Влияние деформации на структуру и свойства стали

Известно, что холодная пластическая деформация сопровож-дается образованием новых дислокаций, дроблением зерен, возникновением неоднородности структуры. Коэрцитивная сила ферромагнитного материала очень чувствительна к структурным изменениям, вызванным механическими деформациями. Величина коэрцитивной силы в значительной степени зависит от вида структурных составляющих стали, содержания элементов, их ликвации даже в пределах одной марки стали. В известных работах рассмотрена возможность практического использования коэрцитивной силы для оценки средней величины внутренних неоднородных напряжений в деформированных феррито-перлитных сталях.

Поэтому представляется актуальным рассмотреть влияние пластической деформации на структуру и свойства низкоуглеродистой стали, которая широко используется в машиностроении и металлургии (трубное производство).

Цель работы проведение исследований микроструктуры стали 20 для установления влияния холодной пластической деформации (растяжения) на анизотропию ее физических и механических свойств.

Исследовали образцы до и после растяжения из низкоуглеродистой листовой стали толщиной 5  мм (Ст20пс). Анализу подвергали образцы, деформированные растяжением на 12, 8  %, вырезанные вдоль и поперек деформации в зоне разрушения. Одновременно сопоставительно исследовали образцы исходного металла и, вырезанные из зоны захвата и вблизи нее.

Для установления влияния деформации путем оценки изменения уровня коэрцитивной силы использовали прибор КРМЦ-К2М фирмы «Новые научные разработки» (г.Харьков). Микротвердость определяли при нагрузке 20г на приборе ПМТ-3. Микроструктуру оценивали при увеличениях × 1000.

Результаты исследований. Образцам, вырезанным из металла в состоянии поставки, характерен уровень коэрцитивной силы (Нс) в долевом и поперечном направлениях 3, 3А  /  см и 3, 9А  /  см соответственно. Коэффициент анизотропии составил А=0, 87. После деформации в поперечном направлении коэрцитивная сила составила 9, 3А  /  см. структура исследуемой стали представляет собой феррит и перлит.

Рис. 1. Неметаллические включения в стали Ст20 в состоянии поставки: а — следы деформации, окислы железа и алюмосиликаты; б — карбонитриды V и Ti, × 1000

Исходные образцы до травления характеризуются наличием значительного количества неметаллических включений. Это окислы железа (рис.1, а), которые не имеют огранки, и мелкие ограненные включения. Судя по их различным оттенкам и форме, они могут принадлежать карбидам и карбонитридам ванадия и титана (рис. 1, б). Кроме того, выявлено и большое количество мелких и точечных включений темного цвета без огранки, что характерно для алюмосиликатов (рис. 1, а). Крупные включения окислов железа при полировке шлифа выкрашиваются, оставляя след (рис. 1, а). Наличие такой гаммы и количества неметаллических включений в низкоуглеродистой стали обыкновенного качества свидетельствуют о засоренности шихтовых материалов примесями (V и Ті), плохой раскисленностью металла и нарушением технологического процесса плавки.

Рис. 2. Поры (а), надрывы (б) и расслоения (в) исходного металла стали Ст20 в состоянии поставки: а — исходный; б, в — после травления 4  %-ным раствором HNO3, × 1000

Исходные образцы металла отличаются пористостью, наличием надрывов и расслоениями. Прокат характеризуется волнистостью поверхности (низкая планшетность), трещинообразованием (рис. 2, а, б). После травления шлифов 4  %-ным раствором HNO3 выявлена существенная неоднородность металла по распределению основных структурных составляющих феррита и перлита.

Доля перлита изменяется от 3‑ 5  % в поле зрения шлифа до 20‑ 30  %. В ряде случаев зерна вытянуты вдоль направления прокатки (рис. 2, 3). В зернах с минимальной долей перлита выявлены отдельные зерна цементита, которые выделяются как в виде отдельных включений, так и прослоек по границе ферритного зерна, (рис. 2, б).

Рис. 3. Деформация зерен металла вдоль направления прокатки при неоднородном содержании перлита: а — до 20‑ 30  %; б — 3‑ 5  % (содержится карбидная фаза цементитного типа). Травление 4  %-ным раствором HNO3, × 1000

Что касается металла анализируемых шлифов из различных зон (захвата и мест разрушения), то они по загрязненности не отличаются от исходного, не подвергавшегося деформации.

В нетравленных образцах, в зонах захвата и в вырезанных в долевом и поперечном направлениях по месту разрыва, выявлено большое количество как точеных, так и более крупных пор, а также надрывы и расслоения (рис. 4).

Известно, что наличие напряжений от неметаллических включений и порообразование оказывают влияние на уровень коэрцитивной силы.

При деформации поверхность образца по месту разрушения становится еще более неровной (волнистой), особенно это проявляется на шлифах, вырезанных в долевом направлении (рис. 5, е).

Рис. 4. Неметаллические включения (а, б, г), надрывы (в, д, е) с поло-сами дефектов, экструзия (д) и трещины (д, е) в исходном металле стали Ст20 в состоянии поставки, × 1000 (1 — полоса дефектов; 2 — неметаллические включения; 3 — надрывы; 4 — экструзия; 5 — трещины; 6 — надрывы в месте скопления неметаллических включений)

Во всех деформационных образцах выявлены трещины с отслоениями у их поверхности. При этом отслоившиеся зоны металла отличаются наиболее белым цветом, который может принадлежать как карбидной фазе, так областям феррита, насыщенных углеродом. Это может значительно изменять уровень коэрцитивной силы (рис. 5, a-в). На поперечных шлифах такая зона выявляется и под отслоениями (рис. 5, б). Более интенсивное трещинообразование характерно для поперечных образцов (рис. 5, а, б, г, д). Оно имеет место, как у его поверхности, так и по сечению. Независимо от места вырезки деформированных образцов выявлены надрывы и полосы скольжения от неметаллических включений (рис. 5, а, е). На травленых шлифах также выявлена структурная неоднородность, характерная для исходного (не деформированного) образца (рис. 6, 7, 8).

Рис. 5. Трещины, отслоения, надрывы и полосы скольжения от неме-таллических включений после деформации стали Ст.20 для образцов, выре-занных в поперечном (а-д) и долевом (е) направлениях, × 1000 (1 — неметал-лические включения; 2 — надрывы у неметаллических включений; 3 — полосы скольжения у неметаллических включений)

Все травленые деформированные образцы, вырезанные из зоны захвата, в долевом и поперечном направлении, отличаются несколько большей деформацией перлитных зерен, чем исходный металл. Причем наибольшая степень деформации характерна для поперечных образцов (см. рис. 8).

Во всех деформированных образцах выявляется текстура феррита в виде темных точек, которые в ряде случаев выстраиваются в параллельно расположенные полосы. При этом интенсивнее проявляются границы ферритных зерен. Такая структура также является неоднородной (см. рис. 8, а, б, в).

Сравнительный статистический анализ оценки микротвердости при на-грузке 20 г выявил значительный разброс значений:

—  исходный образец Н-20-89÷ 108 (среднее значение Н-20-95),

—  образец долевой деформированный в зоне разрушения Н-20‑ 89‑ 125 (среднее значение Н-20-112),

—  образец поперечный деформированный в зоне разрушения Н-20‑ 94‑ 135 (среднее значение Н-20-117).

Выявлено, что при наличии большой доли фрагментированной структуры феррита средняя микротвердость при деформации на долевых образцах повышается на 7  %, а на поперечных — до 10  %. При этом отклонения в изменении микротвердости в исходном образце не превышают 7, 5  %, а в деформационном, независимо от направления вырезки образцов, возрастают до 16, 3‑ 16, 4  %.

Оценка анизотропии феррита (отношение микротвердости феррита поперечного к долевому образцу) А =117  /  112 = 1, 04.

Рис. 6. Неоднородная структура исходного металла стали Ст20 в со-стоянии поставки (зона захвата), содержащего 8‑ 10  % (а), 18‑ 20  %) (б) и 20‑ 25  % (в) перлита соответственно. Травление 4  %-ным раствором HNO3, × 1000

При деформации отмечается фрагментация зерен феррита и они становятся серого цвета. Можно предположить, что в процессе деформации (в зоне разрушений) имеет место дробление перлита и увеличение подвижности атомов углерода. Это требует дальнейших исследований с применением современных и новых методик структурного анализа.

Рис. 7. Неоднородная структура исходного металла стали Ст20 в доле-вом направлении после деформации, содержащего 5‑ 8  % (а), 8‑ 10  %) (б) и 10‑ 12  %) (в) перлита соответственно. Травление 4  %-ным раствором HNO3, × 1000

Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что при деформации растяжением сталь 20 приобретает остаточные напряжения II рода, что подтверждается увеличением коэрцитивной силы и магнитной анизотропии. Имеет место анизотропия феррита (выявленная с помощью статистического анализа микротвердости). Металлографический микроструктурный анализ выявил следующие структурные изменения: особенности структурообразования на поверхности образца после деформации; наличие напряжений от неметаллических включений; порообразование; неоднородность структуры; появление включений цементита.

Рис. 8. Неоднородная структура металла стали Ст20 в поперечном на-правлении после деформации, содержащего 8‑ 10  % (а), 12‑ 14  % (б) и 15‑ 17  %) (в) перлита соответственно. Травление 4  %-ным раствором HNO3, × 1000 (1 — неметаллические включения; 2 — перлит; 3 — полоса дефектов)

Данные факторы в совокупности определяют частичное изменение уровня Нс образца после деформации. Однако они полностью не объясняют значительное повышение этой характеристики (в 3 раза). Поэтому для получения полной картины влияния деформации на такие изменения показаний коэрцитивной силы требуется проведение более глубоких исследований с применением микрорентгеноспектрального анализа и математического описания структурных изменений. Также необходимо учитывать качество исходного металла. Очевидно, что только изменением дислокационной структуры при деформации такой разницы быть не может. Поэтому авторы намерены продолжить изучение данного вопроса.