автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка метода оценки качества малоуглеродистых сталей с целью их экономии в производстве крепежных изделий

Введение

Глава I

Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Материалы для крепежных изделий

1.1.1. Стали 15 и I6XCH.

1.1.2. Сталь 13ХПН2В2МФ. II

1.2. Методы исследования структур, изломов, физических свойств деформированных металлов и сплавов

1.3. Дефектность металлов, развивающаяся при холодной пластической деформации.

1.3.1. Вакансии и дислокации

1.3.2.' Субмикро- и микроскопические трещины

1.3.3. Напряжения первого рода и увеличение удельной поверхности границ зерен

1.4. Влияние дефектности, развивающейся при холодной пластической деформации волочением, на механические свойства металлов и сплавов

1.4.1. Влияние дефектов на прочность сталей

1.4.2. Влияние дефектности на пластичность металлов.

1.4.3. Влияние холодной деформации, отжигов и пористости на упругие характеристики металлов

1.5. Влияние нагрева на структуру и плотность холодно-деформированных ОЦК металлов и сплавов.

1.6. Виды поверхностных дефектов и их роль в поведении стальной проволоки и прутков

1.7. Выводы по главе I.

1.8. Цель и задачи исследования.

Глава

Методика проведения экспериментов, исследуемые материалы и оборудование.

2.1. Выбор материалов и структурных состояний

2.2. Виды испытаний, образцы, средства измерения и оборудование

2.2.Г. Механические испытания.

2.2.2. Измерение плотности сталей

2.2.3. Определение упругих характеристик материалов

2.2.4. Микроструктурные, фрактографические и рентгеноструктурные исследования

2.2.5. Определение остаточных напряжений первого рода

2.2.6. Дилатометрические исследования и термическая обработка.

2.3. Погрешность экспериментов и математическая обработка результатов.

2.4. Результаты метрологической поверки испытательных машин и приборов.

2.5. Выводы по главе 2.

Г л а в а

Исследование влияния параметров технологического процесса на структуру и свойства сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ.

3.1. Влияние холодной пластической деформации на механические характеристики сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ

3.2. Влияние напряженного состояния на предельную деформацию, прочность и работу предельной деформации сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ в различных структурных состояниях

3.3. Изменение плотности сталей 15, I6XCH, 13Х11Н2В2МФ при холодной пластической деформации.

3.4. Влияние пластической и термической обработки на микроструктуру сталей 15, I6XCH, 13ХНН2В2МФ.

3.5. Влияние пластической и термической обработки на дислокационную структуру сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ.

3.6. Исследование напряжений первого рода, возникающих при волочении сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ, и изменений удельного объема от них.

3.7. Влияние "дефекта плотности" и текстуры на упругие характеристики сталей 15, I6XCH, 13ХНН2В2МФ.

3.8. Составляющие "дефекта плотности" волоченых сталей

15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ.

3.9. Исследование субмикро- и микроскопических трещин, развивающихся при деформировании с разными значениями напряженного состояния.

3.10.Влияние отжигов на плотность деформированных сталей

15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ.

3.11.Исследование твердости по Бринелю и микротвердости после отжигов деформированных сталей 15, I6XCH

3.12.Дилатационные исследования при нагреве сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ в разных структурных состояниях.

3.13.Определение напряженного состояния в вершине поверхностного дефекта.

3.14.Выводы по главе 3.

Глава

Анализ изменений предельной деформации и плотности малоуглеродистых сталей после волочения и отжигов

4.1. Прогнозирование предельной деформации сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ на основе учета "пластического разрыхления".

4.2. Восстановление плотности и пластичности холоднодеформи-рованных сталей 15 и I6XCH в результате отжигов

4.3. Выводы по главе 4.

Глава

Промышленное внедрение результатов исследований

5.1. Метод определения ресурса пластичности прутковых материалов с поверхностными дефектами при холодной высадке крепежных изделий

5.2. Примеры пользования методом.

5.3. Результаты технологических испытаний

5.3.1. Болт Мб из стали I6XCH

5.3.2. Гайка шестигранная из стали

5.4. Эксплуатационные испытания изделий, произведенных из дефектного материала.

5.4.1. Многоцикловая усталость

5.4.2. Малоцикловая усталость.

5.4.3. Разрыв и разрыв с перекосом под головкой 8°.

5.5. Анализ результатов технологических и эксплуатационных испытаний.

В постановлении ХХУ1 съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года" отмечена необходимость разработки и осуществления системы мероприятий по снижению удельной металлоемкости машин и существенному сокращению отходов и потерь металлопродукции/ Применительно к высокопроизводительным малоотходным технологическим процессам холодной высадки крепежных изделий это означает повышение выхода годного за счет снижения количества брака по материалам и готовой продукции. Решение задач экономии металла, повышения эффективности производственных процессов и надежности крепежных изделий зависит от качества материала, правильной оценки его возможностей, а также научного прогнозирования предотвращения разрушения, в частности, от наличия поверхностных дефектов. Полное устранение поверхностных дефектов оказывается невозможным или экономически невыгодным.

Из сказанного следует, что разработка метода оценки чувствительности металлов в различном структурном состоянии к наличию поверхностных дефектов с целью повышения выхода годного в технологических процессах производства крепежных изделий является важной и актуальной задачей. Решение задачи экономии металла требует тщательного исследования физической природы взаимосвязи процессов пластической деформации и разрушения малоуглеродистых сталей, широко используемых (углеродистые, малолегированные) и рекомендованных (сложнолегированные) для производства крепежных изделий.

Исследования, представленные в диссертации, выполнены автором в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по проблемам 2.24.3.1Л "Развитие исследований высокопрочных сплавов с целью оценки и улучшения их технологических и эксплуатационных показателей" (№ Госрегистрации 81083582 12АБГ) и 2.26.2.18 "Разработка новых процессов обработки металлов давлением, изучение технологических и эксплуатационных свойств, механизма пластической деформации и разрушения металлов и сплавов" (№ Госрегистрации 81083599 12АВГ).

Автор защищает:

1. Установленные закономерности влияния холодной пластической деформации и термической обработки на свойства сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ, применяемых для производства крепежных изделий методом холодной высадки, в том числе: стандартные и специальные (работу предельной деформации, коэффициент деформационного упрочнения, показатель чувствительности предельной деформации к напряженному состоянию) механические характеристики, структуру, плотность и модули упругости.

2. Диаграммы предельного состояния для различных структурных состояний сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ в координатах: предельная деформация, прочность, работа предельной деформации

- напряженное состояние.

3. Расчет предельной деформации при разных напряженных состояниях, выполненный с учетом пластического разрыхления (изменений структуры, выраженных через снижение плотности сталей) на разных стадию: деформирования.

4. Метод определения ресурса пластичности прутковых материалов с поверхностными дефектами при холодной высадке крепежных изделий и результаты его промышленного внедрения.

Работа выполнена на кафедре "Термическая и пластическая обработка металлов" Горьковского ордена Трудового Красного' Знамени политехнического института им.А.А.Жданова.

Автор диссертационной работы выражает благодарность доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и тех«« ники РСФСР Льву Дмитриевичу Соколову за научное руководство диссертационной работой и доктору технических наук Вениамину Аркадьевичу Скуцнову за консультации при выполнении работ и обсуждении результатов исследований*

Результаты исследования изменений удельного объема при отжигах с температурами I00-II00°C сталей У9, 70 и ЗОХГСА, предварительно волоченных на 80% представлены в работах /41, 56/. Из них видно, что уменьшение удельного объема (повышение плотности) сталей с ростом температуры происходит неравномерно. В интервале температур отжигов Ю0-500°С происходит некоторое снижение удельного объема. При отжигах с температурами 500-900°С удельный объем практически не меняется. И лишь при отжигах I000-II00°C избыточный объем устраняется полностью, плотность принимает исходное значение. Отмеченные эффекты получили следующее объяснение. Изменение удельного объема сталей при отжиге в области температур 200-500°С происходит за счет аннигиляции. Дальнейший нагрев вплоть до 900°С не приводит к существенному уменьшению объема, что свидетельствует о завершающейся релаксации микронапряжений. Объемный эффект, возникший после отжига при температурах выше 900°С объясняется исчезновением микроскопических пор и трещин, возникших в результате пластической деформации.

Я.Е.Гегузин считает /61/, что залечивание пор (дефектов) происходит по диффузионному механизму путем повакансионного перемещения поры к внешней границе образца. По мнению ряда авторов, ' местом сбора диффундирующих вакансий служат границы зерен /100, 101/ и даже субмикроскопические трещины /62/.

Упругие субмикроскопические трещины захлопываются при низкотемпературном отжиге 400-500°С, что обусловлено релаксацией микроискажений /102, 103/, а также напряжений первого рода /41/. Напряжения первого рода в сталях практически полностью снимаются при отжиге 400°С /68/. Искажения второго рода (микроискажения) в сталях с объемноцентрированной кристаллической решеткой в значительной степени устраняются при возврате, а окончательно при первичной рекристаллизации /35, 36/. Избыточная концентрация вакансий устраняется при нагреве до 150-200°С /36/.

Показательными являются результаты дилатометрических исследований образцов из стали У9-ВД, деформированных волочением на 75$ /35/. При нагреве до температур 650°С протекает ряд процессов, вызывающих уменьшение объема: вакансионный отдых, дислокационная перестройка, рекристаллизация. Снижение коэффициента объемного расширения деформированных образцов в сравнении с нормализованными при температурах выше критических, авторы /35/ связывают с залечиванием микропор и микротрещин вследствие рекристаллизации аустенита, наследующего дефектность холоднодеформиро-ванного феррита. По мнению авторов /35/, это явление требует дополнительных исследований. Вероятной причиной предложенного механизма залечивания микронесплошностей в области закритических температур является высокая скорость нагрева, которая составляла 100-740 градусов в минуту.

При холодной пластической деформации, кроме сжатия, металлических материалов с объемноцентрированной кристаллической решеткой, независимо от состава сплава и чистоты металла, образуется аксиальная текстура, характеризующаяся преимущественным кристаллографическим направлением - осью текстуры (НО) /51, 104/. Эта текстура справедлива и для волочения /43, 105-108/. Причем, формирование такой аксиальной текстуры в сталях выявлено уже на ранних стадиях деформирования /109/.

О текстуре отжига ОЦК металлов известно мало /107/. В молибденовой, вольфрамовой и ванадиевой проволоке при первичной рекристаллизации сохраняется текстура деформации (ПО) . В проволоке из железа и его сплавов, как и в случае вышеупомянутых металлов, при первичной рекристаллизации наблюдалась текстура (ПС£> /51, 107/.

Таким образом, аксиальная текстура {пф характерна для ОЦК металлов как в деформированном состоянии, так и после первичной рекристаллизации /36, 54, 107/.

Изменения текстуры возможны, однако, при высоких температурах. Текстура деформации молибденовой проволоки после отжига И00°С была несколько слабее и характеризовалась большим рассеянием, при 2000°С она еще более ослабевала /107/. По мнению /36/, текстуры вторичной рекристаллизации ОЦК металлов и сплавов достаточно сильно отличаются от текстур деформации и первичной рекристаллизации. Если же сплав сразу нагреть до температур собирательной рекристаллизации, то произойдет полное рассеивание текстуры. Ослаблению текстур способствует /51/ наличие в сплавах крупных частиц второй фазы (примерно > 0,1 мкм) с одновременным использованием высоких скоростей нагрева, что позволяет реализовать максимальное число центров, которые хаотично ориентированы. Этому же благоприятствует и фазовая перекристаллизация вблизи температуры начала рекристаллизации.

Л.Н.Лариков считает /36/, что образование внутренних микротрещин при сильной деформации металлов еще не является препятствием для дальнейшего использования полуфабриката, если эти микротрещины будут залечены при термической обработке. Задача повыше-\ ния надежности материалов и конструкций путем заличивания дефектов сводится не к аннигиляции всех дефектов, а к оптимизации их количества и распределения в реальных металлах с целью одновременного повышения прочности, пластичности и долговечности изделий или улучшения отдельных физико-химических свойств материалов.

1.6. Виды поверхностных дефектов и их роль в поведении стальной проволоки и прутков

Все рассмотренные выше дефекты являются внутренними и имеют деформационное происхождение. Они наблюдаются, как правило, на субструктурном уровне металлов. Однако, прутки и проволока имеют значительное количество поверхностных дефектов, которые по отношению к внутренним имеют макроразмеры. Поверхностные дефекты возникают чаще всего в результате нарушения технологии производства материала, поэтому их можно назвать дефектами металлургического происхождения. Наиболее распространенными поверхностными дефектами на стальной проволоке и прутках являются /110, III/: трещины, волосовины, риски продольные и кольцевые, царапины, след протяжки, закаты, рванины, раковины, черновины, рябизна.

Трещины возникают в результате разрыва металла /НО/. Расположение трещины может быть либо беспорядочным, либо идущим по определенному направлению. Различное направление их объясняется различием причин их возникновения. Длина и глубина трещин в зависимости от стечения причин и условий возникновения может быть самая различная. Трещины бывают одинокие и групповые. Поперечные трещины металлургического производства образуются при затвердевании металла, когда слиток зависает из-за неровностей на стенках изложницы или других причин. Продольные трещины образуются при слишком большой скорости охлаждения слитка. Трещины прокатного производства возникают в результате слишком низкой температуры металла перед прокаткой, при пережоге металла, при больших скоростях нагрева и охлаждения. Края у трещин неровные, конец трещин всегда острый.

Волосовины - тонкие трещины различной длины, вытянутые вдоль прокатки. Они возникают в результате вытяжки газовых пузырей или неметаллических включений (огнеупоры, песок), расположенных вблизи поверхности слитка /112/. Волосовины - дефект металлургического производства. Волосовины часто представляют собой вытянутые вдоль прокатки капиляры толщиной в волос. В поперечном сечении они иногда видны как точки, являясь проекциями капиляров. Длина волосовин, как правило, небольшая 20-30 мм, иногда 100-150 мм /ПО/.

Риски - мелкие открытые продольные царапины различной глубины, просматриваемые до самого дна. Риски - механическое повреждение, получаются при горячей прокатке и холодном волочении, когда окалина и другие твердые частицы попадают в фильер. При последующих протяжках риски затягиваются и по внешнему виду напоминают волосовины. Кольцевые риски получаются при обточке поверхности проволоки.

Царапины и забоины - механические повреждения проволоки местного характера, получаются при волочении и транспортировке проволоки.

Следы протяжки - продольные дефекты в виде небольших углублений на поверхности проволоки темного цвета, получаются при волочении проволоки, обычно надрывов на головках изделий не дают.

Закат не связан с разрывом металла и представляет собой вдавленный в тело заусенец, получившийся в предыдущем калибре, причем металл заусенца не сваривается с основной массой проволоки. Закат может получиться от вдавливания и закатывания в тело проволоки вообще всякого рода возвышений, образующихся на поверхности металла в предыдущем пропуске. В этом случае он будет похож не на трещину, а на плену. В зависимости от формы возвышений и их направлений контур плены будет не прямая линия, а большей частью кривая или закругленная. Критерием отличия плены, вызываемой закатом следов насечки и другими причинами от обычных плен, является наличие периодичности в расположении дефекта. Расположение заката соответствует расположению заусенца, из которого он получился /НО/.

Рванины - дефект, представляющий собой раскрытые разрывы, расположенные поперек или под углом к направлению вытяжки металла, образующиеся в результате пониженной пластичности металла /113/. Это поперечные трещины.

Раковины - мелкие округлые дефекты с неровными краями. Раковины получаются в результате коррозионного воздействия среды. Коррозия металла, как правило, происходит неравномерно и носит местный точечный характер.

Черновины - продольные вмятины темного цвета, образуются на поверхности проволоки, когда окалина неполностью сбита и при последующей прокатке вдавливается в поверхность.

Рябизна - представляет собой множество мелких продольных коротких дефектов. Она может образоваться из-за перетрава проволоки в кислоте при снятии окалины после отжига, от коррозии, после втягивания вмятины, раковин при волочении. В поперечном сечении рябизна выглядит как риска.

Допустимая глубина поверхностных дефектов применительно к производству крепежных изделий определяется как половина допуска на диаметр проволоки (ТУ 14-4-385-73, а также для углеродистых сталей ТУ I4-I32-I2I-76, для легированных в предварительно шлифованном виде ТУ 14-167-12-73).

1. Выводы по главе I

2. Структурные изменения, происходящие в металлах и сплавах при холодной пластической деформации, выражаются в увеличении дефектности материалов. На макроуровне этот процесс сопровождается снижением плотности.

3. Доказано возникновение при пластической деформации металлов микро- и субмикроскопических несплошностей типа трещин и пор. В то же время недостаточно четко определена доля каждого вида дефектности в снижении плотности.

4. Формирующаяся при наклепе дефектность оказывает обратное влияние на пластическую деформацию металлов. Однако, отсутствуют данные по количественной оценке взаимосвязи процессов пластической деформации и разрушения.

5. Слабо исследованы механизмы, ответственные за снижение пластичности холоднодеформированных ОЦК сталей при схемах объемного растяжения.

6. Опубликованные данные по влиянию наклепа на упругие характеристики металлических материалов ограничены и неоднозначны.

7. Отсутствует количественная оценка ресурсных возможностей сталей в разных структурных состояниях при холодной высадке изделий из прутков и проволоки с поверхностными дефектами.

8. Цель и задачи исследования

9. Выявить влияние структурного состояния на предельные характеристики сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ при разных напряженных состояниях.

10. С учетом вышеизложенного определены следующие задачи исследования :

11. Построить диаграммы предельного состояния сталей 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ в координатах: предельная пластичность, временное сопротивление разрыву, работа предельной деформации напряженное состояние.

12. Определить характер влияния поверхностных дефектов на поведение прутков и проволоки в технологии.

13. Разработать метод рационального использования пластичности малоуглеродистых сталей при производстве крепежных изделий.

14. Провести промышленную проверку технологических и эксплуатационных свойств изделий, произведенных из материала с безопасными (согласно разработанному методу) поверхностными дефектами.

15. Оценить возможность прогнозирования величины предельной деформации сталей в широком диапазоне напряженных состояний с учетом пластического разрыхления на разных стадиях деформирования.

16. ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ,

17. ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

18. Выбор материалов и структурных состояний

19. Малоуглеродистые стали 15, I6XCH, 13ХПН2В2МФ (ЭИ-961) широко применяются для производства крепежных изделий методом холодного объемного деформирования.

20. Выбор структурных состояний сталей определен особенностями использования металла в производстве крепежных изделий (табл.2.1).