Формування структури вуглецевої сталі під час гарячої пластичної деформації
Loading...
Date
2020
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
UK: Мета. Основною метою роботи є визначення особливостей розвитку процесів рекристалізації аустеніту вуглецевої сталі залежно від ступеня гарячої пластичної деформації та розробка пропозицій щодо поліпшення структурного стану металу залізничного суцільнокатаного колеса. Методика. Як матеріал для досліджень використані дві вуглецеві сталі залізничного колеса з мінімальним і максимальним вмістом вуглецю 0,55 і 0,65 % та іншими хімічними елементами в межах марочного кладу сталі 60. Зразки у вигляді циліндрів діаметром 20 мм і висотою 40 мм нагрівали в муфельній печі, витримували певний час для вирівнювання температури по перетину зразка. Після цього зразки піддавали гарячому обтискуванню на випробувальній машині типу «Інстрон». Температурний інтервал гарячого обтискування зразків складав 950–1 100 ºС, за ступенів деформації по висоті в інтервалі 10–40 %. Швидкість деформації дорівнювала 10-3–10-2с -1. Для виявлення меж зерен аустеніту використовували стандартний травник. Структурні дослідження проводили з використанням світлового мікроскопа типу «Епіквант» за збільшень, достатніх для визначення особливостей будови зерен аустеніту. Величину розміру зерна аустеніту визначали за методиками кількісної металографії. Результати. У разі гарячого обтискування заготівки залізничного колеса збільшення концентрації атомів вуглецю лише в межах марочного складу сталі достатньо для зростання середнього розміру зерна аустеніту, що підтверджує пропозиції щодо обмеження вмісту вуглецю в металі залізничних коліс. Формування визначеного ступеня структурної неоднорідності аустеніту по перетину обода або маточини залізничного колеса обумовлене зміною механізму розвитку процесів рекристалізації залежно від величини деформації. За умов однакового ступеня гарячої пластичної деформації заміна одноразового обтискування на подрібнене супроводжується порушенням умов формування зародка рекристалізації. У результаті вказан заміни схеми гарячої пластичної деформації досягається зменшення розміру зерна аустеніту. Наукова новизна. На основі дослідження розвитку процесів збиральної рекристалізації під час гарячого обтискування вуглецевої сталі залізничного колеса визначено, що збільшення вмісту вуглецю сприяє збільшенню зерна аустеніту. Після завершення гарячого обтискування заготівки колеса структурна неоднорідність аустеніту, що виникає, визначається зміною механізму розвитку процесів рекристалізації. Під час деформацій вище критичного ступеня відбувається формування й послідовне зростання зародків рекристалізації, що призводить до подрібнення структури. У разі деформацій нижче критичного значення зростання зерен аустеніту відбувається за механізмом коалесценції, за яким послідовно зникають фрагменти меж із великими кутами дезорієнтації. Практична значимість. Для подрібнення зерен аустеніту в масивних елементах залізничного суцільнокатаного колеса пропонуємо заміну одноразового гарячого обтискування на подрібнене.
EN: Purpose. The main purpose of the work is to determine the peculiarities of the development of recrystallization processes of carbon steel austenite depending on the degree of hot plastic deformation and to develop proposals for improving the structural state of the metal of the railway solid-rolled wheel. Methodology. Two carbon steels of a railway wheel with a minimum and maximum carbon content of 0.55 and 0.65 % and other chemical elements within the grade composition of the steel 60 were used as research material. Samples in the form of cylinders with a diameter of 20 mm and a height of 40 mm were heated in a muffle furnace, exposed for a certain time to equalize the temperature across the cross section of the sample. After that, the samples were subjected to hot compression on Instron type test machine. The temperature interval of hot compression of the samples was 950–1100 ºС, with deformation degrees in height in the range of 10–40%. The strain rate was 10-3–10-2 sec-1 . A standard etching was used to detect the boundaries of the austenite grains. Structural studies were performed using Epikvant type light microscope at magnifications sufficient to determine the structure of austenite grains. The grain size of austenite was determined by the methods of quantitative metallography. Findings. In the case of hot compression of the railway wheel blank, increasing the concentration of carbon atoms only within the grade composition of the steel is sufficient to increase the average austenite grain size, which confirms the proposals to limit the carbon content in the metal of railway wheels. The formation of a certain degree of austenite structural heterogeneity at the cross section of the rim or hub of the railway wheel is due to a change in the development mechanism of recrystallization processes depending on the deformation value. Under conditions of the same degree of hot plastic deformation, the replacement of one-time compression by fractional one is accompanied by a violation of the conditions of formation of the recrystallization nucleus. As a result of the specified replacement of the scheme of hot plastic deformation we obtain reduction in the austenite grain size. Originality. Based on a study of the development of collective recrystallization processes during the hot compression of carbon steel of the railway wheel, it was determined that the increase in carbon content contributes to the austenite grain increase. After hot compression of the wheel blank, the structural inhomogeneity of austenite that occurs is determined by a change in the mechanism of recrystallization processes development. During deformations above the critical degree, the recrystallization nuclei are formed and successively grow, which leads to the structure refinement. In the case of deformations below the critical value, the growth of austenite grains occurs according to the coalescence mechanism, according to which fragments of boundaries with large disorientation angles consistently disappear. Practical value. For austenite grain refining in massive elements of solid-rolled railway wheel we offer to replace one-time hot compression by fractional one.
RU: Цель. Основной целью работы является определение особенностей развития процессов рекристаллизации аустенита углеродистой стали в зависимости от степени горячей пластической деформации и разработка предложений по улучшению структурного состояния металла железнодорожных цельнокатаных колес. Методика. В качестве материала для исследований использованы две углеродистые стали железнодорожных колес с минимальным и максимальным содержанием углерода 0,55 и 0,65 %, и другими химическими элементами в пределах марочного состава стали 60. Образцы в виде цилиндров диаметром 20 мм и высотой 40 мм нагревали в муфельной печи, выдерживали требуемое время для выравнивания температуры по сечению образца. После этого образцы подвергались горячему обжатию на испытательной машине типа «Инстрон». Температурный интервал горячего обжатия образцов составлял 950–1 100 ºС, при степенях деформации по высоте в интервале 10–40 %. Скорость деформации составляла 10־³–10־² с־¹. Для выявления границ зерен аустенита использован стандартный травитель. Исследования структуры осуществляли с использованием светового микроскопа типа «Епиквант» при увеличениях, достаточных для определения особенностей строения зерен аустенита. Величину размера зерна аустенита определяли с использованием методик количественной металлографии. Результаты. При горячем обжатии заготовки железнодорожного колеса увеличения концентрации атомов углерода только в пределах марочного состава стали достаточно для роста среднего размера зерна аустенита, что подтверждает предложения по ограничению содержания углерода в металле железнодорожных колес. Формирование определенной степени структурной неоднородности аустенита по сечению обода или ступицы железнодорожного колеса обусловлено изменением механизма развития процессов рекристаллизации в зависимости от величины деформации. В условиях одинаковой степени горячей пластической деформации замена одноразового обжатия на дробное сопровождается нарушением условий формирования зародыша рекристаллизации. В результате указанной замены схемы горячей пластической деформации достигается уменьшение размера зерна аустенита. Научная новизна. На основе исследования развития процессов собирательной рекристаллизации во время горячего обжатия углеродистой стали железнодорожного колеса определено, что увеличение содержания углерода способствует приросту размера зерна аустенита. После завершения горячего обжатия заготовки колеса возникающая структурная неоднородность аустенита объясняется изменением механизма развития процессов рекристаллизации. При деформациях выше критической степени происходит формирование и последовательный рост зародышей рекристаллизации, приводя к измельчению структуры. При деформациях ниже критического значения рост зерен аустенита происходит по механизму коалесценции, по которому последовательно исчезают фрагменты границ с большими углами разориентации. Практическая значимость. Для измельчения зерен аустенита в массивных элементах железнодорожного цельнокатаного колеса предлагаем замену одноразового горячего обжатия на дробное.
EN: Purpose. The main purpose of the work is to determine the peculiarities of the development of recrystallization processes of carbon steel austenite depending on the degree of hot plastic deformation and to develop proposals for improving the structural state of the metal of the railway solid-rolled wheel. Methodology. Two carbon steels of a railway wheel with a minimum and maximum carbon content of 0.55 and 0.65 % and other chemical elements within the grade composition of the steel 60 were used as research material. Samples in the form of cylinders with a diameter of 20 mm and a height of 40 mm were heated in a muffle furnace, exposed for a certain time to equalize the temperature across the cross section of the sample. After that, the samples were subjected to hot compression on Instron type test machine. The temperature interval of hot compression of the samples was 950–1100 ºС, with deformation degrees in height in the range of 10–40%. The strain rate was 10-3–10-2 sec-1 . A standard etching was used to detect the boundaries of the austenite grains. Structural studies were performed using Epikvant type light microscope at magnifications sufficient to determine the structure of austenite grains. The grain size of austenite was determined by the methods of quantitative metallography. Findings. In the case of hot compression of the railway wheel blank, increasing the concentration of carbon atoms only within the grade composition of the steel is sufficient to increase the average austenite grain size, which confirms the proposals to limit the carbon content in the metal of railway wheels. The formation of a certain degree of austenite structural heterogeneity at the cross section of the rim or hub of the railway wheel is due to a change in the development mechanism of recrystallization processes depending on the deformation value. Under conditions of the same degree of hot plastic deformation, the replacement of one-time compression by fractional one is accompanied by a violation of the conditions of formation of the recrystallization nucleus. As a result of the specified replacement of the scheme of hot plastic deformation we obtain reduction in the austenite grain size. Originality. Based on a study of the development of collective recrystallization processes during the hot compression of carbon steel of the railway wheel, it was determined that the increase in carbon content contributes to the austenite grain increase. After hot compression of the wheel blank, the structural inhomogeneity of austenite that occurs is determined by a change in the mechanism of recrystallization processes development. During deformations above the critical degree, the recrystallization nuclei are formed and successively grow, which leads to the structure refinement. In the case of deformations below the critical value, the growth of austenite grains occurs according to the coalescence mechanism, according to which fragments of boundaries with large disorientation angles consistently disappear. Practical value. For austenite grain refining in massive elements of solid-rolled railway wheel we offer to replace one-time hot compression by fractional one.
RU: Цель. Основной целью работы является определение особенностей развития процессов рекристаллизации аустенита углеродистой стали в зависимости от степени горячей пластической деформации и разработка предложений по улучшению структурного состояния металла железнодорожных цельнокатаных колес. Методика. В качестве материала для исследований использованы две углеродистые стали железнодорожных колес с минимальным и максимальным содержанием углерода 0,55 и 0,65 %, и другими химическими элементами в пределах марочного состава стали 60. Образцы в виде цилиндров диаметром 20 мм и высотой 40 мм нагревали в муфельной печи, выдерживали требуемое время для выравнивания температуры по сечению образца. После этого образцы подвергались горячему обжатию на испытательной машине типа «Инстрон». Температурный интервал горячего обжатия образцов составлял 950–1 100 ºС, при степенях деформации по высоте в интервале 10–40 %. Скорость деформации составляла 10־³–10־² с־¹. Для выявления границ зерен аустенита использован стандартный травитель. Исследования структуры осуществляли с использованием светового микроскопа типа «Епиквант» при увеличениях, достаточных для определения особенностей строения зерен аустенита. Величину размера зерна аустенита определяли с использованием методик количественной металлографии. Результаты. При горячем обжатии заготовки железнодорожного колеса увеличения концентрации атомов углерода только в пределах марочного состава стали достаточно для роста среднего размера зерна аустенита, что подтверждает предложения по ограничению содержания углерода в металле железнодорожных колес. Формирование определенной степени структурной неоднородности аустенита по сечению обода или ступицы железнодорожного колеса обусловлено изменением механизма развития процессов рекристаллизации в зависимости от величины деформации. В условиях одинаковой степени горячей пластической деформации замена одноразового обжатия на дробное сопровождается нарушением условий формирования зародыша рекристаллизации. В результате указанной замены схемы горячей пластической деформации достигается уменьшение размера зерна аустенита. Научная новизна. На основе исследования развития процессов собирательной рекристаллизации во время горячего обжатия углеродистой стали железнодорожного колеса определено, что увеличение содержания углерода способствует приросту размера зерна аустенита. После завершения горячего обжатия заготовки колеса возникающая структурная неоднородность аустенита объясняется изменением механизма развития процессов рекристаллизации. При деформациях выше критической степени происходит формирование и последовательный рост зародышей рекристаллизации, приводя к измельчению структуры. При деформациях ниже критического значения рост зерен аустенита происходит по механизму коалесценции, по которому последовательно исчезают фрагменты границ с большими углами разориентации. Практическая значимость. Для измельчения зерен аустенита в массивных элементах железнодорожного цельнокатаного колеса предлагаем замену одноразового горячего обжатия на дробное.
Description
Вакуленко: ORCID 0000-0002-7353-1916; Д. Болотова: ORCID 0000-0002-7353-1916; С. Пройдак: ORCID 0000-0003-2439-3657; Х. Аскеров: ORCID 0000-0003-4771-3406; Х. Куг: ORCID 0000-0002-6322-4269; А. Чайковська: ORCID 0000-0001-6707-0159
Keywords
аустеніт, деформація, температура, розмір зерна, вуглецева сталь, залізничне колесо, austenite, deformation, temperature, grain size, carbon steel, railway wheel, аустенит, деформация, размер зерна, углеродистая сталь, железнодорожное колесо, КПММ, ЛКТІ
Citation
Вакуленко І. О., Болотова Д. М., Пройдак С. В., Аскеров, Х., Куг Х., Чайковська, А. О. Формування структури вуглецевої сталі під час гарячої пластичної деформації. Наука та прогрес транспорту. 2020. № 3 (87). URL: http://stp.diit.edu.ua/article/view/208234/209462.