Hoe beïnvloedt de spannings- en vervormingstoestand de structurele transformaties in duplexstaal?

Duplexstaal (DP-staal) kenmerkt zich door een ferritisch-martensitische of ferritisch-perlitische structuur, die uitstekende sterkte-eigenschappen biedt. Het "zachte" ferriet, dat tot 80% van de structuur uitmaakt, geeft DP-staal in zijn initiële staat een hoge plasticiteit. Tijdens het vormproces van het staal concentreren de vervormingsspanningen zich in de ferrietfase, waardoor een hoog niveau van vervormingsverharding wordt bereikt. Dit resulteert in een zeer hoge treksterkte van DP-staal. Vergeleken met laaggelegeerde structurele hoogsterkte-stalen (HSLA) met dezelfde rekgrens, vertonen DP-stalen een hogere initiële vervormingsverhardingsgraad, hogere rek en treksterkte, en een lager σs/σv-verhouding. Het tijdsweerstandvermogen van DP-stalen bereikt tot wel 1000 N/mm² (DP 700/1000). De carbon in DP-staal bevordert de vorming van de martensitische fase en, in combinatie met goed afgewogen toevoegingen zoals Mn, Cr, Mo, V en Ni, versterkt het staal verder.

De toepassing van DP-staal biedt hoge vermoeiingssterkte en een uitstekende energieabsorptiecapaciteit. Deze eigenschappen maken het mogelijk om het staal in structurele en bevestigingscomponenten te gebruiken. Echter, voor de vervaardiging van onderdelen zoals autobanden, wordt er met zeer hoge sterkte gewerkt, wat betekent dat de vervorming tijdens de productie mogelijk niet voldoende is om de voordelen van duplexstaal volledig te benutten. Om dit te compenseren, zijn er DP-stalen ontwikkeld met een breed scala aan sterktes: DP 450, 500, 600, 780, 980 en zelfs 1180, die specifiek zijn ontworpen voor een hogere vervormbaarheid. Het belangrijkste doel is om de sterkte te verhogen door het volume-aandeel van martensiet te vergroten.

De inhomogeniteit van de vervormingstoestand is een kenmerk van metaalproducten die zijn gevormd door drukprocessen. Dit betekent dat de mechanische eigenschappen en vermoeiingsweerstand in verschillende gebieden van het product kunnen variëren. Dit is van groot belang, omdat elke zone van het product specifieke mechanische eigenschappen vertoont die van invloed kunnen zijn op de uiteindelijke prestaties van het product. Daarom is het van belang om bij voorspellingen de vervorming van materiaalpunten over het gehele volume van het product in rekening te nemen, en niet te vertrouwen op gemiddelde vervormingskenmerken. Voor dit doel wordt de intensiteit van de schuifspanning gebruikt, een fundamentele index voor het meten van vervorming in complexe omstandigheden.

Hoe temperatuur, deformatie en snelheid de weerstand van 10HFTBch staal beïnvloeden: een analyse van het Hensel-Spittel model en de rol van hot rolling

De correlatie tussen de experimentele data en het Hensel-Spittel model is van groot belang voor het begrijpen van de rheologische eigenschappen van 10HFTBch staal. Het schatten van de relatie tussen de experimentele gegevens en het model wordt uitgevoerd door het berekenen van de correlatiecoëfficiënt r. Deze coëfficiënt geeft niet alleen de sterkte van de relatie tussen variabelen aan, maar maakt het ook mogelijk te bepalen welk deel van de veranderingen te wijten is aan de invloed van de hoofdfactoren, in tegenstelling tot andere variabelen. De waarde van r varieert van -1 tot +1. Wanneer r gelijk is aan 0, betekent dit dat er geen lineaire correlatie is, maar het spreekt niet per se over de afwezigheid van enige andere statistische afhankelijkheid. Wanneer r gelijk is aan ±1, betekent dit een volledige functionele verbinding tussen de variabelen. De praktische waarde van de correlatiecoëfficiënt wordt vaak bepaald door zijn gekwadrateerde waarde, de zogenaamde determinatiecoëfficiënt.

Bij het onderzoeken van de rheologische eigenschappen van 10HFTBch staal werd de volgende set van correlatiecoëfficiënten vastgesteld: 0,9713, 0,9661, 0,9613. Deze waarden reflecteren adequaat de bestaande relaties en kunnen dus worden gebruikt om het gedrag van het staal tijdens de verwerking te modelleren. Deze modellen helpen de veranderingen in de weerstand van het materiaal onder verschillende deformaties en temperaturen te voorspellen, zoals zichtbaar wordt in de grafieken (Figs. 2.30 - 2.35).

Bij stijgende temperatuur wordt de mate van vervorming waarop verzachting optreedt, kleiner. Experimenten tonen aan dat de verandering in de spanning bij temperatuurverhogingen exponentieel verloopt binnen het relevante bereik. De mate van deformatie en de snelheid van de vervorming vertonen echter een complexere interactie, aangezien de snelheid van de deformatie invloed heeft op de warmteafvoer en, indirect, de temperatuur van het materiaal. Dit effect leidt ertoe dat zowel de snelheid als de mate van vervorming de weerstand tegen vervorming verhogen, hoewel dit effect bij grotere deformaties kan afnemen.

Bij het uitvoeren van hot rolling zijn er specifieke kenmerken van het deformatieproces die de mechanische eigenschappen van het staal beïnvloeden. Het simuleren van de interactie tussen de rollen en het vervormbare materiaal van de werkstuk wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van het principe van overeenkomstige geometrie. Dit stelt onderzoekers in staat om de spanning en deformatie-intensiteit tijdens het rollen te simuleren, en een beter inzicht te krijgen in hoe de variëteit van de deformaties zich ontwikkelt over de verschillende fasen van het proces. Zo kan men voorspellen hoe deeltjesgrootte en de mate van rek de uiteindelijke eigenschappen van het staal beïnvloeden.

De tijd die nodig is voor de statische rekristallisatie van 10HFTBch staal is een cruciale factor. Dit wordt beschreven met behulp van de Kolmogorov-Johnson-Mall-Avrami vergelijking. De statische rekristallisatie zelf is belangrijk voor het bepalen van de uiteindelijke korrelgrootte van het staal en het verkrijgen van de gewenste mechanische eigenschappen. Bij het simuleren van de rekristallisatie kan men de nodige tijd berekenen voor het bereiken van 50% rekristallisatie, wat helpt bij het optimaliseren van de parameters voor het warmwalsproces.

De modelresultaten, waaronder de stressverdeling in het staal tijdens het rollen, kunnen worden gebruikt om te begrijpen hoe de intensiteit van de deformatie varieert met de verschillende posities in de wals. Dit is van groot belang voor de productie van platen met consistente eigenschappen. Het verkrijgen van deze gegevens is essentieel voor het verbeteren van de productieprocessen en het minimaliseren van defecten in het eindproduct.

Naast de technische berekeningen en modellen, is het van belang om te begrijpen dat de echte omstandigheden in de productiefaciliteiten vaak complexer zijn dan in simulaties. Factoren zoals onregelmatigheden in de temperatuurverdeling, variaties in de walsdruk en het interactiegedrag tussen verschillende lagen van het staal kunnen de uiteindelijke resultaten beïnvloeden. Daarom moeten simulaties altijd worden gevalideerd met echte experimentele gegevens om nauwkeurige voorspellingen te kunnen doen voor de staalverwerking in de industrie.

Hoe de stromingsspanning van metalen te begrijpen bij plastische vervorming

Y. Schwartzbarth ontwikkelde een formule voor het bepalen van de actuele spanning in een isothermisch proces door een opeenvolgende superpositie van eenvoudige functies van zowel versterking als verzwakking. De geldigheid van de toegepaste superpositieprincipes werd bijna volledig bevestigd door de convergentie van de ontvangen functie met bekende curven van de actuele spanning. Hij introduceerde ook het begrip van de karakteristieke vervorming, ε = u/A, die overeenkomt met het maximum van de vervormingscurve.

In de monografieën van I. Tarnovsky, V. Eremieva, en C. Baakashvili worden methoden gepresenteerd voor het berekenen van de weerstand van metaalvervorming op basis van de theorie van kruip. M. Zaykov gaf formules voor het berekenen van de huidige spanning op basis van temperatuur, de mate van vervorming en de snelheid van vervorming, waarbij de basisprincipes van de theorie van spanningsomstandigheden en de thermodynamica van irreversibele processen werden toegepast.

Moderne onderzoeken richten zich op het verkrijgen van experimentele stromingscurven van metalen onder hoge plastische vervormingen via de torsieplastometrie. Diverse analytische afhangkelijkheden worden voorgesteld om alle soorten hoge-temperatuurvervormingsverharding te beschrijven. P. Klymenko biedt uitgebreide achtergrondinformatie over de stromingen van verschillende metalen en legeringen, en introduceert het concept van 'relatieve versterking'. Dit is een dimensionloze curve die de verandering van de sterkte beschrijft, welke kan worden uitgedrukt door een enkele vergelijking.

Bij warmwalsen wordt de term "relatieve spanningsstroom" geïntroduceerd. Het gebruik van analytische vergelijkingen maakt het mogelijk om de verdeling van de actuele spanning binnen een vervormingscel te berekenen. Deze stromingsspanningen van metalen spelen een cruciale rol in de nauwkeurigheid van het berekenen van de krachtparameters tijdens het walsen.

De theoretische bepaling van de stromingsspanning van metalen is momenteel niet mogelijk zonder experimentele gegevens. In de meeste gevallen worden de stromingsspanningen afgeleid uit rekproeven. De stromingsspanningen zijn afhankelijk van de chemische samenstelling en de structuur van het metaal, wat betekent dat fysisch-chemische eigenschappen, eerdere vervormingen, de temperatuur en de fijnheid van de vervorming de stromingsspanningen beïnvloeden. De chemische samenstelling en de temperatuur van het metaal hebben de grootste invloed op de stromingsspanning.

Carbonstalen vertonen bijvoorbeeld de grootste invloed van koolstof op de stromingsspanningen. Hoe meer koolstof in de staalsoort, hoe hoger de stromingsspanning. Dit effect is ook zichtbaar bij andere legeringen. De typische curve van de stromingsspanning van staal is te zien in figuur 1.1. Deze curve stijgt van de vloeiingsgrens σ0 naar een piekwaarde σp die overeenkomt met de maximale vervorming εp, waarna de spanning geleidelijk afneemt tot een constante waarde σy, wanneer de evenwichtstoestand van versterking en dynamische rekristallisatie is bereikt.

Het proces van dynamische rekristallisatie begint wanneer de vervorming εx een bepaalde waarde bereikt. Gedurende het verharden van het metaal tot de piek vervorming εp, wordt het korrelgrootte van het austenietkristal vermalen, en de dislocatiedichtheid in de substructuur neemt toe. Bij verdere vervorming wordt de dynamische rekristallisatie intenser, waarbij het korrelgrootte van het austeniet, zoals aangetoond in sommige studies, afhankelijk is van de stromingsspanning σy.

Om de stromingsspanningen te berekenen, moeten thermokinetische relaties tussen parameters zoals σy, σp, εp en εx worden bepaald, rekening houdend met de chemische samenstelling van het staal. Dit maakt de berekening van de stromingsspanningen een complex proces, dat voornamelijk afhangt van de verwerkingsomstandigheden en de materiaaleigenschappen. Het is daarom van groot belang dat onderzoekers en ingenieurs de wisselwerking tussen de verschillende factoren begrijpen die de stromingsspanning beïnvloeden om betrouwbare voorspellingen te kunnen doen in de context van metaalvervorming.

Wat zijn de voordelen van thermomechanische behandeling voor staal?

Bij lage temperatuurthermomechanische behandeling ontstaat een grotere hardheid van het materiaal, hoewel dit niet leidt tot een verminderde neiging van het staal om bros te worden bij het temperen. Dit type verwerking vereist echter een hoger niveau van vervorming, wat leidt tot de behoefte aan krachtiger apparatuur. Het effect van thermomechanische verwerking bij lage temperaturen wordt verklaard door de vervorming van austeniet, wat resulteert in het verkleinen van de korrelstructuur (blokken) van het staal. Deze afname van de korrelgrootte leidt tot kleinere martensietplaten bij de daaropvolgende harding. De voordelen van lage-temperatuur thermomechanische verwerking zijn daardoor in veel gevallen beperkt.

De meest toegepaste methode blijft de thermomechanische behandeling bij hoge temperaturen. Het belangrijkste voordeel hiervan is dat werkstukken direct na de warmtebehandeling kunnen worden gehard zonder extra opwarming, doordat het staal zelf de benodigde warmte na de deformatie behoudt. Dit vermindert het energieverbruik, versnelt het productieproces en verbetert de mechanische eigenschappen, zoals sterkte, plastisch gedrag, taaiheid en hittebestendigheid van het staal.

De technologie van gecontroleerd walsen omvat verschillende stadia, beginnend bij het austeniseren van het staal bij temperaturen die de homogene structuur van het staal garanderen. De temperatuur voor het walsen van staal, gelegeerd met niobium, vanadium en titanium, ligt doorgaans tussen de 1150–1200°C. In de daaropvolgende stadia wordt het staal bij hogere temperaturen gedeformeerd, wat leidt tot de vorming van een fijnere austenietkorrel door herhaalde vervorming en recrystallisatie. Dit proces vergroot de dichtheid van defecten in het kristalrooster, wat resulteert in de vorming van ferritische volumes.

Bij gecontroleerd walsen worden de temperatuur en de mate van vervorming zorgvuldig afgestemd om recrystallisatie te minimaliseren, vooral in legeringen met niobium, waarbij recrystallisatie zelfs volledig onderdrukt kan worden. Dit zorgt ervoor dat de staalstructuur stabieler is, met een verhoogde sterkte en weerstand tegen koudwalsen, wat belangrijk is voor toepassingen die hoge eisen stellen aan de mechanische eigenschappen.

Wanneer de juiste temperatuur- en deformatiecondities worden gekozen, zal het staal een fijnere korrelstructuur vertonen door statische recrystallisatie. Door de toename van de vervormingsgraad worden de slipbanden meer uniform verdeeld, wat uiteindelijk de koudbestendigheid van het staal verbetert. Het verkrijgen van een fijne en uniforme korrelgrootte van ferriet is cruciaal voor het verbeteren van de eigenschappen van het staal, inclusief de sterkte, ductiliteit en taaiheid.

De laatste stap in het proces is het gecontroleerd afkoelen van het staal, wat kan variëren afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het eindproduct. De afkoelsnelheid kan worden aangepast afhankelijk van de staalsoort en de specifieke eisen voor het eindproduct. Versnelde afkoeling kan bijvoorbeeld de sterkte van het staal verhogen door de vorming van martensiet.