Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены комбинированные методы деформационной обработки металлических материалов. Представлен комбинированный метод экструзии и равноканального углового прессования (РКУП), выполняемых последовательно. Описано упрочнение низколегированной стали 09Г2С с использованием экструзии и РКУП. Представлены данные по механическим свойствам и анализ механизма разрушения образцов из стали 09Г2С в состоянии поставки и после упрочнения.
сталь, деформационная обработка, экструзия, равноканальное угловое прессование, РКУП, прочность, пластичность, фрактография, механизм разрушения
Введение
Проблема эффективного повышения прочности металлов и сплавов, используемых при изготовлении изделий и деталей различной техники, приводит к разработке комбинированных методов деформационной обработки. При этом предусматривается использование механических методов обработки в различной комбинации и последовательности. Зачастую они применяются в комбинации с термической обработкой. С развитием методов интенсивной пластической деформации (ИПД) [1-9] перспективным направлением становится разработка комбинированных методов [10; 11]. Преимущество комбинированных методов заключается в более широкой возможности достижения высоких показателей физико-механических свойств материалов варьированием методов обработки. Кроме того, в результате комбинированной обработки появляется возможность получать упрочненные заготовки, отличающиеся по форме от исходной заготовки, то есть сложного профиля, а также полуфабрикаты, максимально подобные изделию.
В работе [10] рассматривается возможность канального углового прессования тонкой металлической пластины. Результатом обработки по специальной схеме является получение упрочненной профилированной пластины. Примеры прессования призматических и винтовых профилей из меди, суперинвара и стали представлены в [11-13]. В этих работах комбинированная интенсивная пластическая деформация реализуется в одном устройстве во время одного технологического процесса.
Методы упрочнения могут применяться раздельно, в разной последовательности и с разным временным интервалом. В [14] для упрочнения низкоуглеродистой стали Ст3сп используется комбинация методов в следующей последовательности: РКУП и экструзия.
Цель настоящей работы заключается в исследовании механических свойств и механизма разрушения низколегированной стали 09Г2С, подвергнутой экструзии и РКУП.
Использование двух и более методов деформационной обработки, в частности экструзии перед РКУП, которое обеспечивает более высокую степень деформации, во-первых, представляет научный интерес с точки зрения изучения влияния предварительного измельчения структуры с применением менее интенсивной пластической деформации за счет экструзии на свойства материала после комбинированного воздействия двумя и большим количеством методов обработки и, во-вторых, имеет практическое значение для отработки подходов к комбинированию методов деформационной обработки для получения составных заготовок и полуфабрикатов деталей сложного профиля.
Полученные результаты могут быть полезны при анализе механизмов разрушения сталей, обработанных комбинированной деформационной обработкой.
Материал и методика исследований
Исследуемый материал - низколегированная конструкционная сталь марки 09Г2С (в %: 0,12 C; 0,008 N; 0,5-0,8 Si; 0,035 P; 0,04 S; 0,3 Cr; 1,3-1,7 Mn; 0,3 Ni; 0,3 Cu; 0,08 As; остальное - Fe). Химический анализ проведен на атомно-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master» фирмы «Worldwide Analytical Systems AG (WASAG)».
Комбинированная деформационная обработка объемной заготовки из стали 09Г2С выполнялась по следующей схеме. Вначале объемная заготовка размером Æ11,8´40 мм из стали 09Г2С подвергалась экструзии в один проход при температуре 673 К. При экструдировании объемная заготовка вставляется во входной канал Æ12 мм, затем проходит через сужающийся участок с углом конуса 34°, а в последующем выпрессовывается в выходной канал квадратного сечения 8´8 мм. Затем выполнялось РКУП составной заготовки Æ19,8´60 мм в один проход при той же температуре, что и экструзия. Составная заготовка изготавливается следующим образом. Из экструдированной заготовки квадратного сечения изготавливается другая заготовка размером Æ6´50 мм, которую впрессовывают во втулку размером 6/19,8´50 мм из такого же материала. Экструзию и РКУП выполняли на гидравлическом прессе ПСУ 125 типа 3ИМ с максимальным усилием 1250 кН с помощью специальных оснасток. При этом после экструдирования меняли оснастку на оснастку для РКУП. До деформационной обработки заготовка предварительно нагревалась и выдерживалась в муфельной печи до температуры 673 К, затем помещалась в технологическую оснастку, нагретую до 673 К с помощью накидной печи. Для уменьшения трения поверхности заготовки о стенки канала матрицы использовали технологическую смазку РОСОЙЛ-АНГЕЛИНА с добавками чешуйчатого графита. Использованные оснастки обеспечивали степень деформации 0,4 при экструзии и 0,64 при РКУП.
Для механических испытаний на одноосное растяжение изготовляли образцы из исходной и упрочненной стали. Цилиндрические образцы с рабочим участком размером Æ2´10 мм испытывали на одноосное растяжение на машине UTS-20k фирмы «UTS TestSysteme GmbH» (Lammerweg 29.D-89079 Ulm, Германия) при постоянной скорости нагружения »3,33×10–5 м×с–1 в условиях комнатной температуры.
Исследования изломов образцов были выполнены методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на сканирующем электронном микроскопе HITACHI TM3030 (Япония) в режиме вторичных электронов.
Результаты исследований и их обсуждение
Из представленных в таблице результатов механических испытаний видно, что предел текучести и предел прочности в результате деформационной обработки повысились. После экструзии и РКУП предел текучести стали 09Г2С повысился в 2,2 раза (sт = 769 МПа по сравнению с sт = 520 МПа в исходном состоянии), а предел прочности - в 1,5 раза (786 МПа после упрочнения против 520 МПа в исходном состоянии). Пластичность снизилась практически в 2 раза (dк = 14,89 % по сравнению с 31,02 % для исходного состояния).
Таблица
Характеристики прочности стали 09Г2С
|
№ |
Состояние стали |
sт, МПа |
sв, МПа |
dк, % |
|
1 |
Состояние поставки |
352 |
520 |
31,02 |
|
2 |
Экструзия (673 К, n=1) + РКУП (673 К, n=1) |
769 |
786 |
14,89 |
Разрушение образцов из 09Г2С при температуре 293 К показало следующее. Макро- и микрорельефы изломов образцов в исходном состоянии и в состоянии после экструзии и РКУП качественно идентичны. Макрорельеф поверхности разрушения образцов из стали 09Г2С при 293 К характеризует вязкое разрушение с образованием чашечного излома в шейке растянутого образца с утяжкой в зоне локализации деформации и с образованием губ среза. Изломы характеризуются наличием ямочного микрорельефа. Структура поверхности разрушения матовая, видны две основные зоны. Очаг разрушения и участок развития трещины занимают центральную волокнистую зону. Наклонный срез, образовавшийся от действия касательных напряжений, расположен по периметру излома. Для образца в исходном состоянии центральная волокнистая зона - зона образования и развития трещины - составляет примерно 90 % от общей площади поверхности разрушения. Для образца после экструзии и РКУП эта зона уменьшается до ~75 %.
Из сравнения микрофрактограмм (рисунок) видно, что для образца из упрочненной стали 09Г2С с измельченной структурой размеры ямок на изломе меньше, чем для образца из стали в исходном состоянии. О стабильном росте трещины при разрушении образцов свидетельствуют ямки разрушения в волокнистой зоне и ямки сдвига в зоне среза.
В центральной части изломов образцов вязкое разрушение характеризуется наличием квазиравноосных ямок нормального отрыва, разделенных гребнями с острыми краями (рисунки а, в). Колебания размеров включений и зерен отражаются в широком диапазоне размеров ямок в изломах. Волнистые линии на внутренних стенках ямок свидетельствуют о скольжении материала при росте ямок. Остатки частиц внутри некоторых ямок в изломе образца из стали 09Г2С в исходном состоянии являются раздробленными в результате пластической деформации и вследствие хрупкости неметаллическими включениями, преимущественно оставшимися после раскисления стали (рисунок а), а в ямках для упрочненной стали сохранились в целости более мелкие частицы (рисунок в). Размеры ямок в центральной зоне на поверхности разрушения образца из стали 09Г2С в исходном состоянии доходят до 12-25 мкм (рисунок а), в то время как для упрочненной стали максимальные размеры ямок составляют порядка 7-20 мкм (рисунок в). В изломе упрочненной стали присутствует большее количество микроямок, нежели в исходном образце. На внутренних стенках отдельных ямок имеются микроямки, которые, по-видимому, появились в процессе роста ямок скольжением материала. Видны разрывы перемычек между микроямками и ямками.
|
а) б) |
|
в) г) |
 |
Рис. Микрорельефы изломов образцов из стали 09Г2С, испытанных при нормальной температуре
в состоянии поставки: а - центральная зона, б - периферийная зона;
после экструзии и РКУП в один проход при 673 К: в - центральная зона, г - периферийная зона
В зоне губ среза излома образца вытянутые ямки сдвига сформированы в результате действия касательных напряжений (рисунки б, г). Разница в размерах и количестве ямок наблюдается и для зоны среза, как и в случае центральной зоны.
Таким образом, разрушение цилиндрических образцов из низколегированной стали 09Г2С в состоянии поставки и после упрочнения посредством экструзии и РКУП в один проход имеет вязкий характер. Вязкое разрушение происходит с образованием чашечного излома, который состоит из двух основных зон: волокнистой зоны образования и медленного роста трещины, и зоны среза.
Выводы
- Использование комбинации методов экструзии и РКУП в один проход обеспечило повышение предела текучести низколегированной стали 09Г2С в 2,2 раза, а предела прочности - в 1,5 раза. При этом пластичность снизилась в 2 раза. Причинами повышения прочностных характеристик стали в основном являются такие факторы, как измельчение зерен, повышение плотности дислокаций и уменьшение параметра кристаллической решетки.
- Разрушение образцов из стали 09Г2С при их одноосном растяжении в условиях нормальной температуры в обоих случаях (состояние поставки и после экструзии и РКУП) происходит по вязкому механизму с образованием чашечного излома.
1. Сегал, В.М. Развитие обработки материалов интенсивной сдвиговой деформацией / В.М. Сегал // Металлы. 2004. № 1. С. 5-14.
2. Валиев, Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р.З. Валиев, И.В. Александров. М.: Академкнига, 2007. 398 с.
3. Zhu, Y.T. A new route to bulk nanostructured metals / Y.T. Zhu, H. Jiang, J. Huang // Metallurgical and Materials Transactions A. 2001. V. 32. № 6. P. 1559-1562. DOI: https://doi.org/10.1007/s11661-001-0245-0.
4. Сэстри, Ш.М.Л. Формирование субмикрокристаллической структуры в стали 10Г2ФТ при холодном равноканальном угловом прессовании и последующем нагреве / Ш.М.Л. Сэстри, С.В. Добаткин, С.В. Сидорова // Металлы. - 2004. № 2. С. 28-35.
5. Лотков, А.И. Формирование ультрамелкозернистого состояния, мартенситные превращения и неупругие свойства никелида титана после «abc»-прессования / А.И. Лотков, В.Н. Гришков, Е.Ф. Дударев [и др.] // Вопросы материаловедения. 2008. № 1 (53). С. 161-165.
6. Stolyarov, V.V. Features of deformation behavior at rolling and tension under current in TiNi alloy / V.V. Stolyarov // Reviews on Advanced Materials Science. 2010. V. 25. № 2. P. 194-202.
7. Li, L. Ultrahigh strength steel wires processed by severe plastic deformation for ultrafine grained microstructure / L. Li, J. Virta // Materials Science and Technology. 2011. V. 27. № 5. P. 845-862. DOI:https://doi.org/10.1179/026708310X12677993662087.
8. Maier, G.G. Annealing behavior of ultrafine grained structure in low-carbon steel produced by equal channel angular pressing / G.G. Maier, E.G. Astafurova, H.J. Maier // Materials Science and Engineering A. 2013. V. 581. № 1. P. 104-107.
9. Яковлева, С.П. Структура, свойства и особенности разрушения низколегированной стали в субмикрокристаллическом состоянии / С.П. Яковлева, С.Н. Махарова, М.З. Борисова // Металлы. 2006. № 4. С. 71-78.
10. Иванов, А.М. Канальное угловое прессование медной пластины / А.М. Иванов, Н.Д. Петрова, С.С. Ващенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 4/2 (288). С. 56-60.
11. Ivanov, A.M. Pressing Prismatic and Screw Profiles from Copper M4 / A.M. Ivanov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2017. V. 58. № 4. P. 383-388. DOI: https://doi.org/10.3103/S106782121704006X.
12. Иванов, А.М. Механические свойства, закономерности деформирования и механизм разрушения суперинвара, подвергнутого деформационной обработке комбинированным методом / А.М. Иванов // Перспективные материалы. - 2017. - № 9. - С. 72-80.
13. Ivanov, A.M. Strengthening of Low-Alloy Steel by Extrusion, Helical Pressing, and Equal-Channel Angular Pressing / A.M. Ivanov // Russian Engineering Research. - 2017. - V. 37. - № 5. - P. 420-423. DOI:https://doi.org/10.3103/S1068798X17050124.
14. Иванов, А.М. Равноканальное угловое прессование и экструзия низкоуглеродистой стали / А.М. Иванов // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2018. Т. 23. № 1. С. 60-66.
