TRATAMENTE TERMOMECANICE

Transcript

1 Universitatea Tehnica Gheorghe Asachi din Iasi Facultatea de Stiinta si Ingineria Materialelor TRATAMENTE TERMOMECANICE conf. dr. ing. Radu Comaneci Departamentul de Tehnologii si Echipamente pentru Procesarea Materialelor

2 Cum putem obţine materiale cu proprietăţi mecanice superioare? Aliere Tratamente termice Deformare plastică 2

3 Definirea tratamentelor termomecanice laminare forjare matrițare Deformare plastică Tratament termic călire la martensită călire izotermă normalizare laminare controlată ausforming isoforming Tratament termomecanic

4 Aplicații ale tratamentelor termomecanice oțeluri carbon oțeluri microaliate oțeluri înalt aliate oțeluri speciale aliaje de Al aliaje de Cu aliaje speciale Oțeluri Aliaje neferoase Produse finite Semifabricate rulmenți țevi arcuri table profile sârme

5 Efecte ale tratamentelor termomecanice Fragil Proprietăți mecanice Oboseală Optimizare Uzură Ductil Reziliență Rezistență Tenacitate Scopul tratamentelor termomecanice este realizarea unui complex de proprietăți mecanice și tehnologice superior, altul decât cel obținut prin tratamente termice convenționale 5

6 Prima componentă: tratamentul termic A1 Austenita Inceputul transformarii A P Sfarsitul transformarii A P Temperatura (C) Austenita Perlita grosolana Cuptor Perlita fina Aer Bainita superioara Austempering Bainita inferioara Ms 100 Martensita Ulei Martempering Apa Timp (s) 6

7 A doua componentă: deformarea plastică (I) A3 A1 Austenita Inceputul transformarii A P Sfarsitul transformarii A P 1 Tratament termomecanic de temperatură înaltă propriu-zis cu călire la martensită - TTMTI Temperatura (C) Ms Tratament termomecanic izoterm de temperatură înaltă la perlită - TTMIzTIP Tratament termomecanic izoterm de temperatură înaltă la bainită - TTMIzTIB Timp (s) Dacă deformarea plastică are loc în domeniul austenitei stabile un Tratament Termomecanic de Temperatură Inaltă (TTMTI) 7

8 A doua componentă: deformarea plastică (II) A3 A1 Austenita Inceputul transformarii A P Sfarsitul transformarii A Austenita instabila 1 P Tratament termomecanic de temperatură joasă propriu-zis cu călire la martensită - TTMTJ Temperatura (C) ! 1 Ms Tratament termomecanic izoterm de temperatură joasă la perlită - TTMIzTJP Tratament termomecanic izoterm de temperatură joasă la bainită - TTMIzTJB Timp (s) Dacă deformarea plastică are loc în domeniul austenitei instabile un Tratament Termomecanic de Temperatură Joasă (TTMTJ) 8

9 A doua componentă: deformarea plastică (III) 1150 o C A3 A1 1 2 A + α Domeniul de recristalizare al Austenitei Domeniul de nerecristalizare al Austenitei Inceputul transformarii A α 3 Inceputul transformarii A P 1 Deformare plastică în domeniul de recristalizare al austenitei Temperatura (C) Sfarsitul transformarii A P 2 Deformare plastică în domeniul de nerecristalizare al austenitei Ms 3 Deformare plastică în domeniul bifazic Austenită + Ferită (A + α) Timp (s)! Laminarea controlată se aplică numai oțelurilor feritice microaliate Dacă deformarea plastică are loc atât în domeniul austenitei stabile cât și în domeniul bifazic A + α Laminare Controlată (LC) 9

10 ROLUL DEFORMĂRII PLASTICE De a finisa structura prin mecanismele de restaurare si recristalizare (meta)dinamice si/sau statice De a introduce defecte de structură în special dislocatii - care să modifice cinetica transformării ulterioare din timpul tratamentului termic De a modifica morfologia si proportia fazelor si constituentilor structurali (Austenită reziduală, Martensită, Perlită, Bainită, Carburi) 10

11 Principiul și mecanismul tratamentelor termomecanice Definiție ansamblul operațiilor de deformare plastică, încălzire și răcire realizate în diferite succesiuni tehnologic posibile Principiu crearea unei structuri de defecte corespunzătoare unei mari densități de dislocații distribuite specific prin deformare Mecanism îmbunătățirea proprietăților mecanice ca rezultat al finisării structurale Parametri tehnologici temperatura de deformare T d : gradul de deformare ε temperatura și timpul menținerii postdeformaționale τ 11

12 Imbunătățirea proprietăților prin finisare structurală Creșterea proprietăților mecanice de rezistență are loc după legea Hall-Petch Proprietăți mecanice de rezistență (σ) Amorfe d c Dimensiunea grăuntelui (d) σ c = σ co + K d σ c [MPa] este limita de curgere determinată de finisarea structurală σ co [MPa] este limita de curgere inițială a materialului d [µm] este dimensiunea grăuntelui K este o constantă de material determinată experimental Finisarea granulaţiei asigură nu numai creşterea proprietăţilor de rezistenţă (σ r, σ c, HV), ci şi mentinerea celor de plasticitate (A u, Z) Imbunătățirea proprietăților mecanice de rezistență are loc până la o valoare critică d c a dimensiunii grăuntelui 12

13 Experiment Laminare 150 Recristalizare 140 σ c [MPa] Duritate HV σ c / d [µm]

14 Aplicaţie: tratamentul termomecanic al oţelului de rulmenţi Austenita Temperatura (C) Acem A1 1 Inceputul transformarii A P Sfarsitul transformarii A 690 o C 2 3 Ms 4 P 1 2 Călire la martensită din caldul deformării plastice Revenire înaltă 690 o C-8h pentru precipitarea fin dispersă a carburilor 3 Călire finală la martensită 4 Revenire finală Tratamentul descris se numeşte tratament termomecanic ereditar - TTME Timp (s) Rezultat: conţinutul de A rez a scăzut de la 14-16% la 3,5%; durabilitatea (L 10 ) a crescut cu 60% 14

15 Exemple Oțel TTM σ r (dan/mm 2 ) A u (%) KCU (J/cm 2 ) K pf (J/cm 2 ) 55SiMnCr10 TTMTI CrVNi30 TTMTJ SiMn20 TTMIzTIP SiMn20 TTMIzTIB VCr10 TTMIzTJP CrNi30 TTMIzTJB MoVNbMn20 LC T k = -95 o C!! RUL1 TTME A rez = 16 3,5% L 10 60% 15

16 Finisarea grăuntelui de austenită prin procese de recristalizare Grăuntele de austenită: Determină fundamental desfăşurarea transformărilor ulterioare Decide gradul de finisare al produşilor de transformare: α, P, B, M Contribuie la obţinerea proprietăţile mecanice finale Mecanismele finisării structurale Restaurarea și recristalizarea dinamică ce au loc în timpul deformării plastice la cald Recristalizarea statică și metadinamică la menținerea postdeformațională Precipitarea fin dispersă a compușilor chimici care împiedică creșterea grăunților 16

17 Algoritmul de calcul al mărimii grăuntelui austenitic în timpul laminării la cald Condiţii iniţiale Mărimea iniţială de grăunte Temperatura de deformare Calculul gradului de deformare Calculul vitezei de deformaţie Parametrul Zener-Hollomon Adăugare deformaţie acumulată Următoarea trecere DA Apare recristalizare dinamică? Creşterea grăunţilor Restaurare statică Recristalizare dinamică NU Recristalizare statică Calculul ariei efective a limitelor de grăunte Recristalizarea este completă? NU DA Ultima trecere? DA NU Rezultate Mărimea grăuntelui de austenită Proporţia de structură recristalizată Deformaţia acumulată Aria efectivă a limitelor de grăunte 17

18 Poate fi controlată granulaţia? Oţel cu 0,12%C; 0,25%Si; 1,4%Mn Exemplu de calcul ho [mm] h [mm] R [mm] N [rot /min] Uniformizare temperatura τ [s] do [µm] T IL [ o C] T SL [ o C] ε ε [s -1 ] Q def [kj/mol] ε p ε D (0,7ε p ) E Mentinere E Mentinere E Mentinere Racire ε (0,8ε p ) t 0.5 [s] (ε<ε*) d γrs [µm] recr t ment [s] X recr ε T ment [ o C] Kγcres d C [µm] d γ final [µm] S g [µm -1 ]

19 Simularea mărimii grăuntelui de austenită deformată plastic la cald prin laminare Trei treceri cu menţineri postdeformaţionale d γ [µm] T [ o C] Timpul [s] 0 19

20 Inceputul laminării la cald: T IL = 1300 o C; grăunţi se alungesc în direcţia laminării 20

21 A doua trecere: T L = 1236 o C; structura prezintă grăunţi alungiţi 21

22 Continuarea laminării la cald: T L 1200 o C; structura prezintă grăunţi alungiţi 22

23 Menţinere postdeformaţională, recristalizarea austenitei grăunţi echiacşi (mari) 23

24 Transformarea austenitei recristalizate într-o ferită relativ mare 24

25 LAMINAREA CONTROLATA (Controlled Rolling) 25

26 Ce este laminarea controlată? Un tratament termomecanic ce constă în laminarea la cald în domeniul de recristalizare al austenitei, răcire până în domeniul bifazic şi laminare, urmată de transformarea austenitei la structură feritoperlitică fină şi uniformă Structura finală depinde de mărimea grăuntelui de austenită obţinut după diferitele stadii ale laminării controlate 26

27 Scopul laminării controlate Obţinerea unei structuri feritice finisate care să determine creşterea rezistenţei mecanice şi a tenacităţii, cu ameliorarea fragilităţii la temperaturi negative a oţelurilor feritice Laminarea controlată se aplică oţelurilor feritice de înaltă rezistenţă slab aliate High Strength Low Alloys (HSLA), cu < 0,1%C, aliate cu Si şi Mn şi microaliate cu Nb, V, Al 27

28 Schema tehnologică a LC 28

29 Evolutia structurii in timpul laminarii controlate 29

30 Inceputul laminării controlate: T IL = 1200 o C; grăunţi se alungesc 30

31 A doua trecere: T L = 1135 o C; structura prezintă grăunţi alungiţi 31

32 Menţinere postdeformaţională, recristalizarea austenitei grăunţi grosolani 32

33 Răcire controlată până în domeniul de nerecristalizare al austenitei ( 820 o C) 33

34 Sfârşitul laminării ( 780 o C) şi transformarea austenitei într-o ferită finisată 34

35 Laminarea clasică vs. laminarea controlată Laminarea clasică începe şi sfârşeşte în domeniul de recristalizare al γ; ca urmare se obţine un grăunte austenitic mare care trece într-un grăunte de ferită relativ mare Laminarea controlată începe în domeniul de recristalizare al austenitei, dar se termină în domeniul bifazic γ + α; transformarea ulterioară γ α determină un grăunte de ferită finisat 35

36 Cap sau pajură? 36

37 Laminarea clasică se aplică: Când proprietăţile de rezistenţă se obţin după un tratament termic final Când se impune o precizie dimensională deosebită Când proprietăţile mecanice variază într-un spectru mai larg 37

38 Laminarea controlată se aplică: Oţelurilor feritice de înaltă rezistenţă microaliate cu Nb, V, Al Când proprietăţile de rezistenţă nu se pot obţine prin aliere, întrucât se deteriorează alte caracteristici (ex: sudabilitatea) Când după laminarea la cald nu se mai aplică nici un tratament termic 38

39 Bibliografie I. Tamura, H. Sekine, C. Ouchi, Thermomechanical Processing of High Strength Low Alloy (HSLA) Steels, Butterworth, London, 1988, p. 248, ISBN K. Mazanec, E. Mazancova, Physical Metallurgy of Thermomechanical Treatment of Structural Steels, Cambridge International Science, 2007, p.130, ISBN B. Castor, Automotive Engineering: Lightweight, Functional, and Novel Materials, 2008, Taylor & Francis, p. 296, ISBN E.P. Degarmo, J.T. Black, R.A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), 2003, Wiley, p. 388, ISBN D.G. Galusca, R. Comaneci, Tratamente termomecanice, 2001, Ed. Tehnica-Info, 168 p., ISBN A. Doniga, E. Vasilescu, A. Udvuleanu, Bazele teoretice ale tratamentelor termomecanice, 2004, E.D.P. Bucuresti, ISBN