РАЗДЕЛ 2
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО
УПРОЧНЕНИЯ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ
Широко используемые в строительстве и машиностроении малоуглеродистые и низколегированные стали с традиционной феррито-перлитной структурой имеют низкие прочностные характеристики. Большие возможности для повышения прочности и надежности конструкционных материалов открывают термическая обработка с отдельного нагрева и термомеханическая обработка с ее разновидностями, механико-термическая обработка и др. [37, 38, 45, 47, 55, 90-94].
Термомеханическая обработка (ТМО) представляет собой совокупность операций нагрева, деформации и охлаждения, в результате которых формирование окончательной структуры стали происходит в условиях повышенной плотности структурных несовершенств, созданных деформацией [95-100]. К несовершенствам кристаллической решетки, участвующим в создании субструктуры, относят, в первую очередь, дислокации, вакансии и их построения, а также границы зерен. Оптимальные режимы ТМО, в которых регламентируется повышение степени несовершенства кристаллической решетки и перестройка полученных дефектов в развитые структурные и субструктурные построения, позволяют получать более уникальные сочетания прочности, пластичности и вязкости, чем при легировании твердых растворов или термообработке.
Высокий комплекс механических свойств в металле после ТМО, в том числе и сопротивления хрупкому разрушению, возможно получить только при условии наследования субструктуры горячедеформированного аустенита конечными структурами, т.е. при реализации эффекта ВТМО. Поэтому одним из основных условий получения высококачественного металлопроката являются параметры технологии, при которых в горячедеформированном аустените возможно создать развитую субструктуру по типу динамической полигонизации или, в крайнем случае, динамического возврата, который можно рассматривать как начальную стадию динамической полигонизации [100]. Большой объем исследований, выполненных на сталях и сплавах различного состава показал, что для металлов с тремя типами кристаллической решетки (ГПУ, ГЦК и ОЦК) предельная температура сохранения субструктуры полигонизации существенно превышает температуру рекристаллизации в обычном состоянии металла [101]. При этом структура полигонизации, сформировавшаяся при высокотемпературной деформации, обладает более высокой стабильностью по сравнению со структурой после обычной рекристаллизации. Такие свойства особенно важны для металлопроката, который при последующих переделах подвергается нагревам (например, сварке) или эксплуатируется при повышенных температурах.
В технической литературе [95, 96, 100, 102-104] существует несколько видов классификаций процессов, совмещающих деформацию металла и термическое воздействие на него. В странах СНГ чаще всего классификация способов термомеханической обработки базируется на признаке, определяющем последовательность операций деформирования и термической обработки в едином технологическом цикле [96, 102]. Такая классификация подразделяет процессы ТМО на четыре класса с подклассами. В качестве основы для классификации способов термомеханической обработки принято взаимное расположение температурной области деформации и интервала превращения ??? с учетом рекристаллизации аустенита. Строго говоря, различия между вариантами ТМО определяются не положением температуры деформации, а типом структуры аустенита перед превращением, который, кроме параметров деформации, зависит от условий последеформационного охлаждения и состава стали [91-93, 96, 99, 100, 102-104].
Наиболее широкое распространение как в СНГ, так и за рубежом получили различные разновидности технологии ВТМО. Механизм упрочнения стали в результате ВТМО следует рассматривать как сочетание двух процессов: горячей деформации, приводящей к накоплению дефектов, и фазового превращения деформированного аустенита с повышенной плотностью дефектов решетки, наследуемых вторичной структурой. При высокотемпературной деформации в аустените возможно прохождение рекристаллизации или предшествующих ей процессов. Рекристаллизационные процессы могут проходить не только во время пауз между проходами (статическая рекристаллизация), но и непосредственно в процессе самой деформации (динамическая рекристаллизация). При благоприятном соотношении температурных и деформационно-скоростных параметров обработки динамической рекристаллизации в аустените предшествует динамическая полигонизация, при которой хаотически распределенные дислокации выстраиваются в стенки, образуя субграницы, разделяющие относительно свободные от дефектов участки зерна. Полученная структура достаточно устойчива даже при высоких температурах. Поэтому если металл, в котором такая структура образовалась во время деформации, быстро охладить, то полигонизованная субструктура сохранится в нем и при ??? превращении [105-110].
Металл, унаследовавший высокотемпературное субструктурное состояние, будет обладать одновременно высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Динамическая полигонизация происходит в условиях, когда состояние металла отвечает умеренному горячему наклепу. Если в результате горячей обработки создано состояние достаточно сильного горячего наклепа, то наиболее вероятным процессом будет динамическая рекристаллизация. В последнем случае эффективность ВТМО значительно снизится. В работе [69] было установлено, что при многократной высокотемпературной деформации аустенита критической температурой металла, при которой начинает резко возрастать его наклеп, является ? 950 оС. При изменении температуры прокатки ниже указанной температуры создаются предпосылки для нарушения сплошности металла арматуры и развития поверхностных дефектов в процессе прокатки. В работе [111] температурами ВТМО, при которых в сталях Ст3 и Ст5 достигаются наиболее высокие значения ударной вязкости и порог хладноломкости минус 60 оС, являются 930 и 900 оС (с последующим отпуском). При этом время между окончанием деформации и ускоренным охлаждением при ВТМО стали Ст