Hoe beïnvloeden de korrelgrootte en de plastische vervorming de mechanische eigenschappen van staal?

De plasticiteit van metalen is sterk afhankelijk van de deformatie van dislocaties binnen de kristallijne structuren van het materiaal. Een essentieel aspect hierbij is de dichtheid van atomaire lagen in het metaal, die bepaalt hoe gemakkelijk dislocaties kunnen bewegen. Dislocaties, die verantwoordelijk zijn voor plastische vervorming, bewegen voornamelijk langs de dichtst gepakte richtingen en vlakken van het kristalrooster. De interactie van deze dislocaties met de microstructuur van het materiaal, zoals korrelgrenzen, is van cruciaal belang voor het begrijpen van de mechanische eigenschappen, met name onder verschillende belastingstoestanden zoals statische en cyclische belasting.

In het geval van statische belasting, zoals bij een unidirectionele trekproef, kan de weerstand tegen de voortgang van dislocaties aanzienlijk veranderen wanneer het materiaal wordt belast totdat het eerste grote korrelgrens wordt bereikt. Dit kan leiden tot aanzienlijke plastische vervorming, zelfs bij een lage belasting. Dit verschilt echter van de reactie van het materiaal onder cyclische belasting, zoals bij vermoeiingsproeven, waar de beweging van dislocaties vaak beperkt wordt door de korrelgrootte van het materiaal.

Onder cyclische belasting worden dislocaties vaak belemmerd door de korrelgrenzen van het materiaal. Bij een lage korrelgrootte, waar de korrels dichter op elkaar gepakt zijn, wordt de verplaatsing van dislocaties moeilijker. Hierdoor worden de mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals de treksterkte, sterker beïnvloed door de grootte van de korrel dan bij statische belasting. Dit effect is duidelijker merkbaar wanneer de deformatie leidt tot het ontstaan van microscheurtjes, die zich ontwikkelen langs de korrelgrenzen. Deze microscheuren kunnen de mechanische integriteit van het materiaal onder cyclische belasting aanzienlijk verminderen.

Een andere belangrijke factor die de sterkte van een metaal beïnvloedt, is de aanwezigheid van een solide oplossing, zoals in ferrietwitteren bij staal. Wanneer de korrelgrootte toeneemt, neemt de sterkte van het materiaal af, maar de invloed van de korrelgrootte is niet altijd even significant. Vooral bij grotere korrelgroottes speelt de aard van de solide oplossing een grotere rol in de sterkte van het staal dan de korrelgrootte zelf. Het Petch-Hall-model, dat de relatie tussen de korrelgrootte en de sterkte van het materiaal beschrijft, biedt waardevolle inzichten in deze dynamiek. Dit model stelt dat de treksterkte en de korrelgrootte een negatieve exponentiële relatie vertonen, wat betekent dat naarmate de korrelgrootte afneemt, de sterkte toeneemt.

Daarnaast heeft de grootte van de dislocatieklusters, en hoe deze zich concentreren bij korrelgrenzen, een grote invloed op de plastische vervorming van het materiaal. Het aantal dislocaties dat zich binnen een korrel ophoopt, bepaalt hoe sterk het materiaal is en hoe het zich onder belasting gedraagt. Wanneer het aantal dislocaties toeneemt, wordt de weerstand tegen plastische vervorming groter, wat kan leiden tot een hoger rendementspunt van het materiaal.

Bij de ontwikkeling van nieuwe staalsoorten, zoals de 10HFTBch staalsoort, wordt de effectiviteit van thermoplastische verwerkingstechnieken getest door middel van plastometrische testen. Deze tests helpen bij het modelleren van de mechanische eigenschappen van staal onder verschillende thermomechanische omstandigheden. Door deze experimenten kunnen de effecten van de thermomechanische parameters op de mechanische eigenschappen en de microstructuur van het materiaal beter worden begrepen.

Het gebruik van geavanceerde simulatiesoftware, zoals Deform-3D, stelt onderzoekers in staat om de effecten van thermomechanische verwerking op de sterkte van staal nauwkeuriger te modelleren. Bij het modelleren van dunne en dikke platen van staal is aangetoond dat de voorspelde waarden van de treksterkte sterk overeenkomen met de experimenten, wat aangeeft dat de ontwikkelde methoden betrouwbaar zijn voor het bepalen van de sterkte van staal in een breed scala van verwerkingstoestanden.

Naast het testen van de invloed van korrelgrootte en dislocatiegedrag op de mechanische eigenschappen van staal, is het essentieel te begrijpen hoe de thermomechanische geschiedenis van het materiaal de uiteindelijke prestaties beïnvloedt. Het is niet voldoende om alleen naar de korrelgrootte of dislocatiedichtheid te kijken, maar ook naar hoe deze factoren samen de structurele en fasetransformaties binnen het staal beïnvloeden. Moderne plastometrische technieken kunnen hierbij cruciale inzichten bieden.

Wat is het verschil tussen rekgrens en vloeigrens en hoe beïnvloeden thermomechanische parameters dit gedrag?

Het verschil tussen de rekgrens en de vloeigrens ligt in hun rol binnen het plasticiteitsbereik van een materiaal. De rekgrens wordt bepaald aan het begin van de belasting, terwijl de vloeigrens zich ontwikkelt tijdens het daadwerkelijke belastingproces. De vloeigrens is een kenmerk van de reologische eigenschappen van het materiaal, en dit heeft grote invloed op de plastische vervorming onder verschillende thermomechanische omstandigheden. De bovengenoemde afhankelijkheden reflecteren echter niet volledig de reologie van het materiaal. Deze afhankelijkheden kunnen niet alleen toenemen met een stijging van de deformatiegraad, maar ook afnemen of onveranderd blijven. De Hensel-Spittel formule kan worden gebruikt om deze effecten beter te beschrijven, waarbij de thermomechanische parameters zoals de rekverhouding en de temperatuur invloed hebben op het gedrag van de vloeigrens.

De Hensel-Spittel formule laat zien hoe de vloeigrens σr toeneemt bij een hogere deformatie ε. Ook de rekverhouding beïnvloedt deze vloeigrens: wanneer de rekverhouding toeneemt, neemt de vloeigrens toe. Dit is een kenmerk van de materiaalstructuur en wordt verder gedemonstreerd door experimentele gegevens die de temperatuur, rekverhouding en deformatie beïnvloeden. Er kan een algemene toename van de vloeigrens worden waargenomen bij stijgende temperatuur en deformatie, maar dit effect is niet altijd uniform. De grafieken laten bijvoorbeeld zien dat bij lage deformaties (ε = 0,2–0,3) de vloeigrens sterk toeneemt met de toename van de deformatie, maar naarmate de deformatie verder toeneemt (ε > 0,3) deze groei afneemt en soms zelfs afneemt.

Met behulp van experimentele data, zoals weergegeven in figuren 2.22 tot 2.29, kunnen we gedetailleerdere conclusies trekken over de invloed van thermomechanische parameters. Zo blijkt uit figuur 2.22 dat de vloeigrens bij 800 °C met een toenemende rekverhouding sterker toeneemt. Het effect is echter minder uitgesproken voor hogere temperaturen, zoals te zien in figuur 2.23 (850 °C) en figuren 2.24 en 2.25 (900 °C en 950 °C). Bij temperaturen van 1200 °C wordt een aanzienlijk verschil in het gedrag van de curves opgemerkt, waarbij fluctuerende waarden van de vloeigrens verschijnen bij een rekverhouding van u = 100 s−1. Dit duidt op de complexiteit van de reologische eigenschappen van het materiaal bij hogere temperaturen.

De mechanische eigenschappen van staalsoorten, zoals het nieuwe staal 10HFTBch, worden dus in sterke mate bepaald door de thermomechanische parameters van de plastische deformatie: de rekverhouding, de snelheid van vervorming en de temperatuur. Wanneer de temperatuur toeneemt, daalt de vloeigrens, hoewel er tegenstrijdige gegevens kunnen optreden bij lage rekverhoudingen, zoals te zien is in figuur 2.27 bij 800 °C. Dit kan worden verklaard door de reologische eigenschappen van dat specifieke staal. Deze fluctuaties in de experimentele gegevens suggereren dat er verdere tests nodig zijn, zoals die uitgevoerd op de Gleeble 3800 plastometer, om de regelmatigheden in het gedrag van de staalsoort te bevestigen.

Bij hogere temperaturen, zoals blijkt uit figuur 2.28 (10 s−1) en figuur 2.29 (100 s−1), is het effect van temperatuur op de vloeigrens duidelijker. Bij een hogere rekverhouding wordt de vloeigrens meer beïnvloed door de temperatuur, met een toename van de vloeigrens bij stijgende deformatie. In figuur 2.29 wordt een periodiek veranderend patroon waargenomen bij temperaturen van 800 °C en 850 °C, wat de variabiliteit van de reologische eigenschappen onder verschillende belastingomstandigheden benadrukt.

Het gebruik van de Hensel-Spittel formule voor het beschrijven van de vloeigrens bij verschillende thermomechanische parameters biedt een methode om de eigenschappen van verschillende staalsoorten te modelleren en te begrijpen. Dit is essentieel voor toepassingen waarbij de materiaaleigenschappen moeten worden afgestemd op specifieke thermische- en mechanische omstandigheden. Het verkrijgen van betrouwbare formules voor het berekenen van de vloeigrens maakt het mogelijk om de sterkte- en energieparameters van het metaal bij elk punt in het deformatiecentrum te berekenen. Dit proces is van cruciaal belang voor de industriële toepassing van materialen met een complex thermomechanisch gedrag.

Het is belangrijk te begrijpen dat de vloeigrens niet altijd op dezelfde manier reageert op veranderingen in de spanning, de temperatuur of de rekverhouding. In sommige gevallen kan het gedrag van de vloeigrens variëren, afhankelijk van de specifieke eigenschappen van het materiaal. De reologische eigenschappen van staalsoorten zoals 10HFTBch zijn dus essentieel om te begrijpen hoe het materiaal zich gedraagt onder verschillende belastingomstandigheden. De verkregen formules kunnen dan gebruikt worden voor het optimaliseren van productieprocessen, zoals smeden, gieten en andere thermomechanische behandelingen van staal.

Wat is de invloed van thermoplastische vervorming op de mechanische eigenschappen van laaggelegeerd staal 10HFTBch?

De thermoplastische vervorming van laaggelegeerd staal, zoals het staalsoort 10HFTBch, heeft aanzienlijke invloed op de mechanische eigenschappen van het materiaal, wat essentieel is voor toepassingen zoals de productie van voertuigen en andere structurele componenten. Bij de verwerking van dit staal worden specifieke verwerkingsomstandigheden gehanteerd, waaronder gecontroleerde temperatuurbeheersing en vervorming bij lage temperaturen in de afwerkingscages. Dit resulteert in een verbetering van de mechanische eigenschappen door de vorming van een fijne ferriet-pearlietstructuur met een lage korrelgrootte, wat de sterkte en taaiheid van het staal verhoogt.

Tijdens het walsen van staalstrippen bij temperaturen dicht bij het kritische punt Ar3 (ongeveer 850°C) wordt het staal geconfigureerd volgens strikte walsregimes. De daaropvolgende versnelde koeling bij een snelheid van 15-20°C/s is cruciaal voor het verkrijgen van de gewenste microstructuur. Dit proces zorgt ervoor dat het staal bij temperaturen lager dan 580–600°C in de rollen wordt gewalst, waardoor een verdichting van de structuur plaatsvindt die de mechanische eigenschappen verbetert. Een van de belangrijkste technologische factoren die bijdragen aan de verharding van staal tijdens thermoplastische vervorming, is de daling van de temperatuur aan het einde van de vervorming, wat zorgt voor een afname van de recrystallisatietemperatuur van het austeniet.

De kracht die vereist is voor het walsen van het staal hangt af van de temperatuur en de afmetingen van het staal. Uit gegevens blijkt dat de werkelijke vermogenswaarden van de aandrijfmotoren tijdens het walsen nooit de nominale waarden bereiken. Het maximale vermogen, dat 5440 kW bereikt, komt voor bij de wals in het No. 7 achterste uiteinde van de strip, met een doorsnede van 3,0 mm × 1180 mm, wat slechts 78% is van het nominale motorvermogen van 7000 kW. Dit komt door de verlaagde temperatuur van het staal en de aanzienlijke reductie in de No. 5 cage, wat een effect heeft op het koppel dat op de rollen wordt uitgeoefend. Het sterktebereik van de rollen is dus aangepast om de toegestane belasting te ondersteunen.

De microstructuur van het staal, na thermoplastische vervorming van plaatstaal van 10HFTBch met diktes variërend van 2,5 mm tot 3,8 mm, vertoont een fijne ferriet-pearlietstructuur. De ferrietkorrels zijn meestal niet groter dan 8–12 μm, en binnen de korrels worden subkorrels van 3–4 μm aangetroffen. Deze subkorrels hebben een dunne gepolygonaliseerde structuur van ongeveer 0,3–0,4 μm, wat duidt op de fijne detaillering van de structuur. De dichtheid van dislocaties in de ferriet bedraagt ongeveer 10⁹ cm⁻², waarbij de dislocatiedichtheid in de oppervlaktelagen 1,5 tot 2 keer hoger is. De perlietstructuur vertoont de klassieke lamellair vorm, waarbij het volumepercentage van perliet met 2-4% toeneemt en de tussenplanar afstand afneemt tot 0,2–0,3 μm. Het staal vertoont soms zogenaamde "degeneratieve" perlietvormen, waarbij dunne discontinu cementietplaten zich in de ferrietmatrix bevinden.

Deze drie-laagsstructuur van ferriet biedt uitstekende mechanische eigenschappen voor het thermoplastisch vervormde staal. De eigenschappen, zoals treksterkte (tussen 340–413 MPa), rek bij breuk (tussen 9-29%) en de verhoudingen van de perlietstructuur, spelen een sleutelrol in het verbeteren van de algehele prestaties van het staal.

Wat betreft de lasverbindingen van 10HFTBch staal, wordt de invloed van de thermische zones duidelijk. In het lasgebied vormt zich een ferriet-pearlietstructuur met verschillende deeltjesgroottes, waarbij de ferrietkorrelgrootte in het lasgebied varieert van 15–20 μm. De treksterkte van de gelaste lassen komt overeen met die van het basismetaal, wat betekent dat de sterkte van de lassen niet significant afwijkt van het onverwerkte staal. De taaiheid van de las is vrijwel gelijk aan die van het basismetaal, met de impactsterkte in de laszone en de zone van thermische invloed slechts iets lager dan die van het basismateriaal.

De ontwikkeling van technologieën voor thermoplastische vervorming van laaggelegeerde staalsoorten zoals 10HFTBch leidt tot het verkrijgen van producten die voldoen aan de eisen van technische documentatie. Voor toepassingen waarbij hoge sterkte vereist is, bijvoorbeeld in voertuigen, biedt dit staal de gewenste sterkte-eigenschappen en een goed evenwicht tussen taaiheid en sterkte. De verworven resultaten benadrukken de voordelen van het gecontroleerd vervormen en koelen van staal om mechanische eigenschappen te optimaliseren, wat van essentieel belang is voor de productie van componenten die bestand moeten zijn tegen zware belasting en langdurig gebruik.

Wat zijn de belangrijkste overwegingen bij het kiezen van een thermoplastisch verwerkingsproces voor TiAl-legeringen?

TiAl-legeringen, die op basis van titaniumaluminaat met de TiAl-fase worden gevormd, worden momenteel als veelbelovende constructiematerialen beschouwd voor gebruik in een temperatuur bereik van 600 tot 900 °C. Hun unieke mechanische eigenschappen onderscheiden ze van traditionele bouwmaterialen. Deze legeringen bieden een hoge specifieke sterkte en elasticiteit, die behouden blijven bij hoge temperaturen, evenals uitstekende weerstand tegen hitte en oxidatie. Deze eigenschappen worden voornamelijk toegeschreven aan de sterk richtinggevoelige covalente bindingen tussen atomen en de geordende atomaire structuur van de legeringen. Wat TiAl-legeringen nog aantrekkelijker maakt, is het vermogen om in vergelijking met keramische materialen een bepaalde ductiliteit en breuktaaiheid te behouden.

De meest veelbelovende toepassing van TiAl-legeringen ligt in de luchtvaart- en ruimtevaartindustrie, waar ze gebruikt kunnen worden voor de vervaardiging van lichte buitenschalen met een cellulaire vulling en stijve dunwandige integrale structuren. De unieke combinatie van mechanische eigenschappen maakt deze legeringen ideaal voor onderdelen die onder extreme omstandigheden moeten functioneren. De ontwikkeling van γ-TiAl legeringen heeft in de afgelopen twee decennia veel aandacht gekregen, waarbij de focus lag op het bereiken van de optimale combinatie van mechanische eigenschappen door de microstructuur te variëren van volledig lamellair naar duplex, met verschillende korrelgroottes en plaatdiktes.

Afhankelijk van het alumina-gehalte worden γ-TiAl-legeringen verdeeld in twee groepen: enkelvoudige γ-legeringen (50-52% Al) en tweefasige γ+α2-legeringen (44-49% Al). De verwerkingsmethoden met warme vervorming en warmtebehandeling van biphasische legeringen onderscheiden drie basissoorten intermetallische structuren: lamellair, gerekrystalliseerd (globulair) en bimodaal (duplex). Voor de productie van TiAl-legeringen is het essentieel om de plastische vervorming in het hoogtemperatuur fasegebied uit te voeren om een plaatstructuur te verkrijgen. Dit biedt de beste combinatie van hoge temperatuur eigenschappen, zoals sterkte en creepweerstand, en verhoogt daarmee de prestaties van het uiteindelijke product.

Bij de thermoplastische verwerking van deze legeringen is het belangrijk om het juiste temperatuurregime te bepalen om de optimale plastische vervorming te bereiken zonder de eigenschappen van het materiaal te verslechteren. Dit proces kan worden geoptimaliseerd door de juiste warmtebehandelingscycli en vervormingsparameters toe te passen, die de uiteindelijke microstructuur van de TiAl-legering beïnvloeden. De structuur van de legering speelt een cruciale rol in het bepalen van de mechanische eigenschappen bij gebruik op hoge temperaturen, zoals treksterkte, vermoeiingsweerstand en thermische stabiliteit.

Voor industriële toepassingen worden drie generaties intermetallische γ-TiAl-legeringen ontwikkeld, elk met verschillende structuren en eigenschappen. De keuze voor een specifieke generatie hangt af van de vereisten van de toepassing en de omgeving waarin het materiaal zal functioneren. Het doel van de ontwikkeling van TiAl-legeringen is dan ook niet alleen om de mechanische eigenschappen te verbeteren, maar ook om de productieprocessen te optimaliseren, zodat er materialen met een langere levensduur en betere prestaties onder extreme omstandigheden kunnen worden vervaardigd.

Naast de structurele en mechanische eigenschappen is het ook essentieel om te kijken naar de verwerkingsmethoden die de duurzaamheid van de materialen kunnen beïnvloeden. De invloed van de thermoplastische processen op de algehele materiaaleigenschappen, zoals de weerstand tegen vermoeiing en breuk onder complexe belasting, mag niet worden onderschat. Het is van belang dat de materiaaleigenschappen, zoals de sterkte en de taaiheid, in balans zijn, wat ervoor zorgt dat de uiteindelijke producten bestand zijn tegen de belastingseisen in toepassingen zoals luchtvaart en ruimtevaart.

Hoe de sterkte van het vloeigedrag van staal te berekenen bij thermomechanische vervorming

Bij het bestuderen van de vervormingseigenschappen van staal, is het essentieel te begrijpen hoe verschillende versterkingsmechanismen bijdragen aan de uiteindelijke rekgrens van het materiaal. Het gecombineerde effect van verschillende hardingsmechanismen bepaalt de totale rekgrens, wat cruciaal is voor het ontwerp van metalen constructies en processen zoals warmwalsen. In het bijzonder kunnen mechanismen zoals korrelgrensversterking, perlietversterking en vervormingsharding, die samen het gedrag van staal beïnvloeden, geanalyseerd worden om een beter inzicht te krijgen in de sterkte van het materiaal.

Volgens de principes van E. Orovana kan de totale rekgrens van een materiaal worden berekend door de individuele bijdragen van verschillende versterkingsmechanismen in rekening te brengen. Het is bekend dat de verschillende versterkingsmechanismen op verschillende manieren bijdragen aan de verhoging van de rekgrens. Zo speelt het korrelgrensmechanisme een belangrijke rol in het versterken van ferriet-perliet stalen, wat vooral belangrijk is bij staalsoorten die na modificatiebehandelingen zijn behandeld. Ook perlietversterking en de versterking door vervorming dragen bij aan de verhoging van de sterkte, vooral in stalen die na thermomechanische behandeling zijn aangepast.

Naast deze mechanismen heeft de snelheid en mate van vervorming een aanzienlijke invloed op de sterkte van het materiaal. Bij warmwalsen bijvoorbeeld, is het moeilijk om de huidige spanning (σy) nauwkeurig te berekenen zonder gebruik te maken van experimentele gegevens in de vorm van grafieken of tabellen. V. Zyuzin heeft een model ontwikkeld dat het gebruik van thermomechanische coëfficiënten mogelijk maakt om de actuele spanning te berekenen, waarbij verschillende factoren zoals temperatuur, de mate van vervorming en de vervormingssnelheid in overweging worden genomen. Dit model maakt de berekening van de actuele spanning eenvoudiger en sneller dan wanneer men zou vertrouwen op een volledig grafische benadering.

De basisformule die wordt gebruikt om de spanning van het materiaal te berekenen, houdt rekening met de invloed van temperatuur en vervorming op de mechanische eigenschappen van staal. De thermomechanische coëfficiënten voor verschillende staalsoorten kunnen worden bepaald door grafische afgeleiden, zoals geïllustreerd door V. Zyuzin voor Staal 45. De invloed van deze coëfficiënten zorgt voor een beter begrip van de mechanica van het materiaal tijdens het vervormingsproces. Dit proces is echter complex en vereist gedetailleerde kennis van de staalsoort, de specifieke parameters van de vervorming en de temperatuurcondities waaronder het staal wordt bewerkt.

Daarnaast laat de variatie van de vervormingsweerstand en de rekgrens van staal tijdens het warmwalsen zien hoe de sterkte van het materiaal verandert wanneer het door verschillende vervormingscellen beweegt. Dit proces wordt beïnvloed door de duur van de ontspanning tussen de cellen, waarbij de rekgrens na verloop van tijd afneemt naarmate het staal zich ontspant. De mate van ontspanning is niet constant en kan variëren afhankelijk van de snelheid van het walsen, waardoor de weerstand tegen vervorming in de verschillende secties van het walsproces toeneemt.

Het is ook belangrijk te begrijpen dat bij het walsen van staal bij hoge snelheden de duur van de transporttijd tussen de vervormingscellen zeer kort is. Dit betekent dat het staal mogelijk niet volledig is ontspannen voordat het opnieuw wordt vervormd in de volgende cel, wat leidt tot hogere vervormingsweerstanden. Het is essentieel om deze dynamiek in overweging te nemen bij het berekenen van de weerstand tegen vervorming, vooral wanneer de snelheid van het walsen hoog is.

Bij het gebruik van thermomechanische modellen zoals het model van Zyuzin, kunnen ingenieurs de weerstand tegen vervorming voor specifieke staalsoorten met meer precisie berekenen. De modellen houden rekening met variabelen zoals de gemiddelde compressie langs de lengte van de vervormingscel en de temperatuurverdeling binnen de cel, wat helpt bij het bepalen van de benodigde parameters voor het ontwerp van de productieprocessen. Het gebruik van dergelijke modellen vereenvoudigt niet alleen de berekeningen, maar maakt het ook mogelijk om sneller en efficiënter te werken in de praktijk.

Het is belangrijk te benadrukken dat, hoewel dergelijke thermomechanische modellen een aanzienlijke verbetering van de nauwkeurigheid bieden, ze nog steeds afhankelijk zijn van experimenten en grafieken die de basis vormen voor de berekeningen. De toepassing van deze modellen biedt echter aanzienlijke voordelen voor de industrie, aangezien ze de benodigde tijd voor berekeningen verkorten en een nauwkeuriger inzicht geven in het gedrag van het materiaal onder verschillende bewerkingsomstandigheden.