Методика оценки изменения структурного состояния и механических свойств металлических материалов в технологических процессах ковки

Ковка, как один из видов обработки давлением, имеет значительное применение в машиностроении для изготовления изделий из металлических материалов (в дальнейшем по тексту – материалов) в условиях горячей обработки. Одной из основных задач процессов ковки, кроме получения формы и размеров поковок, является получение требуемых механических свойств материала в их объеме.

Структурные изменения деформированных материалов при ковке, и связанные с ними формирование механических свойств, определяются условиями пластического деформирования, к которым относятся величина накопленной степени деформации, величина единичных обжатий, температурный интервал, число и длительность подогревов материала между переходами ковки.

В значительной степени горячей обработки подвергаются нержавеющие и жаропрочные сплавы, используемые при изготовлении ответственных объемных деталей, работающих в условиях высоких температур и коррозионной среды. Изделия изготавливаются многопереходными процессами свободной, как правило, с использованием основных операций осадки и протяжки, и промежуточных подогревов. Процессы пластического деформирования материалов характеризуются большими степенями деформации, а также пространственной неоднородностью деформированного и структурного состояния материала.

В действующей практики кузнечного производства используются положения, основанные на многолетнем технологическом опыте:

– итоговая степень деформации кузнечной обработки задается показателем уковки, который для каждого материала и ответственности, изготавливаемого из него изделия, имеет определенное значение,

– ковка основных групп поковок выполняется отработанными технологическими процессами, имеющими определенную последовательность операций и технологические параметры их выполнения: относительную подачу, степень обжатия и т.д.

В то же время получение однородности механических свойств является одной из основных характеристик кованых изделий. Поэтому решение вопросов, связанных с анализом неравномерности деформированного, и как следствие структурного состояния материала в процессе ковки является весьма актуальным.

В связи с этим целью данной работы являлась разработка методики оценки изменения структурно-механических свойств материалов в процессах ковки.

Для ее достижения были поставлены задача поэтапного анализа изменения структуры и формирования механических свойств деформированных материалов с учетом накопленной степени деформации.

Начиная с первых работ, выполненных Ф. Киком, Э. Холленбергом, Н. Метцем

В отношении исследования неоднородности структурного состояния материала и их влияния на формирование механических свойств в технологических процессах ковки следует отметить их немногочисленность и ограниченность. Практически все структурные исследования горячедеформированных материалов проводилось с использованием стандартизованных испытаний на растяжение, сжатие и кручение. При этом следует отметить, что структурные изменения горячедеформированных металлических материалов на микроструктурном уровне связаны с процессом рекристаллизации

Для процессов свободной ковки, по причине отсутствия зависимостей рекристаллизации материала для условий больших степеней деформации, много переходности процесса и наличия подогревов материала между переходами, актуальной задачей является разработка методики их оценки, что и стало целью работы.

В силу выявленной несостоятельности исследований горячедеформированных материалов в условиях многопереходного деформирования с использованием стандартизованных монотонных испытаний, в данной работе предложена методика, основанная на положениях концепции поэтапного анализа изменения структуры и формирования механических свойств деформированных металлических сплавов с учетом накопленной степени деформации

Структура методики, применительно к оценке структурно-механических свойств металлических материалов в технологических процессах ковки, включила этапы:

– деформирование материалов в технологических испытаниях, моделирующих процесс ковки конкретной группы поковок, и определение степени деформации на переходах и последовательно накопленной после каждого перехода;

– исследование поэтапного изменения структурного состояния и формирования механических свойств материала на переходах деформирования в зависимости от показателей деформированного состояния и межоперационных подогревов.

Апробация разработанной методики была проведена на примере исследования деформированной стали аустенитного класса 12Х18Н10Т

Ступенчатую заготовку ковали на пневматическом молоте из горячекатаного проката диаметром 60 мм и длиной 300 мм за четыре перехода (см. рис. 1).

Рисунок 1 - Фотография четырехступенчатой кованой заготовки

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.1

Каждую ступень заготовки формировали последовательными обжатиями в интервале температур (950÷1150) оС с двух сторон с промежуточной кантовкой на 90о и подогревами между переходами при температуре 1150 оС. В соответствии с рекомендациями ВИАМ время первого подогрева составило 15 мин, второго – 10 мин, третьего – 7 мин. Переходы ковки ступеней заготовки и их поперечные размеры приведены на рис. 2.

Рисунок 2 - Переходы деформирования ступенчатой заготовки

Примечание: а – 1-й переход (сечение 43×50 мм, = 1,31); б – 2-й переход (36×36 мм, = 1,66, у2общ = 2,08); в – 3-й переход (32×34 мм, = 1,19, у3общ = 2,59); г – 4-й переход (22×24 мм, = 1,12, у4общ = 5,3)

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.2

Технологические показатели деформации материала ступеней заготовки, были определены с использованием показателя укова, рассчитанного как отношение площади поперечных сечений заготовки до и после протяжки. Рассчитанные показатели укова по переходам деформирования и суммарный уков приведены в подрисуночной надписи рис. 2.

Методика работы включила деформационный анализ и структурно-механические исследования материала каждой ступени заготовки.

Деформированное состояние материала в объеме ступеней заготовки в показателе интенсивности деформации определяли методом численного моделирования физических процессов согласно ГОСТ Р 57188-2016

Рисунок 3 - Картины деформированного состояния стали 12Х18Н10Т 1-й ступени заготовки

Примечание: а – после первого прохода и кантовки; б – после второго прохода

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.3

Структурно-механические исследования проводили на образцах, вырезанных из средних зон (призмы длиной 25 мм) отрубленных частей каждого перехода деформирования (см. рис. 2, а, б, в) и ступеней заготовки (см. рис. 2, г).

Металлографический анализ микроструктур выполняли на микроскопе KEYENCE VHX-1000 на продольных шлифах образцов по направлениям 1, 2 и 3 (см. рис. 4). Для обработки цифровых фотографий микроструктур использовали разработанную для ЭВМ программу

Твердость измеряли на поперечных шлифах образцов с шагом 2 мм по направлениям 4 и 5 (см. рис. 4).

Рисунок 4 - Направления структурно-механических исследований на продольном (1, 2 и 3) и поперечном (4 и 5) шлифах образцов, вырезанных из призм

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.4

Результаты деформационного анализа материала первых трех ступеней кованой заготовки, обозначенные на ее поперечных сечениях линиями одинаковой интенсивности деформации (см. рис. 5), свидетельствуют об изменении неравномерности деформации материала ступеней заготовки в зависимости от накопленной степени деформации.

Рисунок 5 - Линии одинаковой интенсивности деформации (цифры) в поперечных сечениях первой (а), второй (б) и третьей (в) ступеней заготовки

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.5

Микроструктура исходного материала – горячекатаного проката (см. рис. 6), состоит из однородных аустенитных зерен (средняя площадь a ≈ 375 мкм2, средний диаметр ≈ 20 мкм), размеры которых не изменились при нагреве без деформирования в течение 1 час.

Рисунок 6 - Микроструктура аустенитной стали 12Х18Н10Т в исходной поставке горячекатаного проката

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.6

Структурные изменения материала первой ступени заготовки после первого перехода деформирования характеризуются неравномерностью (см. рис.7).

Рисунок 7 - Микроструктуры стали 12Х18Н10Т первой ступени после деформирования

Примечание: а – периферийная зона; б – центральная зона

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.7

В периферийной зоне (см рис.7 а) при интенсивности деформации менее 0,5, отдельные зерна достигают размера = 120 мкм (a ≈ 14400 мкм2). В центральной зоне (см. рис. 7 б) при интенсивности деформации более 0,7, микроструктура представляют собой неоднородные зерна с двойниками в виде многогранников с прямыми границами, средний размер которых = 42 мкм (a ≈ 1750 мкм2). Полученные результаты значительного роста зерна в периферийной зоне согласуются с данными, изложенными в патенте «Способ построения зависимостей рекристаллизации»

[12]

, в котором приведена зависимость рекристаллизации стали Х18Н10Т с интервалом критических степеней деформации в показателе интенсивности деформации 0,12÷0,22.

В микроструктуре материала второй ступени заготовки после деформирования в периферийной зоне (см. рис. 8 а) наблюдается увеличение числа больших зерен. В центральной зоне (см. рис. 8 б) микроструктура, по сравнению с первой ступеней, характеризуется дроблением зерна.

Рисунок 8 - Микроструктуры стали 12Х18Н10Т второй ступени после деформирования

Примечание: а – периферийная зона; б – центральная зона

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.8

Микроструктура материала третьей ступени заготовки после деформирования (см. рис. 9) в периферийной зоне содержит равноосные неоднородные зерна с максимальным размером 27 мкм (a ≈ 800 мкм2). В центральной зоне присутствуют неоднородные зерна с двойниками в виде многогранников с прямыми границами, средний размер 34 мкм (a ≈ 1200 мкм2).

Рисунок 9 - Микроструктуры стали 12Х18Н10Т третьей ступени после деформирования

Примечание: а – периферийная зона; б – центральная зона

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.9

При деформировании четвертой ступени заготовки по всему сечению сформировалась одинаковая микроструктура с равноосными однородными зернами ≈ 20 мкм, средняя площадь которых a ≈ 375 мкм2 (см. рис. 10), что соответствует размеру исходного недеформированного зерна горячекатаного проката.

Рисунок 10 - Микроструктура стали 12Х18Н10Т четвертой ступени

после деформирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.10

Полученные результаты позволили сделать следующий вывод о влиянии накопленной степени деформации на структурные изменения в материале при горячей дробной деформации. Для достижения равномерной мелкозернистой структуры по сечению ступенчатой заготовки ее ковку следует проводить с выполнением определенного технологического показателя: суммарный уков при изготовлении ступенчатой заготовки с применением операции протяжка из аустенитной стали 12Х18Н10Т должен иметь значение не менее 5,3.

Структурные изменения материала ступеней кованой заготовки кроме накопленной степени деформации определяются числом и длительностью подогревов. Наибольшие изменения произошли в материале периферийной зоны первой и второй ступени заготовки.

Рисунок 11 - Микроструктуры стали 12Х18Н10Т периферийной зоны заготовки

Примечание: а – первой ступени; б – второй ступени

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.11

В первой ступени (см. рис. 11, а) за три последующих подогрева без деформации наблюдается рост зерна до размера = 340 мкм (a ≈ 120000 мкм2), который ~ в 3 раза больше зерна при деформировании 120 мкм (a ≈ 14400 мкм2). Во второй ступени (см. рис. 11, б) после двух подогревов произошло укрупнение зерна в 5 раз по сравнению с исходным зерном до = 105 мкм (a ≈ 11000 мкм2).

В микроструктуре материала третьей ступени заготовки после одного подогрева (см. рис. 12) значительного роста зерна не наблюдалось.

Рисунок 12 - Микроструктуры стали 12Х18Н10Т третьей ступени после одного подогрева

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.114.12

По всему сечению сформировалась одинаковая микроструктура с размером зерна = 28 мкм (a ≈ 600 мкм2), который в 3 раза меньше зерна на второй ступени, однако в отдельных зонах наблюдались зерна размером = 36 мкм (a ≈ 1200 мкм2).

При деформировании четвертой ступени заготовки по всему сечению сформировалась микроструктура (см. рис.10) с равноосными однородными зернами ≈ 20 мкм, средняя площадь которых a ≈ 375 мкм2, что соответствует размеру исходного недеформированного зерна горячекатаного проката.

Полученные результаты свидетельствуют о влиянии последующих нагревов на ступени кованой заготовки в зависимости от накопленной степени деформации, при этом получение равномерной мелкозернистой структуры по сечению ступенчатой заготовки достигается при выполнении технологического показателя-суммарного укова величиной не менее 5,3.

Оценка упрочнение материала проводилась измерениям его твердости на ступенях заготовки. Твердость первых двух ступеней заготовки в периферийной зоне уменьшалась с 61 до 49 HRА, по центру – с 63 до 48 HRА. На третьей ступени, обжатой до укова у3общ = 2,59, твердость материала повысилась и по всему сечению достигла значения 54 HRА, а на четвертой, при укове у4общ = 5,3 достигла твердости 61÷63 HRА недеформированного материала. Полученные результаты показали незначительное влияние размера зерна на повышение прочности, подтверждающее положение, что основной вклад в деформационное упрочнение вносит повышение плотности дислокаций, а не уменьшение размера зерна при пластической деформации.

Полученные впервые экспериментальные данные влияния накопленной степени деформации на структурные изменения в материале при горячей дробной деформации стали аустенитного класса 12Х18Н10Т, подтвердили состоятельность разработанной методики оценки изменения структурного состояния и формирования механических свойств металлических материалов в технологических процессах ковки.

Разработанная методика основана на положениях концепции поэтапного анализа изменения структуры и формирования механических свойств деформированных металлических сплавов c учетом накопленной степени деформации, как основного влияющего фактора.

Структура методики, применительно к технологическим процессам ковки, дополнена положением о структурно-механических исследований материала на переходах деформирования в зависимости от показателей деформированного состояния и межоперационных подогревов.

Для процессов ковки основных групп поковок разработанная методика позволяет разработать технологические приложения, содержащие данные деформационного анализа и структурно-механических свойств деформируемого материала.