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.