návod pro cviení z předmtu válcování - vsb.cz · návod pro cviení z předmtu válcování...
Post on 28-Sep-2020
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Návod pro cvičení z předmětu
Válcování
Určení vlivu termomechanických parametrů
válcování a rychlosti ochlazování na teploty fázových
transformací a charakter výsledné mikrostruktury -
praktické ověření vlivu teploty deformace na
výslednou velikost feritického zrna spojené
s vyhodnocením vlivu deformačního tepla při
spojitém válcování tyčí za tepla.
Vypracováno v roce 2017 za podpory projektu RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v
oblasti objemového tváření materiálu na Katedře tváření materiálu na Fakultě metalurgie a
materiálového inţenýrství na VŠB-TU Ostrava.
Řešitelé projektu: Ing. Petr Kawulok, Ph.D., Ing. Rostislav Kawulok, Ph.D., Ing. Stanislav
Rusz, Ph.D.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
1. TEORETICKÝ ÚVOD DO ZKOUMANÉ PROBLEMATIKY
Termomechanickými parametry válcování lze spolu s rychlostí ochlazování ovlivňovat
teploty fázových transformací a výslednou mikrostrukturu a tedy i finální vlastnosti
zpracovávaných ocelí. Řízení termomechanických parametrů při válcování a ochlazování se
vyuţívá při tzv. termomechanickém zpracování (TMZ) ocelí.
1.1 Termomechanické zpracování ocelí
Podstatou termomechanického zpracování ocelí (v odborné literatuře se lze setkat také s
pojmem řízené tváření) je ovládání celkových výrobních podmínek s cílem dosažení
požadované struktury a tím i kombinace mechanických vlastností. Dosaţení malé
velikosti konečného zrna má kladný vliv na pevnost i houţevnatost. Vyuţitím TMZ lze docílit
podstatné sníţení výrobních nákladů pro danou ocel z důvodu moţnosti úplného vynechání,
případně výrazného zkrácení následného tepelného zpracování. Tento způsob tváření je
odlišný od tradičního způsobu tváření materiálu, protoţe je v jeho průběhu řízena například
válcovací teplota, velikosti deformací v závislosti na čase, rychlost ochlazování atd.
Rozhodující význam z hlediska strukturního stavu má velikost zrn a subzrn, podíl
jednotlivých strukturních sloţek, mnoţství precipitátů, hustota dislokací a stavba tuhého
roztoku. Významný vliv mají také mikrolegující prvky v oceli, jejichţ úkolem je bránit
hrubnutí zrna při ohřevu, brzdit rekrystalizaci při doválcování a přes precipitaci zpevňovat
ocel.
Na obr. 1 jsou názorně uvedeny rozdíly ve vývoji mikrostruktury oceli při konvenčním
válcování a termomechanickém zpracování. Termomechanickým zpracováním se zjemňuje
zrno, které se transformuje z deformovaného austenitu. Ve většině případů se vývoj
mikrostruktury řídí brzděním rekrystalizace austenitu pomocí kombinace účinku
mikrolegujících prvků v tuhém roztoku a interakcí řízené precipitace.
Obr. 1: Princip konvenčního a termomechanického válcování
Deformací austenitické struktury v nerekrystalizované oblasti vznikají uvnitř
austenitických zrn deformační pásy a tyto pásy mají během přeměny austenitu na ferit
stejnou roli jako hranice zrn a poskytují tedy nukleační místa pro vznik nových feritických
zrn.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
Při konvenčním válcování vznikají zárodky feritických zrn pouze na hranicích
austenitických zrn, coţ omezuje moţnost dosaţení jemného finálního feritického zrna – viz
obr 2. Austenitická zrna oceli jsou při termomechanickému tváření rozdělena deformačními
pásy do několika bloků a tím pádem je moţno docílit jemnější finální mikrostruktury – viz
obr 2.
Obr. 2: Vývoj struktury při konvenčním válcování a termomechanickém zpracování
Pro vyuţití potenciálu termomechanického zpracování však musí být válcovací tratě
vybaveny speciálními zařízeními. Mezi tyto zařízení patří ochlazovací a vyrovnávací sekce,
anebo také chladicí boxy, které jsou vhodné pro dosaţení poţadované teploty provalku po
celém jeho průřezu v celé jeho délce před daným průchodem válcovací stolicí. Vyšší nároky
jsou kladeny i na samotné válcovací stolice, případně hotovní bloky, které musí být schopny
zvládnout finální deformaci o velikosti minimálně 15 – 20 % i při nízkých doválcovacích
teplotách (aţ 750 °C).
Vliv pouţití termomechanického zpracování na transformaci austenitu pomocí
technologie ochlazování drátu na Stelmor dopravníku je znázorněn na obr. 3. Z tohoto
obrázku je zřejmé, ţe termomechanické zpracování akceleruje přeměnu austenitu na
nízkoteplotní fáze (ferit, perlit a bainit).
Obr. 3: Vliv termomechanického zpracování drátu za pouţití technologie Stelmor Siemens
na transformaci austenitu
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
Pojem termomechanické zpracování zahrnuje i řízené ochlazování ocelí po jejich
doválcování. Aby bylo moţno docílit poţadované mikrostruktury, je potřeba kromě velikosti
finální deformace a výšky doválcovací teploty optimálně stanovit rychlost ochlazování
vyválcovaného materiálu, protoţe i ta hraje klíčovou roli ve vývoji jeho mikrostruktury.
Řízeným ochlazováním po válcování lze dosáhnout zjemnění feritického zrna, zjemnění
perlitu nebo bainitu a zvýšení doválcovacích teplot. Zrychlené ochlazování se vyuţívá
například k dosaţení vyšší pevnosti, houţevnatosti a svařitelnosti za tepla tvářených ocelí.
Samotný způsob ochlazování ovlivňuje také výsledné vlastnosti vývalků, které jsou po
vyválcování navinovány do svitků. Pouţitím zrychleného ochlazování, po doválcování a před
navinováním vývalků, stoupá účinnost precipitačního vytvrzování a sniţuje se velikost
feritického zrna, coţ vede k jemnější mikrostruktuře. Navíc teplotou svinování je moţno také
ovlivnit výslednou mikrostrukturu. Niţší teplota svinování vede k získání jemnějšího
feritického zrna.
Zrychleným ochlazováním tedy můţe být dosaţeno podobných pevnostních vlastností,
jaké vykazují materiály konvenčně ochlazované, které obsahují ale podstatně více
mikrolegujích prvků. K popisu vlivu rychlosti ochlazování na výslednou mikrostrukturu dané
oceli pak slouţí transformační diagramy – viz obr. 4.
Obr. 4: Transformační DCCT diagram oceli 42CrMo4 po austenitizaci při teplotě 850 °C a
skutečné deformaci o velikosti 0,43
1.2 Doporučená literatura pro získání více informací
[1] KOCICH, R. Termomechanické procesy tváření (elektronická studijní opora). 1. vyd.
Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2013. 115 s.
[2] KLIBER, J. Řízené tváření. Hutnické listy, 2000, roč. 53, č. 4-7, s. 86-91.
[3] ŢÍDEK, M. Metalurgická tvařitelnost ocelí za tepla a za studena. 1. vyd. Praha: Aleko,
1995, 356 s.
[4] KAWULOK, R. Vliv deformace na rozpadové diagramy ocelí. Disertační práce,
Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2015.
[5] SCHINDLER, I., KAWULOK, P. Deformační chování materiálů (elektronická studijní
opora). 1. vyd. Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2013. 94 s.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
2. ZADÁNÍ A CÍLE PRÁCE
Vašim úkolem bude určit vliv termomechanických parametrů válcování a rychlosti
ochlazování na teploty fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury při
laboratorním spojitém a vratném válcování tyčí kruhového průřezu z nelegované
nízkouhlíkové oceli.
Aby jste byli schopni tento rozsáhlý cíl bez problémů splnit, bude vhodné jej rozdělit do
několika dílčích cílů:
sestrojte ochlazovací křivky, resp. grafické závislosti povrchové teploty na čase
v průběhu volného ochlazování laboratorních vývalků,
analýzou ochlazovacích křivek určete teploty fázových přeměn Ar3 a Ar1 při volném
ochlazování vývalků,
sestrojte grafické závislosti teplot fázových transformací na průměrné teplotě
válcování,
pomocí metalografických analýz určete strukturní podíly fází v jednotlivých
laboratorních vývalcích,
určete střední průměr feritického zrna jednotlivých laboratorních vývalků a graficky
jej znázorněte v závislosti na průměrné teplotě válcování,
vypracujte protokol a nezapomeňte získané poznatky shrnout v závěru.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
3. POPIS EXPERIMENTU
Tato úloha přímo navazuje na předchozí laboratorní úlohu „Metodika stanovení vlivu
deformačního tepla na teplotní změny v intenzivně tvářeném materiálu“. V tomto případě
vyuţijeme naměřená data a laboratorní vývalky získané při válcování v předchozím
experimentu.
Pro tyto účely byla vyuţita nelegované nízkouhlíková konstrukční ocel S235, jejíţ
chemické sloţení je uvedeno v tab. 1.
Tab. 1: Chemické sloţení zkoumané oceli v hm. %
C Mn Si P S Al
0,085 0,68 0,22 0,028 0,012 0,004
Při válcování na čtyř-stolicovém spojitém pořadí laboratorní válcovny se tedy válcovaly
tyče kruhového průřezu s výchozím průměrem 20 mm na finální průměr 12,3 mm, přičemţ
tyče byly ohřívány na teploty 800, 900, 1000, 1100 a 1200 °C. Celkový stupeň protváření byl
v tomto případě roven 2,6.
Při válcování na vratné válcovací stolici byly tyče kruhového průřezu o výchozím
průměru 20 mm deformovány dvěma úběry na finální průměr 15,8 mm, přičemţ celkový
stupeň protváření byl v tomto případě roven 1,6. Výchozí tyče byly ohřívány na teploty 900,
1000, 1100 a 1200 °C.
Všechny tyče byly po odválcování ochlazovány na válečkovém dopravníku volně na
vzduchu a při tom byla měřena jejich povrchová teplota pomocí bezkontaktního teplotního
skeneru.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
4. URČENÍ TEPLOT FÁZOVÝCH PŘEMĚN PŘI VOLNÉM
OCHLAZOVÁNÍ LABORATORNÍCH VÝVALKŮ
Jelikoţ tento experiment navazuje na laboratorní úlohu „Metodika stanovení vlivu
deformačního tepla na teplotní změny v intenzivně tvářeném materiálu“ vyuţijeme pro
konstrukci ochlazovacích křivek a následné určení teplot fázových transformací během
ochlazování zkoumané oceli data, která byla naměřena v průběhu minulého cvičení.
Ochlazovací křivky jednotlivých vývalků budou analyzovány za účelem určení teplot
fázových transformací Ar3 (teplota odpovídající počátku vzniku feritu) a Ar1 (teplota
odpovídající počátku vzniku perlitu) při ochlazování zkoumané oceli. Finální rozměry
(zejména průměr) a celkový stupeň protváření vyválcovaných tyčí ovlivnily rychlost
ochlazování při jejich volném chladnutí na vzduchu. Čeká Vás tedy náročný úkol vytvoření 9
grafů závislosti teploty na čase pro vzorky válcované na spojité trati a předválcovací trati.
K analýze křivek můţete vyuţít program EXCEL nebo program ORIGIN. Jelikoţ se
naměřená data v průběhu válcování zaznamenávají do excelovských souborů, ukáţeme si jak
lze následné analýzy provést v EXCELu.
Po otevření příslušného souboru s naměřenými daty je potřeba vybrat list, ve kterém je
uveden záznam teploty během ochlazování vyválcovaných tyčí. Listy se záznamem teploty
jsou označeny podle vlastních teplotních skenerů (Skener # 1, Skener # 2, Skener # 3,
Skener # 4) a je v nich v závislosti na čase zaznamenána měřená teplota. Buď si z minulého
cvičení pamatujete, který ze skenerů byl umístěn na válečkovém dopravníku a nebo si budete
muset vykreslit naměřené teploty všech skenerů a pro následné analýzy pak vyberete pouze
ten, který obsahuje záznam teplot při ochlazování vyválcovaných tyčí. Příklad ochlazovací
křivky tyče, která byla před válcováním ohřívána při teplotě 900 °C, je uveden na obr. 5.
Obr. 5: Ochlazovací křivka vyválcované tyče o finálním průměru 9,8 mm
Následně je potřeba tuto křivku analyzovat, resp. určit teploty počátku fázových
transformací Ar3 a Ar1 [°C]. Na obr. 5 je vidět, ţe teplota v průběhu ochlazování vyválcované
tyče neklesá lineárně jednou rychlostí. Při volném ochlazování vývalků je počátek fázové
transformace austenitu na ferit, resp. perlit doprovázen změnou rychlosti ochlazování a
v některých případech legovaných ocelí se při této transformaci uvolňuje značná část tepla,
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
která má za následek dokonce dočasné zvýšení teploty vývalku. Vyjdeme-li z grafické
závislosti uvedené na obr. 5, tak na této křivce jsou zřejmé dvě oblasti
(800 – 750 °C a 670 – 620 °C), ve kterých došlo ke změně rychlosti ochlazování.
Pro přesnější určení teplot fázových transformací bude vhodné si danou ochlazovací křivku
„zazoomovat“, resp. rozdělit si ji na dvě části. První část vyuţijeme pro určení teploty Ar3 a
druhou část pak vyuţijeme pro určení teploty Ar1. Ochlazovací křivku v její lineární části je
potřeba proloţit tečnou. V místě odklonu ochlazovací křivky od tečny se určí příslušný bod,
resp. teplota dané fázové transformace – viz obr. 6 a obr. 7.
Obr. 6: Určení teploty Ar3
Obr. 7: Určení teploty Ar1
Takovýmto způsobem tedy budete muset analyzovat ochlazovací křivky všech
vyválcovaných tyčí.
Následně vyuţijete z minulé úlohy určené průměrné teploty válcování a v závislosti na
nich sestrojíte grafický průběh teplot fázových transformací Ar3 a Ar1 tyčí vyválcovaných na
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
spojitém pořadí, resp. na vratné válcovací stolici polospojité laboratorní válcovny. Díky tomu
budete schopni určit, jakým způsobem termomechanické parametry válcování a ochlazování
ovlivnily teploty fázových přeměn zkoumané oceli. Příklad závislosti teploty Ar3 na průměrné
teplotě válcování uhlíkové oceli dokumentuje obr. 8.
Obr. 8: Teploty Ar3 při válcování tyčí z uhlíkové oceli na spojitém a předválcovacím pořadí
5. VYHODNOCENÍ CHARAKTERU FINÁLNÍ STRUKTURY
VYVÁLCOVANÝCH TYČÍ
Pro vyhodnocení charakteru finální mikrostruktury vyválcovaných tyčí bude potřeba
z vyválcovaných tyčí odřezat cca 20 mm vzorky, které budou podrobeny metalografickým
analýzám. Pomocí fotodokumentace mikrostruktury v příčných řezech vyválcovaných tyčí
budete moci určit, jaké strukturní fáze jsou v mikrostruktuře zastoupeny. Pro přesné stanovení
podílů fází můţete vyuţít například program QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1, který je mimo
jiné určen pro off-line analýzu fotografií mikrostruktur. Díky tomuto programu budete moci
také určit střední průměr feritického zrna jednotlivých laboratorních vývalků.
S programem QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1 jste se mohli setkat jiţ v rámci cvičení
z předmětu Deformační chování materiálu. Aby jste mohli jednotlivé mikrostrukturní snímky
následně analyzovat, bude nutné podle zvětšení snímku nastavit velikost objektivu, kterým
byl snímek pořízen. Byl-li snímek pořízen například při zvětšení 200x, pak velikost objektivu
bude 20. Po přiřazení typu objektivu se zaktivuje panel nástrojů pro analýzu jednotlivých
snímků a Vy budete moci upravovat měřítko snímku, měřit velikost zrna, plochu zrn, počítat
zrna, stanovovat tvrdost nebo analyzovat podíly fází.
Pro určení podílu fází ve zkoumané mikrostruktuře pomocí programu QuickPHOTO
INDUSTRIAL 3.1 je potřeba si v horní liště programu zapnout analýzu fází – viz obr. 9.
Následně se v programu rozbalí karta Analýza fází, díky níţ je moţno analyzovat 4 strukturní
fáze. Program neumí určit o jaký typ strukturní fáze se jedná (to je na obsluze programu ),
pouze umí poloautomaticky na základě analýzy obrazu barevně rozlišit fáze obsaţené
v jednotlivé mikrostruktuře. Vašim úkolem pak je pomocí nástroje výběru označit
v mikrostruktuře jednotlivé strukturní fáze.
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
Obr. 9: Analýza podílů fází v mikrostruktuře vyválcované tyče pomocí programu
QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1
Mikrostruktura na obr. 9 je tvořena feritem (světlé oblasti) a perlitem (tmavé oblasti).
Nejdříve se tedy pokusíme určit podíl feritické fáze. Nástrojem pro výběr fáze tedy budeme
postupně vybírat světlá zrna, která se budou barvit do červena – viz obr. 10.
Mikrostruktura uvedeného vývalku je tedy tvořena cca 87 % podílem feritické fáze a z toho
vyplývá, ţe obsah perlitu v mikrostruktuře bude v tomto případě cca 13 %.
Obr. 10: Označení strukturních fází v programu QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1
V případě, ţe je v mikrostruktuře více fází, je potřeba v kartě Analýza fází aktivovat další
fázi a následně v mikrostrukturním snímku označovat zrna nebo oblasti zkoumané fáze.
Při označování jednotlivých strukturních fází v mikrostrukturním snímku je potřeba
postupovat s rozvahou. Záměna nebo smíchání jednotlivých fází povede k nesprávnému
určení jejich podílů.
Střední průměr feritického zrna všech vyválcovaných tyčí určete manuálně (přímkovou
nebo planicentrickou metodu počítání zrn) nebo k tomu vyuţijte program QuickPHOTO
INDUSTRIAL 3.1. V programu QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1 budete moci střední
Určení vlivu termomechanických parametrů válcování a rychlosti ochlazování na teploty
fázových transformací a charakter výsledné mikrostruktury
RPP2017/148 Inovace vybraných cvičení v oblasti objemového tváření materiálu
průměr zrna určit jednoduše pomocí volby „Měření úsečky“ – viz obr. 11. Na snímku s
mikrostrukturou si pomocí myši jednoduše změříte vzdálenost mezi protilehlými hranicemi
zrna, coţ bude představovat v případě rovnoosého zrna jeho střední průměr. Aby jste získali
reprezentativní výsledky, bude zapotřebí na jednom snímku změřit alespoň 10 zrn a následně
stanovit střední průměr zrna.
Obr. 11: Měření středního průměru zrna v programu QuickPHOTO INDUSTRIAL 3.1
Následně opět vyuţijete z minulé úlohy určené průměrné teploty válcování a v závislosti
na nich zdokumentujete určenou střední velikost feritického zrna.
Pracujte pečlivě a trpělivě při tvorbě protokolu nezapomeňte v závěru
stručně shrnout získané poznatky!
Určitě vás napadá otázka, k čemu tyto testy a výsledky slouží?
Pro účely stanovení teplot fázových přeměn při ochlazování ocelí je vhodné pouţít
dilatometrické testy, během nichţ jsou zkoumané vzorky ochlazovány konstantními
rychlostmi a jejichţ výsledky lze zobrazit v podobě velmi ţádaných rozpadových diagramů.
V technologické praxi ovšem rychlost ochlazování tvářených výrobků nebývá konstantní a
z tohoto důvodu je vhodné dilatometrické testy doplnit poměrně jednoduchými experimenty
na laboratorní válcovně, které věrněji reflektují historii deformace při konkrétním
technologickém postupu, jí odpovídající průběh uzdravování deformovaného austenitu a
reálné podmínky ochlazování vývalků.
top related