekrystalizacji dynam icznej.

Stal w ysokom anganow a należy do grupy m ateriałów trudno odkształcalnych. A ustenit chrom ow o-m anganow y charakteryzuje się znacznym um ocnieniem podczas odkształcania plastycznego. Stw arza to problem y technologiczne przy przetw arzaniu (odkształcenie na zim no i gorąco, procesy skrawania).

12

W pracy przedstaw iono zjaw iska tow arzyszące odkształcaniu plastycznem u na gorąco stali Cr-M n w gatunku 5H17G17. D la w eryfikacji istniejących modeli cieplnom echanicznych i strukturalnych opracowanych dla stali Cr-Ni przy takich sam ych warunkach odkształcano stal austenityczną 0H18N9. „Zam rażanie” struktury bezpośrednio po odkształcaniu umożliwiło ocenę m echanizm ów odkształcenia na gorąco i procesów jej odbudow y podczas i po odkształceniu. Przedstaw iono zależności pom iędzy param etram i odkształcenia a naprężeniem uplastyczniającym i odkształceniem s m w procesach skręcania na plastom etrze skrętnym.

Procesy um ocnienia podczas odkształcania plastycznego na gorąco zachodzą bardzo szybko, stal ju ż przy niew ielkim odkształcaniu osiągała m aksym alną w artość naprężenia uplastyczniającego a pm - stan równowagi pom iędzy um ocnieniem i m ięknięciem materiału w skutek zjaw isk zdrow ienia i rekrystalizacji dynam icznej.

O pis ilościow y geom etrycznych cech m ikrostruktury stali daje m ożliw ość określenia ścisłych zw iązków pom iędzy m ikrostrukturą i właściw ościam i stopów. Opracow ano zależności m atem atyczne pozw alające wyznaczyć w ysokotem peraturow e naprężenie uplastyczniające a m oraz odkształcenie uplastyczniające Em dla znanej w artości tem peratury T, prędkości odkształcania e i odkształcenia e oraz rozm iarów ziarna w yjściowego.

2. ZJAWISKA STRUKTURALNE WYWOŁANE ODKSZTAŁCANIEM NA GORĄCO STALI O MAŁEJ EBU

Podczas odkształcania stali na gorąco ustalony stan naprężenia osiąga się poprzez rów now agę pom iędzy procesam i um ocnienia i jednoczesnego m ięknięcia spowodowanego zdrow ieniem lub rekrystalizacją. D om inujący m echanizm m ięknięcia zależy od warunków procesu: tem peratury, wielkości i prędkości odkształcania, a także od struktury (rozm iar ziarna, EBU oraz procesy w ydzielania lub rozpuszczania faz w tórnych) [26-27, 68]. Stal austenityczna o małej EBU podlega ograniczonem u zdrow ieniu dynam icznem u (ZD).

R ekrystalizacja dynam iczna (RD ) tej stali je st m ożliw a przy dostatecznie dużym odkształceniu. O dkształcenie ko-

to

® c0)

■N wQ.

03

nieczne do zapoczątkow ania m ięk­

nięcia zm niejsza się z podw yższe­

niem tem peratury i zm niejszeniem prędkości odkształcania. Proces zdrow ienia po odkształceniu stali o małej EB U austenitu je st ogra­

niczony i dlatego w ażniejszym m echanizm em m ięknięcia stali austenitycznej je st rekrystalizacja statyczna (RS) [27]. Zmiany Rys. 1.Krzywe płynięcia plastycznego metalu, w którym dominuje um ocnienia i m ięknięcia materiału

proces [28]: 1- zdrowienia dynamicznego; 2-3 - rekrystalizacji dynamicznej;

I - umocnienie materiału; II - początek procesu mięknięcia; III - mięknięcie poprzez zdrowienie i rekrystalizację dynamiczną

Fig. 1.Curves o f plastic flo w o f metal in which predominates [28];1 - dynamic recovery; 2-3 - dynamic recrystallization;

I - material strengthening; II - beginning o f softening processes; III - softening through recovery and dynamic

recrystallization

podczas przeróbki plastycznej na gorąco (zdrowienie, poligonizacja, rekrystalizacja) opisują krzywe um ocnienia (płynięcia plastycz­

nego). K ształt krzyw ych płynięcia plastycznego na gorąco zależy od

14

wartości EBU m etalu, w arunków odkształcania - głów nie tem peratury i prędkości odkształcania. A naliza w yników badań [26-30] pozw ala wyróżnić trzy podstaw ow e rodzaje krzyw ych płynięcia plastycznego (ry s.l). W przypadku gdy zanik um ocnienia osiąga się w yłącznie przez zdrow ienie - krzywa typu 1. K rzyw e płynięcia plastycznego typu 2 lub 3 w skazują natom iast, że przy odkształcaniu dom inującym i m echanizm am i zaniku umocnienia staje się rekrystalizacja dynam iczna. D la dużej prędkości odkształcania (lub niskiej tem peratury) po pierw szym m aksim um naprężenia uplastyczniającego następuje ustalone płynięcie m ateriału (krzyw a typu 2). R ozrost ziarna w w arunkach w ysokotem peraturow ego odkształcania m etali zw iązany je st najczęściej z występowaniem oscylacji naprężenia uplastyczniającego i cyklicznej relaystalizacji dynam icznej (krzywa typu 3) [69].

2.1. Zmiany struktury podczas odkształcania plastycznego na gorąco

W początkow ym etapie odkształcania plastycznego zachodzi proces um acniania się m ateriału, w którym w yróżnić m ożna trzy zakresy (rys. 1 )[30]:

• zakres I - odkształcenie do 0.001 charakteryzuje się w zrostem gęstości dyslokacji o rząd w ielkości w porów naniu do stanu wyżarzonego (p= 10 11 + 1012 m '2) oraz zwiększeniem prędkości odkształcania od zera do wartości ustalonej. W polikryształach, podobnie jak w m onokryształach, dyslokacje w pierw otnych system ach poślizgu oddziałują z dyslokacjami we w tórnych system ach, co pow oduje tw orzenie się lokalnych splotów dyslokacji.

• zakres II - stały w zrost gęstości dyslokacji do wartości p = 1014 + 1015 m '2, po czym zachodzą procesy anihilacji, poślizgi poprzeczne i w spinanie się dyslokacji, co powoduje zm ianę przebiegu krzyw ych płynięcia w zależności a - s . W m ateriałach o dużej EBU sploty dyslokacji przebudow ują się w dobrze w ykształconą strukturę kom órkow ą, podczas gdy w m ateriałach o małej EBU, w których utrudniony je st poślizg poprzeczny, nie tw orzy się struktura kom órkowa. W takich przypadkach intensywność um ocnienia odkształceniowego 0 zw iązana je st tylko ze zw iększaniem gęstości dyslokacji. D yslokacje po osiągnięciu stanu ustalonego odkształcenia plastycznego (d a/d e= 0) zostają uporządkow ane w granicach subziam , których doskonałość, rozm iar i stopień dezorientacji zależą od w łaściw ości m etalu i w arunków odkształcania. Stadium to kończy się, gdy osiągnięty zostaje stan równowagi m iędzy przyrostem gęstości dyslokacji w wyniku odkształcania a ich zanikiem w procesie zdrow ienia dynam icznego. O dpow iada to m aksym alnem u naprężeniu uplastyczniającem u Opm. O bserw uje się zarodkowanie now ych ziam na granicach ziam pierw otnych oraz na innych defektach m ikrostruktury (granice bliźniaków, granice subziam ).

• zakres III - odkształcenie w yw ołuje m ięknięcie m ateriału poprzez zdrowienie i rekrystalizację dynam iczną. Stała gęstość dyslokacji w ystępująca przy ustalonym naprężeniu uplastyczniającym je s t w ynikiem dynam icznej rów now agi m iędzy prędkością generowania i anihilacją dyslokacji. Prędkość generow ania dyslokacji zależy od prędkości odkształcania, ale nie zależy od w artości odkształcenia. Prędkość anihilacji dyslokacji zależy natom iast od gęstości dyslokacji, a w ięc od wartości odkształcenia oraz procesów zdrow ienia [70]. Lokalne zw iększenie gęstości dyslokacji w stadium um acniania prow adzi do stałego wzrostu prędkości anihilacji, aż do m om entu osiągnięcia stanu rów now agi tych procesów.

Rów now aga m iędzy efektam i zdrow ieniem i odkształcaniem zapobiega zw iększeniu gęstości dyslokacji. W zakresie ustalonego stanu odkształcenia nie ulegają natom iast zm ianie cechy charakteryzujące subziam a; pow ierzchnia (lub średnica), kąt dezorientacji sąsiednich subziam oraz gęstość dyslokacji w subziam ach [30, 32, 71].

Zm niejszenie w artości EBU sprzyja zm niejszeniu rozm iarów subziam , a także pow oduje zw iększenie naprężenia niezbędnego do osiągnięcia III stadium odkształcenia.

W stali austenitycznej oraz nadstopach niklu stw ierdzono [72], że w prow adzenie do roztworu pierw iastków stopow ych m oże rozszerzać zakres um ocnienia w w ysokiej tem peraturze, nie ograniczając jednocześnie przy tym procesu zdrow ienia dynam icznego. W prow adzenie w ęgla lub azotu do roztw oru stałego rozszerza obszar w ystępow ania zdrow ienia dynam icznego, a tym sam ym pow oduje spow olnienie rekrystalizacji dynam icznej lub statycznej. Dlatego w ysokotem peraturow a obróbka cieplno-plastyczna stali m oże być prow adzona w tem peraturze, w której m etastabilny austenit nie ulega rekrystalizacji. Jeżeli w stopie w ystępują dyspersyjne w ydzielenia innej fazy trudno rozpuszczalne w roztw orze w tem peraturze odkształcania, których nie m ogą przeciąć dyslokacje, w tedy stanow ią przeszkody utrudniające tw orzenie i stabilizację substruktury dyslokacyjnej. W przypadku gdy podczas odkształcania roztw oru stałego następuje w ydzielanie innej fazy, obserw uje się zw iększenie oporu płynięcia plastycznego. Pow stająca substruktura zależy od aktywowanych cieplnie procesów elem entarnych. W wyższej tem peraturze i przy m niejszej prędkości odkształcania, a w ięc w warunkach, w których na jednostkow e odkształcenie przypada w iększa liczba elem entarnych procesów zdrowienia, pow staje substruktura o w iększych rozm iarach subziam , których granicam i są siatki dyslokacyjne stanow iące m niejszy opór dla przem ieszczającej się dyslokacji [30].

2.1.1. Z drow ien ie dynam iczne

Zdrow ienie dynam iczne (ZD) je st aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym podczas odkształcania plastycznego na gorąco oraz pełzania metali [30]. Polega na anihilacji dyslokacji poprzez poślizg poprzeczny i wspinanie oraz poligonizację. S iłą napędow ą zdrow ienia dynam icznego są naprężenia wewnętrzne. Zdrow ienie dynam iczne m oże stanowić sam odzielny proces odbudow y m ikrostruktury lub m oże w ystępować z rekrystalizacją dynam iczną. Zm iany struktury wyw ołane zdrowieniem dynam icznym m ają wpływ na zdrow ienie statyczne oraz rekrystalizację statyczną, m ogące wystąpić podczas chłodzenia odkształconego na gorąco m etalu lub w czasie w yżarzania [32]. Procesy dynam iczne w odróżnieniu od procesów statycznych nie zachodzą do końca - tow arzyszą stale odkształcaniu albo p ojaw iają się okresowo. Zdrow ienie dynam iczne w tem peraturze T<(0.4-r0.6)TT) zachodzi głów nie poprzez poślizg i poślizg poprzeczny. W w ysokiej temperaturze (T>(0.4h-0.6)Tt) dom inującą rolę w zdrowieniu dynam icznym spełnia poligonizacja zachodząca poprzez w spinanie dyslokacji.

W m ateriałach o małej EBU m ożliw ość w ystąpienia sw obodnego w spinania dyslokacji oraz poślizgu poprzecznego je st ograniczona, ze względu na znaczną dysocjację dyslokacji.

W skutek procesów dynam icznych (zdrowienie i rekrystalizacja) gęstość dyslokacji maleje i uzyskuje się znacznie m niejsze um ocnienie w porównaniu do stanu po odkształceniu na zim no [30]. Poniew aż w pływ EBU je st większy niż w pływ tem peratury, w metalach i ich stopach o m ałej jej wartości procesy zdrowienia zachodzą wolniej [68].

Proces zdrow ienia dynam icznego nasila się z podw yższaniem tem peratury odkształcania.

M echanizm zdrow ienia zm ienia się w zakresie tem peratury (0.4 - 0.6)TT - zdrowienie niskotem peraturow e przechodzi w zdrowienie w ysokotem peraturow e. Tem peratura odkształcania, gdy w ystępuje w ysokotem peraturow e zdrow ienie dynam iczne, je st tym wyższa, im w iększa je s t prędkość odkształcania i m niejsza w artość EBU materiału.

Z drow ienie dynam iczne w niektórych przypadkach je st konkurencyjne dla rekrystalizacji dynam icznej. W czasie zdrow ienia dynam icznego m oże ulegać zm ianie substruktura dyslokacyjna um ożliw iająca tw orzenie zarodków rekrystalizacji [68].

17

2.1.2. R ekrystalizacja dynam iczna

R ekrystalizacja dynam iczna (RD ) w czasie odkształcania plastycznego na gorąco prowadzi do pow staw ania i m igracji, lub tylko migracji granic ziam [21, 34, 71]. Rekrystalizacja dynam iczna i rekrystalizacja statyczna m ają pew ne cechy w spólne - zarodkow anie i rozrost now ych ziam . R ekrystalizacja dynam iczna ma jed n ak indyw idualne cechy wynikające z jednoczesnego przebiegu odkształcania i rekrystalizacji po przekroczeniu odkształcenia krytycznego ec. W arunkiem rozpoczęcia rekrystalizacji dynam icznej w polikryształach alum inium , m iedzi i w stali austenitycznej je s t w ystąpienie krytycznej w artości odkształcenia ec, - najczęściej (0,65-0,85) em [34]. W m onokryształach m etali zarodkow anie nowych ziam je st często stochastyczne, natom iast w polikryształach zachodzi najczęściej w zdłuż granic ziam , ponadto zw iązane je s t z aktyw ow anym cieplnie przem ieszczaniem się granic dyslokacyjnych, których dezorientacja je st m niejsza od 10°. T w orzenie ruchliw ych granic ziam pow oduje przebudow ę substruktury w ew nątrz ziam [34].

Procesy dynam icznej odbudow y substruktury oddziaływ ają na kolejne procesy rekrystalizacji dynam icznej i m o g ą być źródłem rekrystalizacji statycznej [84]. Now o utw orzone ziarna nie ro zrastają się aż do zetknięcia się z ziarnem sąsiednim , ja k w przypadku rekrystalizacji statycznej, poniew aż szybko osiągają stałe rozm iary, determ inow ane w arunkam i odkształcania [85]. W w ielu pracach [27, 29, 30, 86-90] przeprow adzono ocenę w arunków w ystępow ania rekrystalizacji dynam icznej podczas odkształcania na gorąco stali austenitycznej, je d n a k nie określono czynników niezbędnych do realizacji rekrystalizacji dynam icznej. P odczas odkształcenia stali austenitycznej o małej EBU zdrow ienie dynam iczne przebiega w niew ielkim stopniu. Prow adzi to do takiego w zrostu gęstości dyslokacji, która um ożliw ia rekrystalizację dynam iczną [30+31]. W celu zapew nienia ciągłości rekrystalizacji dynam icznej zarodki ziam m u szą pow staw ać rów nom iernie w całej objętości m ateriału w m iarę upływ u czasu lub ze zw iększeniem stopnia odkształcenia [13].

R ekrystalizacja dynam iczna m ateriałów o m ałych rozm iarach ziarna w yjściow ego je st w yw ołana m igracją - praktycznie niem al - w szystkich granic ziam dużego kąta. Proces ten je st podobny bardziej do rozrostu ziam niż do klasycznego zarodkow ania rozum ianego jako pow staw anie drobnych ziam z zarodków o w ym iarach krytycznych [71]. Prędkość zarodkow ania w stali o m ałych rozm iarach ziarna w yjściow ego je s t w iększa niż w m ateriałach gruboziarnistych. W ystępow anie ziam o m ałych rozm iarach zw iększa również początkow ą prędkość um ocnienia oraz zm niejsza odkształcenie em i naprężenie o pm [73].

P odobne w yniki uzyskano w pracy [33]. N ow o utw orzone ziarna nie rozrastają się aż do 18

zetknięcia z sąsiednim i, ja k podczas rekrystalizacji statycznej, gdyż bardzo prędko osiągają stały rozm iar, określony w arunkam i odkształcania. Jest to spow odow ane substrukturą dyslokacyjną w now o pow stałych ziarnach, tw orzącą się podczas odkształcania. Substruktura dyslokacyjna zm niejsza siłę pęd n ą migracji granic ziam i prowadzi do zatrzym ania wzrostu ziam przed ich zetknięciem się z ziarnami sąsiednimi. O bserw uje się kształt ziam zbliżony do równoosiow ego. N ależy w ięc sądzić, że rekrystalizacja dynam iczna następuje raczej na skutek ciągłego zarodkow ania i ograniczonego wzrostu, a nie poprzez ograniczone zarodkow anie i ciągły w zrost, ja k to zachodzi podczas rekrystalizacji statycznej [89].

Luton i Sellars stw ierdzili, że rekrystalizacja dynam iczna m oże m ieć charakter ciągły lub okresow y [91]. Przyjęli, że proces rekrystalizacji rozpoczyna się po odkształceniu krytycznym ec, a utw orzone zrekrystalizow ane ziam o po następnym odkształceniu krytycznym ec ponow nie ulega rekrystalizacji.

Param etram i geom etrycznym i charakteryzującym i m ikrostrukturę są średnia średnica ziarna austenitu oraz ułam ek objętości zrekrystalizowanej m ateriału X v, w przypadku gdy odkształcanie pow tarzane je st wielokrotnie. Przyjęto także, że kinetykę rekrystalizacji dynam icznej opisuje rów nanie Johnsona -M ehla-Avram iego:

X, = /-exp

^{' t "}

\ t p j (1)

gdzie:

ą - w ykładnik potęgow y, przyjm ujący wartości z przedziału 1+2, tp - czas zrekrystalizow ania P objętości materiału.

Zw ykle przyjm uje się połów kow y czas rekrystalizacji tP=to,s, czyli czas, po którym rekrystalizuje połow a objętości materiału.

2.2. Energia aktywacji procesu odkształcania na gorąco stali

Energia aktyw acji odkształcenia na gorąco Q o g je st sum ą energii aktywacji procesów cząstkow ych odkształcenia na gorąco. Znajom ość krzywej um ocnienia pozw ala wyznaczyć w artość energii aktywacji dla procesu:

• odkształcenia na gorąco Qog;

• zdrow ienia dynam icznego Qzd;

• rekrystalizacji dynam icznej Qrd.

Pom iędzy naprężeniem c , tem peraturą T i prędkością odkształcania e istnieje zależność opisana rów naniem A rrheniusa (2):

gdzie: A / - stała dośw iadczalna.

Z zależności (2) wyznaczyć można wartość energii aktywacji Q procesów cząstkowych odkształcania na gorąco [73-74].

Energia aktyw acji odkształcenia na gorąco dla żelaza technicznego i stali niskowęglowej wynosi odpow iednio ok. 280 kJ/m ol i ok. 300 kJ/m ol [48], natom iast dla stali austenitycznej je st w iększa i w ynosi 350-=-510 kJ/m ol. Chrom i m olibden silniej oddziaływ ają na energię aktywacji odkształcenia Qog w stali austenitycznej niż nikiel. E nergia aktywacji Q0g zw iększa się ze w zrostem udziału w m ikrostrukturze ferrytu 8 oraz w ęglików (TiC, TaC) i fazy y‘(N i3Al).

W tablicy 1 zestaw iono w artości energii aktywacji procesów zachodzących podczas odkształcania plastycznego na gorąco niektórych gatunków stali austenitycznej. Jej znajom ość pozw ala ocenić m echanizm y zachodzących procesów w m ikrostrukturze oraz jest pom ocna przy w yznaczaniu w skaźników opisujących odkształcenie m.in. param etru Z enera-H ollom ona Z.

Energia aktywacji odkształcenia na gorąco Qog jest większa od energii aktywacji procesów zachodzących również podczas odkształcania (tab.l);

- od energii aktyw acji zdrow ienia dynam icznego Qzd o ok. 30+50 kJ/m ol;

- od energii aktyw acji rekrystalizacji dynam icznej Q rdo ok. 80+100 kJ/m ol.

e = A ,a " e x p [ j ^ j (2)

Tablica 1 Energia aktywacji procesów zachodzących przy odkształcaniu stali austenitycznej na gorąco

G atunek Skład chem iczny, Proces Energia aktywacji, Litera­

stali % kJ/mol tura

301W (0,15 C, 6-8 Ni, 16-18 Cr) Qog - odkształcania 399 [75]

304 (0,03 C, 8-10 Ni, 18-20 Cr) na gorąco 410 [76][77]

304W 3 9 3 -4 0 7 [75],[77]

316 0,08C, 10-14Ni, 16-18Cr, 2-3Mo 460 [78][79]

317 0,08C, 10-14Ni, 16-18Cr, 3-4Mo 503 [79]

317C 508 [80]

317W 496 [75]

5H17G17 419 [81]

0H18N9 363 [81]

304W Qrd - 301 [77]

304 rekrystalizacji

dynamicznej

306 [80]

301 Q r s - rekrystalizacji 369 [80]

304 statycznej 362 [80]

316 418 [80]

317 456 [80]

301 Qzd — zdrowienia 371 [82]

304 dynamicznego 352 [82]

316 358 [82]

317 476 [82]

21

2.3. Procesy odbudowy mikrostruktury po zakończeniu odkształcania plastycznego na gorąco

Zdrow ienie dynam iczne lub rekrystalizacja dynam iczna stopów m etali nie prow adzą do utw orzenia struktury stabilnej term odynam iczne. D latego podczas chłodzenia stopów od

tem peratury końca przeróbki plastycznej

Rys.2. Schemat oddziaływania statycznych i dyna­

micznych mechanizmów usuwania umocnienia w trakcie odkształcania plastycznego na gorąco i po jeg o zakończeniu [92]

Fig. 2. Interaction diagram o f static and dynamie mechanisms o f removing the strengthening during hot plastic deformation and after its finish [92]

na gorąco, zw ykle w spokojnym pow ietrzu zachodzą procesy statyczne (zdrow ienie i rekrystalizacja), w pływ a­

ją c e na um ocnienie odkształceniow e (rys.2) [92]. Po odkształceniu plastycznym e < ecs, niezbędnym do zapoczątkow ania zdrow ienia statycz­

nego, usunięcie um ocnienia odkształ­

ceniow ego m oże nastąpić tylko poprzez zdrow ienie i rekrystalizację statyczną.

Szybkość tych procesów zw iększa się ze wzrostem param etru Zenera-H ollom ona Z ( ć ,T ) i stopnia odkształcenia [31].

Zm agazynow ana energia odkształcenia zw iększa się ze w zrostem param etru Z i stopnia odkształcenia tylko do ustalonego stanu płynięcia plastycznego. Podczas odkształcania w zakresie ustalonego płynięcia plastycznego zarówno średnia gęstość dyslokacji, ja k i energia zm agazynow ana nie zależą od stopnia odkształcenia [31].

Czynnikiem w arunkującym prędkość zdrow ienia statycznego je st tem peratura. Podobnie ja k przy zdrow ieniu dynam icznym decyduje o prędkości dyfuzji i anihilacji defektów

punktow ych oraz poligonizacji.

Podstaw ow e, w spólne cechy zdrowienia statycznego i dynam icznego s ą następujące [34]:

• poślizg poprzeczny dyslokacji,

• w spinanie się dyslokacji,

• anihilacja dyslokacji,

• przem ieszczanie dyslokacji w uporządkowane układy granic m ałego kąta.

Stopień poligonizacji zw iększa się ze wzrostem EB U m ateriału zarówno podczas zdrow ienia dynam icznego, ja k i zdrow ienia statycznego. K inetyka zdrow ienia statycznego zależy od m ikrostruktury, tem peratury i czasu w ygrzew ania oraz naprężeń wewnętrznych.

Podczas w yżarzania prędkość zdrow ienia statycznego m aleje z czasem wygrzewania.

Przerw y w procesie odkształcania na gorąco powodują, że zdrow ienie statyczne doprowadzi do dalszego m ięknięcia m ateriału.

Prędkość zarodkow ania now ych ziam zw iększa się ze w zrostem gęstości dyslokacji i niejednorodności ich rozkładu dyslokacji w subziam ach, ze wzrostem odkształcenia e ( aż do początku stanu ustalonego płynięcia plastycznego es) i z m alejącym udziałem zdrowienia dynam icznego. Z drow ienie statyczne m oże tow arzyszyć zarodkow aniu now ych ziam poprzez zm niejszenie gęstości dyslokacji w ew nątrz subziam , kiedy zw iększa się gęstość dyslokacji w sąsiednich subziam ach (podczas zdrow ienia dynam icznego nie zm ienia się znacząco ani gęstość dyslokacji, ani rozm iar subziam ) [34].

W tablicy 2 przedstaw iono cechy mikrostruktury w pływ ające na kinetykę zdrowienia statycznego i dynam icznego - podano rów nież charakterystyki rozw oju m ikrostruktury w tych procesach [34].

2.3.1. Z drow ien ie statyczne

23

Cechy charakterystyczne zdrow ienia dynamicznego i statycznego [3 4 ]

Tablica 2

Zdrowienie dynamiczne Zdrowienie statyczne

M echanizm y zdrow ienia dynam icznego i statycznego są podobne - zachodzą: poślizg p oprzeczny, w spinan ie i anihilacja dyslokacji; zależne od tem peratury odkształcania lub tem peratury w yżarzania.

W iększa E B U sprzyja poligonizacji: zw iększa się średnica subziam , pow stają regularne ścianki subziam i zm niejsza się gęstość dyslokacji na granicach i w ew nątrz subziam .

K inetyka zdrow ienia dynam icznego zależy od substruktury, tem peratury, i prędkości odkształcania oraz naprężenia zew nętrznego. W zakresie ustalonego płynięcia plastycznego, podczas zdrow ienia dynam icznego pow staje substruktura o stałych param etrach geom etrycznych : ds, pw i p ; .

K inetyka zdrow ienia statycznego zależy od substruktury, tem peratury i naprężenia w ew nętrznego. Podczas w yżarzania prędkość zdrow ienia zm niejsza się z czasem , jeśli zm niejsza się siła napędow a (p i pw zm niejszają się, a d zw iększa się).

W w yniku zdrow ienia dynam icznego tw orzy się je dnolita substruktura o poszarpanych ściankach i odbudow anym w nętrzu subziam ; w ym iary

subziam zależą od naprężenia

uplastyczniającego o pm.

Zdrow ienie statyczne przebiega w dwu etapach: - praw ie hom ogeniczne zm niejszenie gęstości dyslokacji w ściankach oraz wew nątrz subziam ; - heterogeniczny rozrost subziam o średnicy ds pod w pływ em lokalnej siły napędowej.

Podczas zdrow ienia dynam icznego w tem peraturze odkształcania poligonizacja zachodzi w w iększym stopniu niż po odkształceniu na zim no i późniejszym w yżarzaniu w tem peraturze odkształcania.

Przy w ygrzew aniu po odkształceniu plastycznym na gorąco, podczas zdrow ienia statycznego procesy m ięknięcia zachodzą intensywniej niż podczas zdrowienia dynam icznego.

N aprężenia w ew nętrzne po zdrow ieniu dynam icznym s ą w iększe niż po zdrow ieniu statycznym .

Relaksacja naprężeń zm niejsza zakres zdrow ienia statycznego.

M ała intensyw ność um ocnienia odkształce­

niow ego 0 (0= d a/d E ) zw ykle zw iązana je s t z zaaw ansow aniem zdrow ienia dynam icznego.

Z drow ienie statyczne podczas w yżarzania zm niejsza naprężenie uplastyczniające ctp i zw iększa intensyw ność um ocnienia odkształ­

ceniow ego © przy obciążaniu.

24

2.3.2. R ekrystalizacja statyczna

R ekrystalizacja statyczna (RS) zachodzi po odkształceniu na gorąco podczas dalszego w ygrzew ania m ateriału, lecz przebiega przy mniejszej energii aktywacji niż rekrystalizacja zachodząca po odkształceniu na zim no i wyżarzaniu w tej samej tem peraturze ze względu na m niejszą, zm agazynow aną energią odkształcenia [86]. Gdy rekrystalizacja statyczna zachodzi bezpośrednio po zakończeniu rekrystalizacji dynam icznej, odbudowa m ikrostruktury odbyw a się przez dalszy rozrost zarodków rekrystalizacji dynamicznej.

Podobnie rekrystalizacja m etadynam iczna (M RD) nie w ykazuje okresu inkubacji, a pow stające ziarna są w iększe niż po rekrystalizacji dynam icznej [93]. W tablicy 3 przedstaw iono cechy m ikrostruktury w pływ ające na kinetykę rekrystalizacji dynamicznej i statycznej; podano rów nież charakterystyki rozw oju m ikrostruktury w tych procesach [34].

2.4. Zależności matematyczne i fizyczne opisujące odkształcenie materiału

Zależność pom iędzy naprężeniem , tem peraturą i prędkością odkształcania w warunkach w ysokotem peraturow ej przeróbki plastycznej opisują równania konstytutywne [26, 30, 54]:

Qog

A' a "= £ x exp v R T

A" x expf /3cr ) = ć x expf

\ R T J A [sinhf' a a j f = e x exp ( Q'

1= 2 (3)

= Z (4)

= Z (5)

V RT gdzie: A, A', A ", a, /3 ,n - stałe materiałowe;

o = l . 2x10'2 [MPa],

/3 = cm, dla stali austenitycznej z grupy 300 n=4+5 [11, 30, 70, 165],

odw rotność n = l/m (m w yraża czułość naprężenia na prędkość odkształcania).

R ów nanie (3) dobrze opisuje wyniki dośw iadczalne dla m ałego odkształcenia - stosow ane je s t do opisu krzywych odkształcenia przy pełzaniu wysokotem peraturowym . R ów nanie (4) używ a się z pow odzeniem do opisu pełzania, dla dużych naprężeń a (dla a a >

1.2) szczególnie dla stali stopowej odpornej na korozję i nadstopów niklu [87, 89].

W spółczynnik P = (an ) przyjm uje wartość rzędu 1-h1.5x10'3. M ożna w ykazać, że gdy a -> 0, rów nanie (4) m ożna aproksym ow ać do rów nania (3). A utorzy pracy [89] w skazują, że dla a a < 0.8 rów nanie w ykładnicze najlepiej opisuje krzyw ą płynięcia. W ykładnik n przyjmuje w tedy w artość od 4 do 5.

Tablica 3 Cechy charakterystyczne rekrystalizacji dynamicznej i statycznej [3 4 ]

Rekrystalizacja dynamiczna Rekrystalizacja statyczna

M echanizm y rekrystalizacji dynam icznej (dla g> ec.) i statycznej (dla e > ecs) są podobne:

> zarodkow anie odbyw a się na wybranych elementach mikrostruktury:

a) ruchliw ych granicach o dużej gęstości dyslokacji p w;

b) sąsiadujących obszarach o bardzo małej gęstości dyslokacji pi.

> R ozrost zarodków ziarn zależny je s t od różnicy m iędzy energią str e f w pobliżu granic subziarn a środkow ym i fragm entam i subziarn.

Oba procesy są przyspieszane, gdy w substrukturze po dużym odkształceniu zaszły ograniczone procesy zdrowienia.

O późnianie rekrystalizacji dynam icznej je st w yw ołane przez konkurencyjne z nim odkształcanie plastyczne prow adzące do pow stania nowej struktury dyslokacyjnej w odkształcanych ziarnach i zm niejszenia siły napędow ej procesu.

C hociaż zdrow ienie statyczne w spom aga zarodkow anie przez pow iększenie obszarów o małej wartości p i , to jed n ak rekrystalizacja statyczna je st ham ow ana przez pow stałą w ten sposób substrukturę, zm niejszającą siłę napędow ą procesu.

R ozrost ziarn podczas rekrystalizacji dynam icznej zostaje zaham ow any przez nowy cykl rekrystalizacji dynam icznej.

R ekrystalizacja statyczna zatrzym uje się po zetknięciu się zrekrystalizow anych ziam.

N astępuje rozrost ziam . Z arodkow anie rozpoczyna się gdy e i a

zw iększają się do w artości krytycznych e ci a c a intensyw ność um ocnienia odkształceniowego

© zm niejsza się.

Szybkość zarodkow ania zw iększa się, gdy odkształcenie e i naprężenie a zw iększają się, a intensyw ność um ocnienia odkształce­

niow ego 0 zm niejsza się (e cs> s c ).

Po odkształceniu zarodki rekrystalizacji dynam icznej ciągle rozrastają się - rekrysta­

lizacja m etadynam iczna.

Po zakończeniu rekrystalizacji dynam icznej, rekrystalizacja statyczna zachodzi, m im o że odkształcenie nie wzrasta.

R ekrystalizacja dynam iczna je st przyspieszona przez zw iększenie £ , odkształcenie ec zw iększa się, pow odując że ec > £s.

R ekrystalizację statyczną przyspiesza zw iększenie ś , £ w zrasta do w artości e s lub ec (ograniczając zdrow ienie statyczne).

R ekrystalizacją dynam iczną ham uje zm niej­

szenie £ , poniew aż zw iększa się udział zdrow ienia dynam icznego, co m oże prow adzić do pełzania ec> es.

R ekrystalizacja statyczna ham ow ana jest przez zm niejszenie £ , £cs > £s.

Gdy rekrystalizacja dynam iczna w ystąpi w zakresie odkształcenia £c, relaksacja naprężeń spow odow ana zm niejszeniem naprężenia pow strzym uje d alszą rekrystalizację dyna­

miczną.

Rekrystalizacja statyczna intensyfikuje się poprzez relaksację naprężeń, opóźniając zdrow ienie statyczne.

26

R ów nanie (5) dobrze opisuje wyniki dośw iadczalne w szerokim zakresie warunków odkształcania [47]. Rów nanie to zostało przekształcone przez Tanakę [94] do postaci (6):

er = (l/a )s in h '\eIŁ„ x e x p {0 /.R [(l/7 ’) - ( l / 7 '') ] } ] l/"

gdzie: £n - unormowana prędkość odkształcania.

(6)

T ’= Qog/ R ln A, charakterystyczna tem peratura, stała dla danego m ateriału, dla stali austenitycznej z grupy 300 wynosi odpow iednio [94]:

• dla stali 304 i 317 T ’= 1 4 8 6 K ,

• dla stali 316 T ’= 1 5 2 2 K ,

• dla stali 301 T ’=1403 K.

P aram etr Z enera-H ollom ona (Z) je st określany jako skorygow ana ze względu na tem peraturę prędkość odkształcania lub intensywność odkształcania (zależna od tem peratury odkształcania):

Z = £-x e x p' 0 R T

Param etr Z, Temperatura Rys. 3. Zależność odkształcenia krytycznego ec od parametru Z dla stali

304, 316 i 317 dla zajścia rekrystalizacji dynamicznej [87, 95]

Fig.3. Dependence o f critical deformation ec on Z parameter fo r steel 304, 316 and 317 fo r dynamic recrystallization occurrence [87, 95]

(7)

Param etr Z podczas odkształcania ze stałą prędkością e przy ustalo­

nej tem peraturze T ma teoretycznie wartość usta­

loną, zależną wyłącznie od T i £ . Z praktycznego punktu w idzenia utrzym a­

nie stałej wartości para m etru Z przy dowolnej prędkości odkształcania i odpow iednio dobranej tem peraturze prowadzi do uzyskania identycznego przebiegu charakterystyki odkształcania pod warun­

kiem , że Z i ( ś u Ti) = Z 2( ^ 2, T 2) itd. W skutek zm iany T i e zm ienia się rów nież w artość param etru Z, a tym 27

samym w artość odkształcenia e cniezbędna do zajścia rekrystalizacji dynam icznej (rys.3) [96].

Od w artości param etru Z zależy:

• przebieg funkcji naprężenie - odkształcenie [28|;

• w artość naprężenia uplastyczniającego - m aksym alnego i w stanie ustalonym a pni i ^p s (94);

• w artość odkształcenia em do osiągnięcia m aksimum naprężenia uplastyczniającego i do zapoczątkow ania rekrystalizacji dynam icznej

ec [95,97];

• rozm iar ziarna zrekrystalizow anego dynam icznie [98];

• kinetyka rekrystalizacji dynam icznej [99].

R ozdrobnienie ziam zachodzi wtedy, gdy param etr Z m a w artość m niejszą niż krytyczna

Zc,

zależna od w yjściow ego rozmiaru ziarna D0; zależności Z-D 0 oraz Z C-2D0 są wzajemnie podobne (rys.4) [87, 95]. Zatem w celu rozdrobnienia ziarna austenitu należy odkształcać stal przy m ożliw ie najw iększej wartości parametru Z, lecz nie większej od w artości krytycznej Z0 zależnej od rozm iaru początkow ego ziarna.

u H tc

a

a x

UJ

O O_i N O o

Rys.4. Zależność parametru Z od średenicy ziarna po rekrystalizacji dynamicznej w zakresie stanu ustalonego D, oraz Zc od D„ dla stali austenitycznej 301, 304, 316, 317 oraz stali węglowej 0.16%C o wyjściowym ziarnie 50 /a n [87, 95]

Fig. 4. Dependence o f Z parameter on the grain size after dynamic recrystallization in the range o f steady state D, and o fZ c on D0fo r austenitic steel 301, 304, 316, 317 and carbon steel 0.16%C o f initial grain 50 fjm [87, 95]

o o °C 18 N *.

_\

\ \ \ "Jo 'J * 'J’ O \ \

¹

i i I I 1 1 I 1 1~ 1

21 -23 °C 101»

18 " 900 ---*1—H — '-l o ‘C °C -22

900 17 N \ >s. . v \ Pojedynczy pk razdrobntenła ztam a ■000 20 ' 900 -900 10«

17_

^N

N \ * \ \ X D, 50|im -21 -1000

1000 . 1000 . 0301 w 18 \ ' \Ny\\ o \ ' 0 , ^ „ ^StaTo.lSC- 19

1000 _10"

16- o 304W 's

A 310W \ \ ^ 1000

-20 -1100 1100 15 . 11# □ 317W \

VSt«IO,18C

(Salol, Jon«) ''•XT\N o \

V '' \ \ ^304 -y 18

1100 -19 ’1200 10*

1200 H _ 120tf: — z o, .... ^Do

301

\ O - 17 - 1200

1100 -18

-1300 -1400 10»

-1500

1300 i3oi3 N 18 .1200 -10“

13- izybcotó odkxztafcwib 1,0«*

^N

\ O'\ 31'VO -17 1300 ~ 1400 1400 12 • M R X Im stadynam fczna ratoystafeacja)

A O

1300 15 107 1500 1500 12

I I I I 1 1 1 1 1 317 , I

^T

-18

0,8 0,9 1,0 1,1 U 1,3 1,4 1.5 1,8 17 1,8 1 2.0-1400 o w O T* 3 LO G W YJŚCIO W A W IELK O ŚĆ ZIARNA. D0 W

^(U)

D^nm

⁾

C O N co co 5 i 5 i 10 i 15 I 20 25 3040 45 co C i i T- T- O '"I

W IELK O ŚĆ ZIARNA STEADYSTATE. De W dubO^nm) °1

28

Sposoby w yznaczania funkcji opisujących naprężenie uplastyczniające m ateriałów w w arunkach kształtow ania na gorąco podlegają ciągłej ewolucji. Podstaw ow ą przyczyną jest rozwój w iedzy dotyczącej zjaw isk tow arzyszących procesom odkształcania plastycznego oraz m etodyki i narzędzi używ anych przy analizie i projektowaniu procesów przeróbki plastycznej [24]. O bliczenia krzyw ych płynięcia wysokotem peraturow ego dla stali grupy 300 oparte na naprężeniu m aksym alnym i odkształceniu podano w pracy [90]. U zyskanie popraw nego opisu funkcji naprężenia uplastyczniającego związane je st zarówno ze strukturą m atem atyczną tej funkcji, ja k i m etodyką eksperym entalnego w yznaczania w artości naprężeń uplastyczniających. Postać m atem atyczna funkcji pow inna uw zględniać zachodzące w m ateriale zjaw iska fizykalne, które decydują o chwilowej wartości naprężenia uplastyczniającego. Zjaw iska te zależą od tw orzyw a i w arunków kształtow ania oraz historii procesów technologicznych m ateriału poprzedzających m om ent rozpoczęcia symulacji procesu przeróbki plastycznej [166].

W celu określenia zasad doboru funkcji naprężenia uplastyczniającego na potrzeby kom puterowej sym ulacji konkretnego procesu technologicznego, niezbędne je st ustalenie podstaw ow ych grup funkcji naprężenia uplastyczniającego, ja k rów nież przeprowadzenie odpow iedniej klasyfikacji procesów przeróbki plastycznej.

Funkcje naprężenia uplastyczniającego m ożna podzielić na kilka grup różniących się rodzajem uw zględnionych param etrów opisujących warunki i przebieg odkształcenia oraz stan początkow y m ateriału [166]:

I - funkcje 0 p = f(e) uw zględniające jedynie wielkość odkształcenia bieżącego (e) , a w niektórych odm ianach naprężenia ( a 0) lub odkształcenia (ed ) stanu początkowego, II - funkcje Op = f (T, e , e) uw zględniające tem peraturę (T), prędkość ( f ) i wielkość (e)

bieżącego odkształcenia,

III - funkcje CTp = f(T, e , e, a w ) uw zględniające oprócz tem peratury, prędkości i wielkości odkształcenia, stan w ew nętrzny m ateriału ( a w ),

IV - funkcje Gp = f(T, £ , e, t), w których zm iennym i niezależnym i są: tem peratura, prędkość i w ielkość odkształcenia oraz czas (t),

V - funkcje uw zględniające zm ianę orientacji osi głów nych stanu odkształcenia w trakcie kształtow ania lub w kolejnych fazach i etapach kształtowania.

Funkcje grupy I (tabl. 4) są stosowane w program ach sym ulacji procesów przeróbki plastycznej na zimno. Dla procesów charakteryzujących się w całej objętości kształtowanego m ateriału przebiegiem odkształcenia zbliżonym do proporcjonalnego i m onotonicznego funkcje te w stopniu zadowalającym spełniają sw oje zadanie.

Funkcje grapy II (tabl.5) znajdują zastosowanie w programach komputerowej symulacji procesów przeróbki plastycznej na gorąco i w podwyższonej temperaturze. Zasadniczy problem tego typu funkcji polega na trudności dokładnego opisu zmiany naprężeń uplastyczniających dla całego zakresu odkształcenia materiałów wykazujących występowanie trzech zakresów odkształcenia: wzrostu (I), spadku (II) i ustabilizowanego naprężenia (III) (rys.5). Rozwiązania tego problemu są różne, ale często sprowadzają się do opisu poszczególnych zakresów odkształcenia odrębnymi wzorami.

Odkształcenie e

Rys.5. Wykres naprężenia uplastyczniającego dla określonej, stałej prędkości i temperatury odkształcenia [166]

Fig. 5. The diagram o f flow stress

Tablica 4 Zestawienie najczęściej stosowanych funkcji gru py I [16 6 ]

<7 p = a ' p o + C ( £ + £ „ ) "

ćTP = ćTpo + C f "

<Tp =C (e+eoy

<Tp = C s ?

crP = kz ”

gdzie: n, C, e 0 , CTp0 i <jpr - stałe materiałowe zj - odkształcenie teoretyczne,

m - funkcja odkształcenia wstępnego i teoretycznego.

Tablica 5 Zestawienie najczęściej stosowanych funkcji grupy II [166]

a„ = C £-n2exp(n, s ) e m exp(aT)

crP = C£-n2exp(n.£-) £{n3+ blT)exp(a7’) o-p = C f (n2+b2T)e x p (n ^ )f(n3+blT) exp( aT)

a, = C£-n2exp(ni£- ')£-(n3+blT) ex p (a r)

£

(m-— )

*crp = C e n2 e x p ( - n 2— )e T exp( - a T ) eP

Odkształcenie krytyczne ec wymagane w celu zapoczątkowania rekrystalizacji dynamicznej najczęściej wyznacza sięjako ułamek odkształcenia ep, z zależności [52]:

£c= 0 ,87 £p (8)

Dla stali 304 związek pomiędzy odkształceniem e p a warunkami odkształcania i mikrostrukturą wyraża się jako zależność od parametru Zenera-Hollomona Z i wyjściowej średnicy ziarna D0 [87]:

s , =

A "D o01iZ

° 125 (9)

gdzie: A stała materiałowa.

W przypadku pominięcia rozmiarów ziarna równanie (9) przyjmuje postać:

£

p

=AZ?

(10)

gdzie: A i C- stałe materiałowe.

Różne wartości naprężenia uplastyczniającego wynikają z mnogości funkcji opisujących odkształcenie metalu. Wybór funkcji naprężenia uplastyczniającego powinien uwzględniać czynniki, które mają istotne znaczenie dla konkretnego procesu przeróbki plastycznej, czyli [42, 166]:

• zjawiska strukturalne,

• przebieg odkształcenia w funkcji czasu,

• zmiana orientacji osi głównych stanu odkształcenia w kolejnych fazach i etapach odkształcenia.

31

Z asadniczym elem entem klasyfikacji procesów przeróbki plastycznej ze w zględu na p rze b ie g odkształcenia w funkcji czasu je st ciągłość prow adzenia procesu.

Procesy m o g ą być prow adzone w sposób:

a) ciągły,

b) sekw encyjny (przeryw any).

P odziału tego nie m ożna jed n ak traktow ać bardzo form alnie. K onieczna jest znajom ość przebiegu zjaw isk strukturalnych zachodzących w przerw ie pom iędzy odkształceniam i i w ynikających stąd skutków dla kolejnych odkształceń. Podstawowym czynnikiem decydującym o w ystępow aniu oddziaływ ania skutków odkształceń poprzedzających n a kolejne odkształcenie je s t czas przerw y m iędzy tym i odkształceniam i.

W pływ zm iany orientacji osi głów nych stanu odkształcenia w trakcie odkształcania lub w kolejnych fazach i etapach kształtow ania na w artość naprężeń uplastyczniających je st aktualnie przedm iotem intensyw nych badań. B adania te obejm ują opis fenom enologiczny [167] oraz zjaw iskow ą analizę procesów [168]. Ze w zględu na kryterium zm iany orientacji lokalnych składow ych odkształceń głów nych procesy kształtow ania m ożna podzielić na:

a) proporcjonalne i m onotoniczne, b) nieproporcjonalne i niem onotoniczne.

Sellars [82, 104] pierw szy zaproponow ał użycie m etod m atem atycznych do ustalenia zależności pom iędzy w skaźnikam i opisującym i zm iany m ikrostruktury austenitu bezpośrednio przed odkształceniem oraz w skaźnikam i opisującym i m ikrostrukturę austenitu podczas i po odkształceniu a param etram i odkształcania [21]. D alszy intensyw ny ju ż rozwój m etod m odelow ania rekrystalizacji dynam icznej przedstaw iono w pracach [23, 48, 55, 71, 74, 7 7 ,9 1 , 105-106].

W konstruow aniu m odelu opisującego m ikrostrukturę podczas odkształcania na gorąco istotne je s t określenie oddziaływ ania w arunków w ygrzew ania i odkształcania na gorąco (e , ś , T) na procesy zdrow ienia i rekrystalizacji dynam icznej. N ależy pam iętać o obecności i m orfologii w ęglików , azotków i w trąceń niem etalicznych, ja k i o kinetyce ich rozpuszczania podczas nagrzew ania do odkształcania i w ydzielania podczas chłodzenia po odkształceniu.

Znacznym postępem w m odelow aniu rozw oju m ikrostruktury podczas nagrzew ania lub chłodzenia po odkształceniu plastycznym na gorąco było określenie param etrów w yjściow ych:

> naprężenie uplastyczniające a p,

>

r o z m i a r z i a m z r e k r y s t a l i z o w a n y c h D r ,

> gęstość zarodków rekrystalizacji (N v),

> prędkość w zrostu zrekrystalizow anych ziam (D wz) 32

w zależności od liczby zmiennych wewnętrznych (S i— Sn) oraz chwilowych wartości zmiennych zewnętrznych:

• odkształcenie e,

• prędkość odkształcania e ,

• temperatura T.

Sellars [107] przedstawił te zależności za pomocą równań parametrycznych:

a , = f ( e , B , T , S , S . )

(11)

N v = f( e, £ , T , S,....S„) (12) D wz = f( e, £ , T , S i....S n) (13) Z parametrów strukturalnych najistotniejszy wpływ na te zmienne wywiera [107]:

• na naprężenie o p:

a) gęstość dyslokacji p, b) średnica subziam d.

• na rozm iary z ia m zrekrystalizowanych D r : a) średnica ziarna w yjściow ego Do;

b) średnica subziam d, rozkład i kąt dezorientacji subziam 0, c) gęstość dyslokacji p.

• na prędkość rozrostu ziarn zrekrystalizowanych D wz:

a) całkowita energia zmagazynowana, b) gęstość dyslokacji p,

c) średnica subziam d, rozkład i kąt dezorientacji subziam 0.

• ułam ek objętości zrekrystalizowanej dynamicznie Xdy0:

a) stopień i prędkość odkształcania, b) gęstość dyslokacji p,

c) średnica subziam d, rozkład i kąt dezorientacji subziam 0, d) powierzchnia względna granic ziam Sv

Zmiany rozmiarów ziam podczas normalnego rozrostu w warunkach izotermicznych w materiale nie zawierającym cząsteczek drugiej fazy wyrażane są najczęściej równaniem [79]:

D 1/p-D 01/p= k t exp{-Q gz/R T } (14)

gdzie: D - średnia średnica ziarna po czasie wyżarzania t;

p - stała materiałowa;

k - stała kinetyczna;

33