Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии

Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали, подвергнутой теплой винтовой экструзии (ВЭ). Методом дифракции обратнорассеянных электронов показано, что теплая ВЭ малоуглеродистой стали приводит к увеличению изотропности структуры, к значительной фрагментации и акти...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
1. Verfasser:	Завдовеев, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2013
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69675
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии / А.В. Завдовеев // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 100-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-69675
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-696752014-10-19T03:01:58Z Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии Завдовеев, А.В. Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали, подвергнутой теплой винтовой экструзии (ВЭ). Методом дифракции обратнорассеянных электронов показано, что теплая ВЭ малоуглеродистой стали приводит к увеличению изотропности структуры, к значительной фрагментации и активации механизмов полигонизации, динамической рекристаллизации и зернограничному проскальзыванию. Данные структурные особенности позволили повысить прочность материала в 1.5 раза с сохранением высокого уровня пластичности. Розглянуто особливості формування структури та власивостей маловуглецевої сталі при теплій гвинтовій екструзії (ГЕ). Методом дифракції зворотньорозсіяних електронів показано, що тепла ГЕ маловуглецевої сталі призводить до збільшення ізотропності структури, значної фрагментації та активації механізмів полігонізації, до динамічної рекристалізації та зернограничного прослизання. Дані структурні особливості дозволили підвищити міцність матеріалу в 1.5 рази із збереженням високого рівня пластичності. The new developing technologies of metal formation based on simple shear are called severe plastic deformation (SPD). Their advantage is that they allow obtaining materials with unique complex properties combining high strength and plasticity as distinct from classical methods of metal forming. Numerous structural studies have been carried out for SPD-processed materials, such as Al, Ti, Cu and their alloys. Such complex systems as steels have not been adequately investigated because of labor intensive deformation processes. However, the studies are in progress. Due to insufficient knowledge of the structural changes occurring in low-carbon steels during SPD, there is a need for a more detailed consideration by modern methods. Thus, electron backscattered diffraction is a relatively new method, which allows a detailed study of the structure of metals. The paper discusses the characteristics of the formation of structure and texture of low-carbon steel subjected to warm twist extrusion (TE). 2013 Article Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии / А.В. Завдовеев // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 100-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.72.Bb, 62.20.Fe http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69675 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали, подвергнутой теплой винтовой экструзии (ВЭ). Методом дифракции обратнорассеянных электронов показано, что теплая ВЭ малоуглеродистой стали приводит к увеличению изотропности структуры, к значительной фрагментации и активации механизмов полигонизации, динамической рекристаллизации и зернограничному проскальзыванию. Данные структурные особенности позволили повысить прочность материала в 1.5 раза с сохранением высокого уровня пластичности.
format	Article
author	Завдовеев, А.В.
spellingShingle	Завдовеев, А.В. Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии Физика и техника высоких давлений
author_facet	Завдовеев, А.В.
author_sort	Завдовеев, А.В.
title	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
title_short	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
title_full	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
title_fullStr	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
title_full_unstemmed	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
title_sort	особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2013
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69675
citation_txt	Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии / А.В. Завдовеев // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 100-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT zavdoveevav osobennostiformirovaniâstrukturyisvojstvmalouglerodistojstalipriteplojvintovojékstruzii
first_indexed	2025-07-05T19:08:36Z
last_indexed	2025-07-05T19:08:36Z
_version_	1836835161408274432
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 © А.В. Завдовеев, 2013 PACS: 61.72.Bb, 62.20.Fe А.В. Завдовеев ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ТЕПЛОЙ ВИНТОВОЙ ЭКСТРУЗИИ Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина Статья поступила в редакцию 22 октября 2013 года Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств малоуглероди- стой стали, подвергнутой теплой винтовой экструзии (ВЭ). Методом дифракции обратнорассеянных электронов показано, что теплая ВЭ малоуглеродистой стали приводит к увеличению изотропности структуры, к значительной фрагментации и активации механизмов полигонизации, динамической рекристаллизации и зерно- граничному проскальзыванию. Данные структурные особенности позволили повы- сить прочность материала в 1.5 раза с сохранением высокого уровня пластично- сти. Ключевые слова: дифракция обратнорассеянных электронов, структура, текстура, высокоугловые границы, винтовая экструзия, динамическая рекристаллизация, механические свойства Розглянуто особливості формування структури та власивостей маловуглецевої сталі при теплій гвинтовій екструзії (ГЕ). Методом дифракції зворотньорозсіяних електронів показано, що тепла ГЕ маловуглецевої сталі призводить до збільшення ізотропності структури, значної фрагментації та активації механізмів полігонізації, до динамічної рекристалізації та зернограничного прослизання. Дані структурні особливості дозволили підвищити міцність матеріалу в 1.5 рази із збереженням високого рівня пластичності. Ключові слова: дифракція зворотньорозсіяних електронів, структура, текстура, висококутові границі, гвинтова екструзія, динамічна рекристалізація, механічні властивості Введение Получение объемных субмикро- и нанокристаллических материалов, об- ладающих уникальными эксплуатационными и физико-механическими ха- рактеристиками [1−4], становится одной из важнейших задач физики твер- дого тела. Прежде всего, это касается малоуглеродистых сталей, широко ис- пользуемых для изготовления различных изделий и деталей в строительстве Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 101 и промышленности. Перспективными средствами формирования субмикро- и нанокристаллических материалов на сегодня являются методы интенсив- ной пластической деформации (ИПД), в частности винтовая экструзия [5]. Применение ВЭ к обработке сталей, в отличие от равноканального углового прессования [4], носит единичный характер [6]. Ранее было показано [7−9], что теплая ВЭ приводит к снижению текстурированности в поперечном се- чении, формированию мелкодисперсной структуры с преимущественно рав- ноосными зернами и выраженной разнозернистостью, однако анизотропия структуры в продольном сечении не исследовалась. Целью работы является изучение особенностей формирования структуры, текстуры и свойств малоуглеродистой стали марки 20Г2С в различных на- правлениях относительно оси деформации при теплой ВЭ. Методика эксперимента В качестве материала для исследований использовали малоуглеродистую сталь 20Г2С конструкционного назначения (% по массе: 0.24 C; 1.66 Mn; 1.2 Si; 0.14 Cr; 0.24 Ni; 0.01 Al; 0.06 Cu; 0.04 S; 96.41 Fe), отожженную при 900°С (1 h), подвергнутую теплой ВЭ. Метод деформации ВЭ заключается в том, что призматический образец продавливается через матрицу с винтовым каналом [5]. При этом размеры образца не изменяются, что позволяет нака- пливать значительные степени деформации. ВЭ осуществляли при темпера- туре заготовки 400°С и температуре оснастки 320°С. Давление прессования не превышало 1200 МРа, приложенное противодавление составляло 100 МРа. Величина единичной степени деформации за один проход е ≈ 2, а накоплен- ная деформация за три прохода – е ≈ 6. Детальное описание режима дефор- мирования представлено в [7]. Механические испытания были проведены методом осадки. Микрострук- турный анализ выполнен методами просвечивающей электронной микроско- пии (ПЭМ) углеродистых реплик и дифракции обратнорассеянных электронов (ДОЭ). Подготовка образцов для ДОЭ-исследований детально описана в [7]. Результаты и обсуждение Анализ изменения структуры, представленной на рис. 1, показывает, что теплая ВЭ приводит к значительной фрагментации структурных составляю- щих как феррита, так и перлита. Средний размер зерна феррита после де- формации уменьшается от 15 до 5 μm. Карты контрастов, полученные мето- дом ДОЭ (рис. 1,а,в,д), подтверждают, что микроструктура после теплой ВЭ измельчается в несколько раз. При этом наряду с мелкими наблюдаются и крупные равноосные зерна как в поперечном, так и в продольном сечении. Данные ПЭМ (рис. 1,б,г,е) показывают, что теплая ВЭ приводит к смене морфологии перлита. Цементитные пластинки после деформации сущест- венно фрагментируются (рис. 1,б), и в продольном сечении (рис. 1,е) наблю- дается направленность остатков пластин вдоль полос скольжения. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 102 а б в г д е Рис. 1. Микроструктура стали 20Г2С: а, в, д – ДОЭ-карты контрастов; б, г, е – ПЭМ, ×5000; а, б – исходное состояние; в, г – теплая ВЭ, поперечное сечение; д, е – теплая ВЭ, продольное сечение Количественный анализ распределения ферритных зерен по размерам, представленный на (рис. 2,а), показал наличие зерен двух типов – крупных (10−30 μm) и мелких (1.5−10 μm) в обоих сечениях. При этом в продольном се- чении число зерен, превосходящих 10 μm, больше, чем в поперечном сечении. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 103 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 Fr eq ue nc y, % d, μm 1 2 3 4 5 0 40 80 120 N um be r o f g ra in s Aspect ratio а б 1 2 3 0 0.2 0.4 I, ar b. u ni ts d/<d > 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 Misorientation angle, Θ Fr eq ue nc y, % в г Рис. 2. Количественные данные структурного анализа стали 20Г2С: а – частота распределения зерен по размерам: ■ − исходное состояние, ○ − ВЭ, поперечное се- чение, △ − ВЭ, продольное сечение; б – частота распределения фактора формы: ▧ − исходное состояние, ■ − ВЭ, поперечное сечение, ▤ − ВЭ, продольное сечение; в – распределение зерен по размерам в нормированных координатах: ■, □ − исходное состояние, зерна крупные и мелкие соответственно; ●, ○ − ВЭ, зерна крупные и мелкие соответственно; г – распределение углов разориентировок границ зерен: □ − исходное состояние, ● − ВЭ, поперечное сечение, △ − ВЭ, продольное сечение Анализ фактора формы также показал, что в продольном сечении превали- руют вытянутые зерна (с фактором формы, равным 2), в то время как в по- перечном сечении – равноосные (рис. 2,б). Это свидетельствует о неодно- родности структуры в обоих сечениях образцов малоуглеродистой стали, подвергнутых теплой ВЭ, которая должна сказаться на механических харак- теристиках при дальнейшей деформации. Статистический анализ данных по размерам зерен двух групп (менее 10 и бо- лее 10 μm) в нормированных координатах дает представление о механизмах формирования структуры при теплой ВЭ (рис. 2,в). Выбор такого разделения зе- рен по размерам обусловлен тем, что по результатам работы [10] для развития механизма зернограничного проскальзывания необходимым критерием является Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 104 наличие равноосных зерен, не превосходящих 10 μm. Из рис. 2,в видно, что в ис- ходном состоянии крупные и мелкие зерна имеют схожее распределение. После деформации в отличие от распределения мелких зерен таковое для крупных зе- рен изменяется существенно, так как возрастает удельная доля зерен с размером меньше среднего, что свидетельствует о протекающем процессе фрагментации больших зерен. Неизменность характеристик распределения мелких зерен свиде- тельствует о зернограничном проскальзывании в ходе теплой ВЭ. На рис. 2,г представлено распределение углов разориентировок границ зерен, из которого видно, что при теплой ВЭ, наряду с формированием высокой удель- ной доли малоугловых границ зерен, также формируется значительная доля большеугловых границ. Из рисунка видно, что количество последних при теплой ВЭ практически сравнимо с их долей в отожженном состоянии. Эти данные сви- детельствуют об активных процессах как фрагментации, так и полигонизации. Метод ДОЭ позволяет провести количественный анализ распределения рекри- сталлизованных зерен [7]. Так, их доля в исходном состоянии составляет 30%, а после теплой ВЭ – 7.5% (поперечное сечение) и 5% (продольное сечение). В си- лу того, что деформацию осуществляли при температуре гораздо ниже порога рекристаллизации в стали, наличие рекристаллизованных зерен после теплой ВЭ свидетельствует о протекании динамической рекристаллизации [9]. Согласно данным работы [8] теплая ВЭ приводит к снижению интенсив- ности текстурных максимумов и размытию текстуры в поперечном сечении. Результаты исследования текстурированности в продольном сечении пока- зали, что теплая ВЭ вызывает снижение интенсивности текстурных пиков. В целом это позволило провести реконструкцию структуры в объеме и устано- вить, что при теплой ВЭ формируются вытянутые мелкодисперсные зерна, расположенные под углом 30−60° к оси экструзии. Обнаруженные структурные особенности позволили повысить прочность материала в 1.5 раза с сохранением высокого уровня пластичности (рис. 3). Установлено, что при последующем деформировании методом осадки вдоль направления экструзии наблюдается традиционное поведение кривой уп- рочнения, в то время как при деформации поперек направления экструзии кривая упрочнения идет более полого (рис. 3, кривая 2). Этот факт обуслов- лен, вероятно, проявлением эффекта Баушингера, а также особенностями структуры, сформированной при ВЭ. 0 0.05 0.10 0.15 0 0.4 0.8 1.2 3 ε, % Tr ue st re ss , G Pa 1 2 Рис. 3. Зависимость напряжения от де- формации стали 20Г2С при испытаниях на осадку: 1 – исходный образец; 2, 3 – ось ВЭ соответственно перпендикуляр- на и параллельна оси осадки Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 105 Выводы В работе показано, что теплая ВЭ приводит к фрагментации структурных составляющих малоуглеродистой стали: феррита и перлита. Зерна феррита после деформации измельчаются в 3 раза (с 15 до 5 μm) и характеризуются значительной удельной долей большеугловых границ. Структура отличается разнозернистостью, т.е. наличием зерен двух типов – крупных (10−30 μm) и мелких (1.5−10 μm). При этом наблюдается неоднородность структуры, в продольном сечении превалируют вытянутые зерна (с фактором формы, равным 2), в поперечном – равноосные. Показано, что в процессе деформации теплой ВЭ структура малоуглеро- дистой стали формируется под действием поэтапного развития механизмов динамической рекристаллизации и полигонизации, зернограничного про- скальзывания, фрагментации. Установлено, что повышение прочности материала в 1.5 раза (с сохране- нием высокого уровня пластичности) связано со структурными особенно- стями, сформированными теплой ВЭ. Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Е.Г. Пашинской, к.ф.-м.н. Н.Н. Белоусову, В.В. Бурховецкому, Ф.И. Глазунову за помощь в проведе- нии экспериментов и обсуждение результатов и отдельную благодарность − д.т.н. С.В. Добаткину за предоставленный материал для исследований. Работа выполнена при поддержке гранта НАН Украины для молодых ученых «Особенности формирования субмикрокристаллической структуры, текстуры и свойств малоуглеродистой стали, полученной винтовой экстру- зией» № 0113U003684. 1. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Наноструктурные материалы, полученные интен- сивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000). 2. Е.Г. Пашинская, Физико-механические основы измельчения структуры при комбинированной пластической деформации, Вебер, Донецк (2009). 3. Y. Estrin, A. Vinogradov, Acta Mater. 61, 782 (2013). 4. С.В. Добаткин, П.Д. Одесский, Р. Пиппан, Г.И. Рааб, Н.А. Красильников, А.М. Ар- сенкин, Металлы № 1, 110 (2004). 5. Я.E. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков, Винтовая экструзия – процесс накопления деформаций, ТЕАН, Донецк (2003). 6. Е.Г. Пашинская, М.М. Мышляев, С.Ю. Миронов, В.Н. Варюхин, ФММ 105, № 1, 86 (2008). 7. Е.Г. Пашинская, В.Н. Варюхин, А.В. Завдовеев, В.В. Бурховецкий, В.А. Глазунова, Деформация и разрушение материалов № 6, 35 (2012). 8. Е.Г. Пашинская, А.В. Завдовеев, Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении. Сборник научных тру- дов 13, № 1, 134 (2012). Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4 106 9. E. Pashinska, V. Varykhin, S. Dobatkin, A. Zavdoveev, Emerging Materials Research 2, issue EMR3, 139 (2013). 10. О.А. Кайбышев, Ф.З. Утяшев, Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов, Наука, Москва (2002). A.V. Zavdoveev FEATURES OF FORMATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF LOW-CARBON STEEL AFTER WARM TWIST EXTRUSION The new developing technologies of metal formation based on simple shear are called severe plastic deformation (SPD). Their advantage is that they allow obtaining materials with unique complex properties combining high strength and plasticity as distinct from classical methods of metal forming. Numerous structural studies have been carried out for SPD-processed materials, such as Al, Ti, Cu and their alloys. Such complex systems as steels have not been adequately investigated because of labor intensive deformation pro- cesses. However, the studies are in progress. Due to insufficient knowledge of the struc- tural changes occurring in low-carbon steels during SPD, there is a need for a more de- tailed consideration by modern methods. Thus, electron backscattered diffraction is a relatively new method, which allows a detailed study of the structure of metals. The paper discusses the characteristics of the formation of structure and texture of low-carbon steel subjected to warm twist extrusion (TE). As the SPD, warm TE was applied at the temperature of 400°C. It should be noted that after warm deformation of low carbon steel, recrystallized ferrite grains are observed in the material. Qualitative and quantitative analysis of statistics shows effective influence of the twist extrusion on the structure of steel. Electron backscattering diffraction demon- strates that the warm TE increases the structure isotropy, results in significant fragmenta- tion and activation of the mechanisms of dynamic polygonisation and recrystallization, grain boundary sliding. These structural features have led to hardening of the material in 1.5 times, with maintaining a high level of plasticity. Keywords: electron backscattering diffraction, structure, texture, high angle boundaries, twist extrusion, dynamical recrystallization, mechanical properties. Fig. 1. Microstructure of low-carbon steel 20G2S: а, в, д – EBSD maps of band contrast; б, г, е – TEM, ×5000; а, б – the initial state; в, г – warm TE, cross section; д, е – warm TE, longitudinal section Fig. 2. Data of the structure analysis of low-carbon steel 20G2S: а – size distribution of grains: ■ − initial state, ○ − TE, cross section, △ − TE, longitudinal section; б – aspect ratio of grains: ▧ − initial state, ■ − TE, cross section, ▤ − TE, longitudinal section; в – size distribution of grains in normalized coordinates: ■, □ − initial state, big and small grains accordingly; ●, ○ − TE, big and small grains, respectively; г – misorientation angle distribution of grain boundaries: □ − initial state, ● − TE, cross section, △ − TE, longitu- dinal section Fig. 3. Stress-strain curve for low-carbon steel 20G2S, upsetting tests: 1 – initial state; 2, 3 – TE axis is perpendicular and parallel to the axis of upsetting, respectively

Особенности формирования структуры и свойств малоуглеродистой стали при теплой винтовой экструзии

Institution

Ähnliche Einträge