Hoe Deformatie Temperatuur en Snelheid de Structuur van Staal Beïnvloeden

Bij het bestuderen van de vervormingsweerstand van staal, zoals de 10HFTBch (Standaard van Oekraïne), blijkt een duidelijk effect van de temperatuur en de vervormingssnelheid op de uiteindelijke structuur. Wanneer de vervormingstemperatuur wordt verhoogd van 800°C naar 850°C, verandert de vervormingsweerstand slechts gering, vooral bij hoge vervormingssnelheden. Dit komt door het samenspel van twee tegengestelde factoren: de temperatuur, die de weerstand tegen vervorming verlaagt, en de structurele weerstand, die toeneemt door de grotere hoeveelheid austeniet in het staal.

De microstructuur van het staal verandert afhankelijk van de vervormingstemperatuur. Bij een temperatuur van 770°C wordt een ferriet-perlietstructuur gevormd, met een gemiddelde korrelgrootte van 11 en een maximale korrelgrootte van 14. De hoeveelheid ferriet in de structuur is met 81,5% aanzienlijk, wat verklaard kan worden door het feit dat de vervorming plaatsvond in een bivalente fase. Bij hogere temperaturen, zoals 850°C, verandert de structuur naar een mengsel van ferriet en perliet, waarbij het percentage ferriet afneemt en de austenietcomponent sterker vertegenwoordigd is. Dit wordt gekarakteriseerd door een subkorrelstructuur die zich binnen de grotere korrels vormt.

De verandering in de structuur gaat gepaard met een toename in de microhardheid van het staal. Bij een temperatuur van 770°C is de microhardheid het laagst, 260 HV, terwijl deze bij 850°C stijgt naar 320 HV. Deze stijging is te wijten aan de veranderingen in de fasen van het staal en de bijbehorende microstructuur. Bij hogere temperaturen blijft de microhardheid relatief constant, ondanks verdere veranderingen in de korrelstructuur.

De analyses van de microstructuren wijzen ook op de mechanismen die zich voordoen tijdens de vervorming. Bij 770°C is fragmentatie de belangrijkste structuurvorming, waarbij zowel austenitische als ferritische korrels worden gebroken tot subkorrels met kleine hoekverschillen. Bij hogere temperaturen echter worden er twee concurrerende mechanismen geactiveerd: fragmentatie en dynamische recrystallisatie van austeniet. Dit leidt tot een verfijning van de structuur en een toename in de sterkte van het materiaal.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de effecten van temperatuur en vervormingssnelheid niet op zichzelf staan, maar interactief werken. De mate van vervorming, de initiële microstructuur van het staal, en de snelheid van vervorming bepalen samen de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal. Het begrijpen van deze mechanismen is cruciaal voor de ontwikkeling van staalsoorten met de gewenste eigenschappen voor specifieke toepassingen.

Een andere belangrijke overweging is de heterogeniteit van de staalstructuur bij verschillende vervormingsomstandigheden. Hoewel de verhoudingen van ferriet en perliet veranderen, kan het staal in sommige gevallen nog steeds inhomogene structuren vertonen, wat invloed kan hebben op de uiteindelijke sterkte en duurzaamheid van het materiaal. Dit is iets wat bij de staalproductie goed in de gaten gehouden moet worden, aangezien heterogeniteit kan leiden tot zwakke plekken in het eindproduct.

Hoe de Graanstructuur en Deformatieparameters de Sterkte van Staal Beïnvloeden tijdens Warmwalseren

Tijdens het warmwalsen van staal kunnen verschillende thermomechanische parameters zoals de deformatiegraden, de temperatuur en de snelheid van de deformatie significant invloed hebben op de uiteindelijke microstructuur van het materiaal. Een van de belangrijkste aspecten van deze invloed is de graangrootte van het staal, die nauw samenhangt met de temperatuur en het deformatieproces. De graangrootte varieert afhankelijk van de mate van vervorming en de temperaturen die tijdens het proces worden bereikt. Bij een geringe vervorming (tot ongeveer 15%) blijft de graangrootte relatief constant, wat wijst op een zogenaamde rekristallisatie drempel. Bij hogere deformaties begint de graanstructuur echter te veranderen, wat leidt tot een variatie in de graangrootte, die uiteindelijk weer afneemt bij extreme deformaties.

Wanneer de temperatuur tijdens het deformationsproces stijgt, neemt de graangrootte toe, vooral in de gebieden met intensieve vervorming. Dit fenomeen kan deels worden verklaard door de hogere temperatuur in het midden van het gewalste stuk, wat leidt tot een sterkere verwarming van de staalstructuur. De verwarming van het centrale gedeelte van de staalplaat kan tot 25-30°C toenemen, wat een effect heeft op de graangrootte, die in sommige gevallen kan toenemen van 7 naar 6 en zelfs naar 5 punten.

De relatie tussen temperatuur, graangrootte en vervormingsgraad is complex. De graangrootte is voornamelijk afhankelijk van het deformatieproces, waarbij de krachten die de korrelstructuur beïnvloeden, met name de mate van vervorming en de temperatuur, cruciaal zijn. De grenzen tussen de korrels worden verstoord wanneer de vervorming een bepaalde drempel overschrijdt, wat het ontstaan van nieuwe korrels bevordert. Na een bepaalde mate van vervorming groeit de korrelgrootte sneller, maar met verdere vervorming neemt de korrelgrootte weer af door mutualisatie van de korrels.

Dit proces wordt verklaard door de thermodynamische wens van het systeem om de totale korrelgrensenergie te minimaliseren. Het proces van secundaire rekristallisatie speelt hierbij een belangrijke rol. Dit proces, dat optreedt bij hoge vervormingen en temperaturen, leidt tot een fusie van kleine korrels in grotere korrels door uitlijning van de kristallen. Het resultaat hiervan is dat bij hoge deformaties, de graangrootte toeneemt, vooral in de gebieden waar de temperatuur het hoogst is.

Het is van belang te beseffen dat de keuze van de thermomechanische deformatiestrategieën niet alleen de sterkte van het materiaal beïnvloedt, maar ook de plastische eigenschappen van het staal kan verbeteren. Dit biedt de mogelijkheid om de productie van staal met verschillende sterktecategorieën te controleren, afhankelijk van de gebruiksomstandigheden van het uiteindelijke product. Door de juiste thermoplastische deformatieparameters te selecteren, kunnen staalsoorten met verschillende mechanische eigenschappen worden geproduceerd, zelfs met hetzelfde chemische samenstellingsprofiel.

Wat belangrijk is bij het uitvoeren van dergelijke berekeningen en experimenten, is dat de resultaten goed overeenkomen met de praktijk. In de experimenten, waarbij thermocouples worden gebruikt om de temperatuur tijdens de deformatie te meten, werd vastgesteld dat de temperatuur in het centrale deel van het staal kan oplopen tot 952°C, zelfs wanneer het uitgangspunt slechts 900°C is. Deze verhoogde temperatuur kan, afhankelijk van de deformatiecondities, de mechanische eigenschappen van het staal sterk beïnvloeden.

Het is ook belangrijk te begrijpen hoe het gebruik van rekristallisatie- en vervormingsmodellen kan helpen bij het optimaliseren van de warmwalsprocessen. De wiskundige modellen, die de rheologische eigenschappen van staal voor verschillende vervormingsomstandigheden beschrijven, kunnen nauwkeurige voorspellingen maken van de krachten en stressparameters die optreden tijdens de metaalbewerking. Deze modellen helpen de effectiviteit van het deformatieproces te verbeteren, wat essentieel is voor de controle over de eindstructuur en de prestaties van het materiaal.

Wat zijn de mechanismen van versterking in intermetallische legeringen en dubbel-fase staal tijdens hete vervorming?

Tijdens het proces van hete vervorming van dubbel-fase legeringen vindt versterking op verschillende manieren plaats, die grotendeels afhankelijk zijn van de specifieke eigenschappen van het materiaal en de toegevoegde legeringselementen. De belangrijkste mechanismen van versterking kunnen als volgt worden opgesomd.

Het eerste mechanisme van versterking is hard-hardening versterking, die optreedt door de legeringselementen die aanwezig zijn in de samenstelling van de legering. Deze versterking kan worden berekend door de formule te gebruiken waarin de versterkingsfactor van ferriet (Ki) wordt vermenigvuldigd met de concentratie van het element (Ci) in het ferriet. Dit zorgt voor een verbetering van de sterkte van het materiaal door de toevoeging van legeringselementen, die de deformatie van de microstructuur beperken.

Het tweede mechanisme is korrelgrensversterking, wat het gevolg is van het fijnmalen van de primaire korrelstructuur, zoals de dendrieten van δ-ferriet en de austenietkorrels. Dit gebeurt door de vorming van nieuwe kristallisatielocaties, vaak geassocieerd met de aanwezigheid van dispergeerbare nitriden en titaniumcarbiden. Deze versterking is afhankelijk van de korrelgrootte van het ferriet, zoals geïllustreerd door een factor die de verhouding van korrelgrootte en sterkte beschrijft.

Een derde versterkingsmechanisme is de toename van het percentage perliet in de legering, wat wordt bevorderd door de stabiliteit van onderkoelde austeniet. Dit wordt mogelijk gemaakt door de toevoeging van elementen zoals titanium en aluminium, die de transformatie van austeniet naar perliet bevorderen. De versterking die hiermee gepaard gaat kan worden gekarakteriseerd door een empirische factor, die de hoeveelheid perliet in de legering relateert aan de versterking.

Het vijfde mechanisme betreft de vormversterking die ontstaat door de toename van de dichtheid van dislocaties tijdens het vervormingsproces. Dislocaties ontstaan wanneer het materiaal zich onder belasting vervormt, en het aantal dislocaties neemt toe naarmate de vervorming toeneemt. De toename van de dislocatiedichtheid leidt tot een versterking van het materiaal. De sterkte die voortkomt uit deze mechanismen is direct gerelateerd aan de interactie van dislocaties, de interactie van dislocaties met andere dislocaties, en de aard van de spanning die het materiaal ondergaat tijdens de vervorming.

Bij het testen van de sterkte van materialen worden verschillende methoden toegepast, afhankelijk van het type materiaal en de vereiste eigenschappen. De torsiemethode bijvoorbeeld biedt voordelen zoals de afwezigheid van negatieve invloeden van contactkrachten en wrijving. Dit maakt het mogelijk om materialen tot ver in hun plastische grens te testen zonder dat externe krachten het resultaat beïnvloeden. De specifieke drukmethode is geschikt voor het berekenen van de parameters van de wals, doordat deze de invloed van externe factoren minimaliseert, hoewel het moeilijk is om de daadwerkelijke spanningswaarden te verkrijgen. In dit opzicht biedt de plastometer een nauwkeurige manier om gegevens te verkrijgen, omdat het een breed scala aan invloedsparameters dekt en een hoge nauwkeurigheid biedt. Het gebruik van geavanceerde systemen, zoals de Gleeble-installatie, heeft de testmogelijkheden verbeterd, met name door het vermogen om temperatuur, snelheid en vervormingsgraad te beheersen.

Bij het toepassen van deze testmethoden is het van essentieel belang te begrijpen hoe de verschillende versterkingsmechanismen invloed hebben op de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal. Elk mechanisme heeft zijn eigen invloed op de sterkte, vervormbaarheid en de structurele integriteit van het materiaal onder verschillende omstandigheden. Het begrijpen van deze mechanismen helpt bij het verbeteren van de materiaalkeuze voor specifieke toepassingen en het optimaliseren van de productieprocessen.

Hoe gecontroleerde walsprocessen de mechanische eigenschappen van staal kunnen verbeteren

De eigenschappen van staal kunnen aanzienlijk worden verbeterd door gecontroleerde walsprocessen, waarbij de temperatuur en de vervormingsomstandigheden zorgvuldig worden gecontroleerd. Dit proces kan de fijnheid van de ferritische korrels bevorderen, wat resulteert in betere mechanische eigenschappen, zoals hogere sterkte en betere taaiheid, zelfs bij lage temperaturen. Het verkrijgen van een fijne ferritische korrel is cruciaal voor het verhogen van de sterkte van staal en het verlagen van de breuktemperatuur, wat vooral belangrijk is in toepassingen die hoge prestaties vereisen bij kouder weer.

Tijdens het gecontroleerde walsen spelen vier hoofdfactoren een belangrijke rol in het verbeteren van de mechanische eigenschappen van het staal. Ten eerste is er de invloed van de vaste oplossing vóór de rekrystallisatie of tijdens de tweede fase, waarin de verdeelde deeltjes de migratie van de korrelgrenzen en blokken belemmeren. Dit mechanisme zorgt ervoor dat de korrelgroei wordt beperkt, wat bijdraagt aan de vergroting van de sterkte van het staal. Ten tweede is het belangrijk om de temperatuur van de γ-α-transformatie te verlagen, wat kan worden bereikt door geschikte legeringselementen toe te voegen of door de afkoelsnelheid na vervorming te controleren. Deze aanpak helpt om de overgang van de austenitische naar de ferritische fase in het staal te optimaliseren.

De derde factor is de preventie van de groei van ferritische korrels in het bovenste deel van het ferrietgebied. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door het staal in de walsen af te koelen. Het laatste belangrijke mechanisme is het verkrijgen van een fijne ferritische korrel uit niet-gerekrystalliseerd of gedeeltelijk gerekrystalliseerd austenietkorrel, waarbij de kristaldefecten in het austenietkorrel fungeren als nucleatiepunten voor de ferrietvorming. Dit resulteert in een structurele verbetering van het staal, wat op zijn beurt de mechanische eigenschappen verbetert.

De verbetering van de mechanische eigenschappen kan worden toegeschreven aan de verfijning van de ferritische korrels en de vorming van een stabiele dislocatiesubstructuur in de ferrietfase. Dit creëert een sterkere en duurzamere structuur in het staal. Uit de beschikbare gegevens blijkt duidelijk dat gecontroleerde walsprocessen een aanzienlijke verhoging van de mechanische eigenschappen van gewalste producten van staalsoorten mogelijk maken. In sommige gevallen kunnen deze staalsoorten zelfs harde legeringen vervangen, wat aanzienlijke voordelen biedt in termen van kosten en prestaties.

Bijvoorbeeld, in een onderzoek werd aangetoond dat bij het voltooien van het walsen van 09Mn2-staal bij lage temperaturen, dit staal een complex van eigenschappen verwierf die vergelijkbaar zijn met die van micro-gelegeerd staal 08Mn2VMoNb (Standaard van Oekraïne). Dit toont aan dat gecontroleerd walsen niet alleen de sterkte kan verhogen, maar ook de taaiheid en andere belangrijke eigenschappen van het staal kan verbeteren. Desondanks blijft de lage temperatuur van vervorming een uitdaging, vooral wanneer de temperatuur moet worden verlaagd tot interkritische of zelfs subkritische niveaus. Dit vereist geavanceerde apparatuur en processen om de voordelen van dit proces volledig te benutten.

Een andere belangrijke overweging is dat gecontroleerde walsprocessen het mogelijk maken om de mechanische eigenschappen van staal te verbeteren zonder dat er dure en complexe legeringen nodig zijn. Dit kan vooral nuttig zijn voor toepassingen die zware belastingen en slijtage ondergaan. Het proces biedt de mogelijkheid om staal te optimaliseren voor een breed scala aan industrieën, van de automotive sector tot de productie van zware machines en constructie.

In de praktijk kan de implementatie van gecontroleerde walsprocessen echter problematisch zijn vanwege de technische beperkingen van bestaande walsapparatuur. De vereiste nauwkeurigheid bij het regelen van de temperatuur en vervorming tijdens het proces kan moeilijk te bereiken zijn met conventionele technologieën. Desondanks blijft gecontroleerd walsen een veelbelovende benadering voor het verbeteren van de staalproductie en het vergroten van de efficiëntie van het gebruik van verschillende staalsoorten.