» » Особенности формирования структуры и свойств горячедеформированной стали
06.02.2015

Структурные изменения при горячей пластической деформации металлов изучены к настоящему времени достаточно широко. Установлено, что структура горячедеформированного аустенита сохраняет повышенную плотность дефектов кристаллического строения не только после охлаждения на воздухе, но и после сравнительно длительных выдержек при высокой температуре. Исследования показали, что при достижении определенного уровня горячего наклепа в стали протекают процессы разупрочнения: возврат, полигонизация, рекристаллизация. При горячей деформации стали процессы разупрочнения аустенита могут протекать как непосредственно в ходе деформирования, так и при последеформационной выдержке или охлаждении. Процессы разупрочнения, протекающие во время деформации, принято называть динамическими в отличие от статических, протекающих по окончании деформации.
Учитывая значительное влияние структуры горячедеформированного аустенита на формирование структуры и свойств стали, нами исследована динамическая рекристаллизация стали 33ГТ. Заготовки нагревали до 1200°С, подстуживали в специальной печи до температуры деформации (1100-750°С), прокатывали за один проход с различной величиной обжатия и немедленно охлаждали в воде. Для выявления зерна аустенита травление микрошлифов осуществляли в подогретом до 50-80°С насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с добавлением ПАВ «Синтол» с промежуточными переполировками. Количественную оценку размеров исходного зерна аустенита проводили по микрофотографиям.
Вследствие большой неравноосности зерен и разнозернистости, особенно после прокатки при пониженных температурах, была применена методика оценки величины зерна аустенита путем индивидуального промера 200-300 зерен на каждый режим обработки в двух направлениях: в направлении деформирующей силы и в направлении уширения раската. Условный диаметр определяли как среднее геометрическое этих величин. Коэффициент неравноосности оценивали их отношением.
На рис. 58 показана диаграмма рекристаллизации аустенита стали 33ГТ.
Особенности формирования структуры и свойств горячедеформированной стали

Поскольку перенос образцов из очага деформации в охлаждающую среду (воду) длился менее 1 с, а длительность пребывания аустенита в области повышенных температур достигала 3-5 с, нельзя полностью исключить влияние на формирование структуры стали процессов разупрочнения, происходящих при последеформационном охлаждении. Прежде всего следует отметить, что по сравнению с недеформированным состоянием после деформации с небольшими обжатиями (в данном случае 12-15%) выявлено укрупнение зерна аустенита. Наиболее крупные зерна наблюдали после прокатки при 900°С. Форма зерна близка к равноосной (рис.59). Коэффициент неравноосности зерен аустенита близок к значениям, характерным для недеформированного состояния, причем минимальные значения коэффициента соответствуют температурам прокатки 900-800°С. Разнозернистость аустенита, характеристикой которого является коэффициент вариации среднего диаметра зерна, повышается при малых степенях деформации по мере понижения температуры прокатки до 900°С. Рост зерна аустенита при малых степенях деформации обусловлен миграцией исходных большеугловых границ. Разупрочнение стали в этом случае связано с различной степенью горячего наклепа и ростом зерен с меньшей энергией за счет зерен с повышенной плотностью дефектов. Измельчение зерна аустенита при прокатке ниже 900°С связано с облегчением образования зародышей рекристаллизации и затруднением миграции высокоугловых границ.
Особенности формирования структуры и свойств горячедеформированной стали

Повышение степени обжатия до 24-28% приводит к некоторому уменьшению размеров зерен аустенита после высокотемпературной прокатки. Коэффициент неравноосности также изменяется слабо, уменьшается доля крупных зерен, что свидетельствует о достаточно высокой степени разупрочнения стали. Понижение температуры прокатки до 900-800°С обеспечивает получение относительно мелкого, незначительно вытянутого зерна аустенита, обладающего развитой субструктурой.
Дальнейшее увеличение степени деформации вплоть до 50% приводит к заметному развитию процессов рекристаллизации и, соответственно, к измельчению зерна аустенита. Однако процессы упрочнения превалируют над процессами разупрочнения. Особенно это проявляется при пониженных температурах прокатки, когда образуется вытянутое зерно аустенита с высоким коэффициентом неравноосности, увеличивающимся с понижением температуры и повышением степени деформации (см. рис. 59). О высокой плотности дефектов кристаллического строения внутри аустенитых зерен свидетельствует тот факт, что даже весьма быстрым охлаждением (в воде) не удается подавить перлитное превращение аустенита. После прокатки при 750°С с обжатием не менее 35% и последующего охлаждения в воде структура стали состояла только из перлита и феррита.
Описанные особенности строения горячедеформированного аустенита, как будет показано ниже, существенно влияют на структуру и свойства горячекатаной стали. Однако в общем случае, особенно если охлаждение после деформации происходит достаточно медленно, структура аустенита перед его распадом может изменяться за счет процессов статического разупрочнения.
Статическая рекристаллизация вслед за динамической может протекать без инкубационного периода. Показано, что степень развития статической рекристаллизации при последеформационных выдержках динамически рекристаллизованного металла растет с увеличением температуры горячей деформации и длительности последеформационной выдержки. Характер влияния параметров горячей пластической деформации (температуры, степени и скорости деформации) на статическую рекристаллизацию стали аналогичен описанному выше изменению кинетики разупрочнения непосредственно в процессе прокатки. Значительные объемы металла сохраняют образовавшуюся в результате деформации дислокационную структуру и не обнаруживают тенденции к рекристаллизации. Статическая рекристаллизация может протекать одновременно как за счет миграции образующихся в результате динамической рекристаллизации высокоугловых границ, так и за счет образования новых зародышей рекристаллизации и последующего их роста. В зависимости от того, какой механизм преобладает, наблюдается либо заметный рост зерен, либо их измельчение. Зародыши рекристаллизации в горячедеформированной стали в процессе последеформационной выдержки образуются преимущественно на границах зерен, тройных стыках, по границам двойников и субзерен, на деформационных полосах, а также в «окрестностях» границ зерен.
Таким образом, на формирование структуры горячедеформированного аустенита оказывает влияние деформация и условия последеформационного охлаждения. Поскольку последние могут изменяться, то возможно получение и различных, порой противоречивых результатов при одинаковом варьировании параметров деформации.
Представляет интерес оценка влияния легирования сильными карбидообразующими элементами на рекристаллизационные процессы в стали. Известно, что горячая пластическая деформация оказывает ускоряющее влияние на выделение карбонитридных фаз, причем это влияние усиливается с понижением температуры и повышением степени деформации. Изменение кинетики разупрочнения аустенита в сталях, микролегированными сильными карбидо- и нитридообразующими элементами, обусловлено прежде всего выделением как в момент деформации, так и сразу после ее завершения, дисперсных карбидов, карбонитридов или нитридов этих элементов, а также некоторым, хотя и слабым, влиянием частиц, сохранившихся в процессе нагрева либо образовавшихся при выдержке перед деформацией. В работе показано, что выделение избыточных карбонитридов титана в горячедеформированной стали 08X18Н10Т тормозит не только рекристаллизацию, но и разупрочнение на дорекристаллизационной стадии. Эффект влияния элементов тем сильнее, чем более полно растворяются карбонитриды в твердом растворе.
Карбид ванадия интенсивно растворяется в аустените уже при 850°С, нитрид - при 1050°С. Карбиды и карбонитриды ниобия растворяются при более высоких температурах. Карбид титана растворяется легче, чем карбид ниобия, карбонитриды же титана практически нерастворимы в аустените. С этим связаны трудности использования титана как упрочняющего элемента при контролируемой прокатке. Очевидно, действие его может быть достаточно эффективным лишь при условии удаления из стали азота.
Введение в сталь сильных карбидообразующих элементов усиливает воздействие понижения температуры прокатки. Влияние дисперсных выделений карбонитридов этих элементов, образующихся во время деформации и после ее окончания, связывают в основном с торможением рекристаллизации вследствие смещения в сторону более высоких температур начала динамической и статической рекристаллизации и замедления миграции зеренных границ в результате барьерного действия частиц.
Марганец усиливает эффект введения в сталь микродобавок сильных карбидо- и нитридообразующих элементов, поскольку облегчает растворение прочных карбидов и карбонитридов. Это способствует более полному переводу этих элементов в твердый раствор при нагреве, растворению крупных частиц карбидов и карбонитридов, не оказывающих существенного влияния на рекристаллизацию горячедеформированного аустенита и упрочнение стали и, соответственно, приводит к увеличению числа дисперсных частиц, выделяющихся из твердого раствора при деформации и последующем охлаждении стали.
Указанные особенности влияния карбидо- и нитридообразующих элементов на рекристаллизационные процессы в аустените практически реализуются при контролируемой прокатке малоуглеродистых сталей. Контролируемую прокатку считают вариантом TMO с охлаждением на воздухе.