Технология упрочняющей механико-термической обработки


М.М. Радкевич




            ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ МЕХАНИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ


Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.73
ББК 30.3
    Р15


Рецензент:
доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого А. М. Золотов






    Радкевич, М. М.
Р15      Технология упрочняющей механико-термической обработки: учебное
     пособие / М. М. Радкевич. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -212 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1077-9

     Обобщен и систематизирован теоретический и экспериментальный материал в области упрочняющей деформационно-термической обработки. Предложена научно обоснованная концепция улучшения структурного состояния и повышения комплекса механических свойств стальных изделий методом программной деформационно-термической обработки. Изложены физико-технологические основы комбинированного метода упрочнения стальных заготовок, получаемых горячей объемной штамповкой.
     Для студентов, аспирантов, научных и инженерно-технических работников, занятых проблемами металловедения, обработки металлов давлением и термообработки.

                                                            УДК 621.73
                                                            ББК 30.3










ISBN 978-5-9729-1077-9

    © Радкевич М. М., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ................................................6
1. ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГРАММНОЙ
ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ....................8
 1.1. Проблема улучшения комплекса механических свойств металлических изделий .................................8
 1.2. Классификация процессов термомеханического упрочнения стальных изделий.......................................11
 1.3. Физические процессы и структурные превращения, протекающие при программной деформационно-термической обработке .............................................15
    1.3.1. Влияние пластической деформации на свойства и структуру сталей .................................17
    1.3.2. Влияние пластической деформации на процессы структурных превращений в сталях ...................25
 1.4. Физические основы программной деформационно-термической обработки....................27
    1.4.1. Теоретические предпосылки программной механико-термической обработки......................27
    1.4.2. Требования, предъявляемые к изделиям, изготовленным программной механико-термической обработки .........32
 1.5. Основные металловедческие положения деформационно-термической обработки......................33
    1.5.1. Изменение структуры и свойств сталей...........33
    1.5.2. Аустенизация сталей............................34
    1.5.3. Формирование дислокационной структуры .........48
    1.5.4. Время выдержки после горячей пластической деформации до закалки.................................57
    1.5.5. Условия проведения отпуска ..................65
 1.6. Основные принципы разработки новых технологических процессов деформационно-термической обработки .........70
2. ПЛАСТИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОКОВОК..........................71
 2.1. Диаграммы высокотемпературной деформации аустенита .71
 2.2. Математическая модель процесса ПМТО ..............76
 2.3. Влияние температуры деформации, времени подстуживания и температуры отпуска на механические свойства сталей .78
 2.4. Влияние скорости деформации на процесс формирования структуры и механических свойств сталей .................84

3

  2.5. Особенности пластического формообразования при штамповке в условиях деформационно-термической обработки ........93
    2.5.1. Исследование распределения локальных деформаций и механических свойств...............................99
  2.6. Влияние параметров ПМТО на неоднородность распределения деформации, механических свойств и кинетику течения металла..............................104
    2.6.1. Исследование течения металла и распределения деформации поковок при штамповке на молоте
    сприменениемПМТО .....................................104
    2.6.2. Исследование течения металла и распределения деформации поковок при штамповке на КГШП с применением
    ПМТО..................................................109
    2.6.3. Оценка распределения механических свойств в объеме изделия ....................................117
3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ПО СОСТАВУ И НАЗНАЧЕНИЮ СТАЛЕЙ ПРИ ПМТО ..................121
  3.1. Особенности процесса структурообразования сталей приПМТО ................................................121
  3.2. Микроструктура сталей после ПМТО .................123
  3.3. Микроструктурный анализ сталей после ПМТО ........124
    3.3.1. Структурообразование ферритно-перлитных сталей при ПМТО..............................................124
    3.3.2. Микроструктурные исследования стали 20X13 ....127
    3.3.3. Микроструктурные исследования стали 08Х18Н10Т.132
3.4. Процессы рекристаллизации при ПМТО .................135
  3.5. Оценка образования разнозернистости и огрубления структуры при ПМТО.....................................142
4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛУФАБРИКАТОВ И ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ПОСЛЕ ПМТО................................................150
  4.1. Классификация схем технологических процессов получения заготовок методом деформационно-термической обработки..150
  4.2. Деградация свойств металлических изделий и пути ее снижения ...........................................154
  4.3. Влияние ПМТО на анизотропию свойств изделий.......156
  4.4. Влияние ПМТО на деформационную способность, склонность к хрупкому разрушению и устойчивость структуры изделий .158
  4.5. Расчет температурных полей, прогнозирование структуры и свойств изделий, полученных при ПМТО..................166
    4.5.1. Определение температуры началадеформирования .167

4

    4.5.2. Расчет температурных полей поковок......168
 4.6. Влияние ПМТО на коррозионную стойкость конструкционных сталей.............................177
    4.6.1. Основные положения и виды коррозионных повреждений ...................................177
    4.6.2. Коррозионная стойкость стали 08Х18Н10Т .179
5. ПРАКТИКА РЕАЛИЗАЦИИ И ОСОБЕННОСТЬ
РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕССОВ ПРОГРАММНОЙ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ................184
 5.1. Устройства для охлаждения поковок в условиях деформационно-термической обработки................185
 5.2. Обрабатываемость поковок, изготовленных ПМТО .188
 5.3. Опробование технологии и отработка режимов ПМТО в промышленных условиях............................190
 5.4. Методика и рекомендации по разработке технологических процессов штамповки с применением ПМТО ...........195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................198

5

ВВЕДЕНИЕ


    Требования к повышению ресурса и надежности материалов, используемых в различных отраслях промышленности, вызывают необходимость разработки новых, улучшения ранее применяемых конструкционных материалов или совершенствования технологии их обработки, повышающей качество, механические и эксплуатационные свойства изделий. Поэтому решающее значение приобретает деформационно-термическая обработка, отвечающая всем требованиям, предъявляемым к современным интенсивным технологиям, позволяющим повышать механические и другие свойства металлов. Кроме того, данная технология является непрерывной, энерго- и металлосберегающей.
    Различные сочетания деформационной и термической обработки в едином технологическом процессе дают возможность упрочнения кристаллических материалов за счет комплексного воздействия на металл, пластической деформации и термической обработки.
    Одной из особенностей горячей пластической деформации является то, что формоизменение изделия осуществляется при довольно высоких температурах и больших скоростях деформирования, приводящих к одновременному развитию процессов деформационного упрочнения и разупрочнения. Поэтому, важно иметь сведения об особенностях механизма упрочнения стальных изделий в условиях горячей пластической деформации. При этом надо разделять структурные изменения, происходящие непосредственно в процессе пластической деформации и сразу же после деформации, во время выдержки или в процессе быстрого охлаждения. Такие последеформационные структурные изменения, хотя они и не связаны непосредственно с механизмом деформации при данной температуре, могут быть важны в ряде практических случаев, связанных с прерывистым деформированием, что характерно для ряда технологических процессов обработки металлов давлением, преимущественно используемых в производстве различных заготовок.
    Серьезные резервы получения изделий, обладающих повышенным комплексом механических свойств, имеются в дальнейшем совершенствовании традиционных и разработке новых технологических процессов обработки металлов давлением (ОМД), основанных на комбинированном воздействии пластической деформации и термической обработки. На практике столь значительному формоизменению приходится подвергать самые разнообразные металлы, отличающиеся по своим свойствам, кристаллическому строению, фазовому составу и исходной структуре.

6

    Имеющийся опыт и проведенные в этом направлении исследования для некоторых процессов ОМД позволяют на отдельных стадиях производства изменением термомеханических параметров обработки целенаправленно влиять на технологические и эксплуатационные свойства изделия.
    Использование процессов структурообразования, обусловленных горячей пластической деформацией, привело к созданию важных в техническом отношении технологий термомеханического упрочнения. Имеются в виду такие технологические схемы упрочнения, как контролируемая прокатка и термомеханическая обработка.
    В пособии на основании обобщения выполненных в последние годы исследований, в том числе и авторских, по влиянию условий горячего деформирования на структурные изменения материала в цикле деформационно-термической обработки стальных изделий дано научное обоснование разработки упрочняющих технологий, базирующихся на программном механико-термическом воздействии на обрабатываемый материал.
    Подход к решению проблемы упрочнения основан на комплексной оценке технологических параметров двух процессов - деформационного и термического воздействия. Это означает, что получаемые свойства (прочность и пластичность) обусловлены не только наличием дефектов кристаллического строения, но и особенностями их распределения в твердом растворе.
    В пособии дан теоретический анализ и приведены экспериментальные данные о влиянии технологических параметров программной механико-термической обработки (ПМТО) на структуру и механические свойства сталей основных, структурных классов. Представлен обобщенный экспериментальный материал, имеющий самостоятельную ценность, так как лежит в основе создания теоретических представлений о процессе ПМТО, который максимально приближен к реальным условиям проведения формообразования различных изделий в конкретных вариантах горячей объемной штамповки.
    Показана возможность целенаправленного регулирования получения структурных состояний конечных структур в условиях непрерывного охлаждения и достижения заданного комплекса механических свойств изделий. Кроме того, уделено большое внимание рассмотрению вопроса о том, как, исходя из требований к свойствам изделий, должны разрабатываться параметры технологического процесса ПМТО на примере горячей объемной штамповки.

7

1.    ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Проблема улучшения комплекса механических свойств металлических изделий

    Вопросы совершенствования технологии упрочняющей обработки стальных изделий - это, по существу, вопросы повышения качества машин и аппаратов современной техники. Этим определяется актуальность и важность научно-технического направления, предусматривающего создание новых и совершенствование существующих технологических процессов термической, термомеханической и других видов обработки изделий, изготовляемых из машиностроительных и инструментальных сталей.
    В процессе термообработки с помощью подвода или отвода тепла (температурного воздействия) в зависимости от физических свойств и размеров изделия осуществляется тот или иной температурно-временной цикл. В результате такого технологического цикла должны наступить соответствующие изменения в материале изделия, которые приводят к определенной структуре и желаемым свойствам.
    Целенаправленное использование процессов пластической деформации при структурообразовании привело к созданию важных в техническом отношении новых технологий, называемых термомеханической обработкой (ТМО) [1, 2, 3]. Известно, что ТМО состоит из совокупности проводимых в различной последовательности операций пластической деформации, нагрева и охлаждения. При этом формирование структуры металла и свойств происходит в условиях повышенной плотности несовершенств кристаллической решетки, которые образуются при пластической деформации.
    Гипотетическая схема зависимости прочности кристаллов от количества дефектов (кривая Одинга) была предложена без учета пространственного расположения всего ансамбля дефектов в целом и взаимодействия дислокаций с точечными дефектами. При одной и той же плотности дислокаций и других дефектов в зависимости от их распределения, конфигурации, характера взаимодействия можно получать различную прочность кристаллов.
    Для повышения прочности реальных кристаллов пока наиболее реализуемым на практике способом в лабораторных и промышленных условиях является создание в их объеме высокой плотности дислокаций и границ раздела, препятствующих движению дислокаций. Вместе с тем необходимо отметить, что в этом направлении возможности повышения

8

прочности ограничены предельно возможной плотностью дефектов кристаллического строения, а также термической неустойчивостью дефектов структуры.
    Исходя из того, что все процессы структурных превращений сопровождаются и зависят от несовершенства строения, программное их регулирование может привести к новым специфическим эффектам.
    Возможность комбинации многих видов термической обработки с одновременной пластической деформацией при разных температурах обеспечивает достижение повышенных механических свойств обрабатываемого материала.
    Вследствие развития ряда новых упрочняющих обработок процессы теплой и горячей деформации привлекают к себе внимание, так как целенаправленное регулирование этими процессами открывает новые возможности повышения свойств металлов и сплавов.
    Примером повышения служебных характеристик металлов и сплавов, обеспечиваемых теплой деформацией, является одна из технологических схем термомеханического упрочнения - так называемая контролируемая прокатка. Сущность процесса контролируемой прокатки -строгое регламентирование температуры окончания прокатки (в нижней части а+Р—области или в а- области, а также обработка с деформацией в межкритическом интервале температур) с применением достаточно интенсивных обжатий (е = 50-80%) [4, 5]. Такой режим обработки обеспечивает получение рекристаллизованного аустенитного зерна наименьшей величины. Однако при этой обработке отсутствует стабильность получаемых свойств. Характерно, что в гораздо меньшей степени это проявляется, если при ускоренном охлаждении не регламентировать условия прокатки. Иными словами, структура горячекатаного аустенита будет определяющей для стабильного комплекса механических свойств, если для стали данного состава регламентируются не только условия последеформационного охлаждения, но и горячей деформации, особенно на заключительных стадиях прокатки.
    При горячей пластической деформации в цикле высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) обеспечивается получение более высоких прочностных свойств стали (по сравнению с рекристаллизованной структурой). Назначение ВТМО состоит в том, чтобы после горячей деформации и закалки получить пересыщенный твердый раствор с нерекристаллизованной структурой, т. е. с повышенной плотностью несовершенств. Эффект ВТМО усиливается с уменьшением паузы между окончанием деформации и началом интенсивного охлаждения. Отмечается также значительное влияние степени и скорости деформации на эффект упрочнения.

9

    При ВТМО аустенит деформируют в области его термической стабильности и затем проводят закалку на мартенсит, а после закалки - отпуск. Структура аустенита после горячей деформации определяет конечную микроструктуру и механические свойства закаливаемых сталей.
    Технологический процесс термомеханической обработки (ТМО) представляет собой цепочку последовательно проводимых технологических операций для получения целенаправленного изменения свойств данного материала. В основе каждой из этих операций лежат объективные физические закономерности.
    По данным [6], между контролируемой прокаткой и ТМО отсутствует четкая граница. Авторы считают, что различие заключается в конечной цели обоих процессов. Цель контролируемой прокатки - достижение для низколегированных сталей свойств, равноценных или превосходящих свойство нормализованного металла, а при ТМО - термически улучшенного металла.
    Для рассмотренных видов термомеханического упрочнения стальных изделий основным признаком получения эффекта упрочнения является конечная структура, формируемая в результате той или иной обработки. Обычно в качестве объекта научного исследования ВТМО, НТМО и контролируемой прокатки выбирался не весь процесс упрочняющей обработки, а отдельные подпроцессы, например деформация (деформационные параметры) или закалка (структурные превращения) и т. д.
    Такое ограниченное исследование, ориентированное на отдельное изучение только деформационных или термических параметров, имеет тот недостаток, что отсутствует возможность комплексной оценки результатов всего технологического процесса. Изолированный анализ эл-лементарных подпроцессов является препятствием для развития научной технологии. Преодоление этого недостатка возможно при использовании принципа обобщения эллементарных подпроцессов. Научное обоснование технологических процессов увеличивает точность и воспроизводимость программируемых свойств изделий. Итак, на данном этапе развития технологий деформационно-термического упрочнения и в условиях наличия достаточного качества результатов исследований отдельных подпроцессов появляется необходимость в комплексном анализе процессов деформационно-термической обработки.
    На основе закономерностей, описывающих отдельные операции с помощью целесообразных систематизированных зависимостей, может быть предложен алгоритм, который описывает процесс более полно и точно.
    Научной основой создания технологии программной деформационно-термической обработки является изучение закономерности струк-

10

турообразования (изменение субструктуры тонкого строения, плотности дислокаций, распределения вторичных фаз и микроструктуры) при изменении параметров временного, деформационно-термического воздействия и связь получаемых структур с механическими свойствами. В процессе научного обоснования ПДТО вначале определяют возникающую после горячей деформации реальную структуру металла и ее изменения в течение определенных деформационно-температурных и временных циклов.
    Особенно важным в деле решения данной проблемы становится:
    1.     Обобщение и систематизация сведений о комбинированных методах деформационно-термического воздействия на обрабатываемый материал и влиянии различных процессов горячей пластической деформации на субструктурное упрочнение, структуру и свойства сталей и, следовательно, разработка новых перспективных разновидностей упрочняющей технологии.
    2.     Исследование процессов структурообразования при горячей объемной штамповке различных по химическому составу и назначению сталей, влияния деформационных, температурных, скоростных и временных параметров технологии ПДТО и установление взаимосвязи при регулирующем их воздействии на конечную структуру и механические свойства изделий.
    3.     Определение рациональных областей применения ПДТО и ее разновидностей, установление оптимальных режимов и обоснование возможностей использования данной технологии для улучшения пластического формообразования в условиях горячей объемной штамповки, а также достижения более устойчивой, термостабильной структуры, изотропности свойств полуфабрикатов и готовых изделий.
    4.     Разработка научно обоснованной методики проектирования технологических процессов горячей пластической деформации с применением ПДТО и определение научно-технической, экономической эффективности при реализации их в промышленных условиях производства на конкретных изделиях.

1.2. Классификация процессов термомеханического упрочнения стальных изделий

    Основные методы термообработки можно подразделить на три группы (рис. 1.1).
    К первой и второй группам относятся классические методы термообработки. Особый интерес представляют процессы, относящиеся к третьей группе. Третья группа, обозначаемая в литературе как ТМО, остается одной из перспективных областей упрочняющей обработки.


11

Приведенная классификация представляет собой сокращенный обзор возможных опытных и производственных процессов [1]. Согласно М. Л. Бернштейну, ТМО металлов называют совокупностью проводимых в различной последовательности операций пластической деформации, нагрева и охлаждения. При этом формирование структуры металла, а следовательно, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности несовершенств кристаллической решетки, которые образовались в процессе пластической деформации. Если исходить из того, что все процессы превращения определяются и сопровождаются несовершенствами строения, то теоретически комбинация пластической деформации с каждым видом термообработки (группа 1) приводит к новым специфическим эффектам и представляет значительный технический интерес. Однако возможности комбинаций различных видов термической обработки с пластической деформацией при разных температурах могут привести к созданию новых, ранее неизвестных перспективных технологических процессов.


Рис. 1.1. Классификация основныхметодов термообработки

12

    Существуют и другие предложения, в основе которых лежат различные принципы. На рис. 1.2 приведена классификация, предложенная в [7]. Под термомеханическими методами обработки сталей понимают аустенизацию с последующей (непосредственно за ней) пластической деформацией. Методы высокотемпературной термомеханической обработки подразумевают аустенизацию структуры стали с последующей пластической деформацией и завершающим охлаждением со скоростью выше критической. Для методов низкотемпературной термомеханической обработки характерна аустенизация и последующее охлаждение до температуры в области метастабильного состояния аустенита, пластическая деформация при этой температуре до превращения аустенита и заключительное охлаждение.

Рис. 1.2. Классификация основных видов деформационно-термической обработки металлов и сплавов

13