Диссертация (1026057), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Однако повышение температуры иснижение скорости деформации уменьшают этот эффект и разница междурезультатами эксперимента и теоретической оценкой уменьшается.4.1.3 Уравнение состояния для двухфазной структурыКак было упомянуто выше, для определения уравнения состояния вдвухфазном интервале температур необходимо учитывать механическиесвойства каждой фазы в отдельности, а также их морфологию.Чтобы сравнить поведение фаз в заданном интервале температур, былапостроена зависимость максимального напряжения от температуры для каждойфазы. При этом мартенситная структура существует только при температурах112ниже 680°С, поэтому свойства мартенсита при температурах выше680°Сбыли получены экстраполяцией, основанной на поведении мартенсита приболее низких температурах и результатах экспериментов предыдущих работ[40, 110].
Аустенит существует при температурах выше 800°C, однако егосвойства могут быть определены при более низкой температуре, как былопоказано в главе 3. Максимальное напряжение при растяжении, в зависимостиот температуры,для каждой фазы показано на Рис. 4.3.Максимальноенапряжение определялось при деформации примерно равной 0,3 и скоростидеформации 0,0004с-1. Точки на Рис. 4.3 соответствуют экспериментальнымточкам, а пунктирные линии показывают экстраполированные значения.500σ, MПaмартенситаустенит400300200AM1000650Рис.4.3.700Зависимость750800850максимального900T, C950напряженияоттемпературы для аустенитной и мартенситной фазы(экспериментальные значения и их экстраполяция).Зависимости, показанные на Рис.
4.3 согласуются с результатами(представленными в главе 1 на Рис. 1.8) сравнения свойств мартенситных иаустенитныхнизкоуглеродистыхсталейпривысокихтемпературах.Следовательно, мартенситная фаза является легко деформируемой при высокойтемпературе по сравнению с аустенитной фазой. Этот факт можно объяснитьнизким содержанием углерода в стали. В соответствии с результатамиисследований, представленными в главе 1, с уменьшением содержания113углерода в мартенситной стали увеличиваются свойства пластичности свойстваи снижается его прочность [15, 16].Для корректного выбора уравнения состояния, описывающего поведениематериалавдвухфазноминтервале,необходимознатьнетолькоколичественное соотношение фаз, но и их морфологию. На основеэкспериментальных данных и результатов предыдущих исследований былоустановлено, что морфология и фазовый состав стали при заданнойтемпературе зависит от скорости нагрева [38 - 48].
Условно выделяют трискорости нагрева: медленная, средняя и быстрая. Для промышленногоприменения возможно использование средней и быстрой скоростей нагрева.При быстрой скорости нагрева фазовое превращение мартенсита ваустенит, согласно [47], происходит по мартенситному механизму. В результатетакогопревращениявдвухфазноминтервалетемпературобразуетсяморфология, Рис. 1.4, в), из чередующихся разнонаправленных пластинмартенсита и аустенита. В этом случае для описания поведения материаламожно воспользоваться соотношениями для композитного материала сослучайно ориентированными короткими волокнами [127].
Создание моделидеформирования такого вида структур – весьма сложная задача. Существуетмножество работ, посвященных разным подходам и методикам, среди которыхширокое распространение получили численные методы.Для численного моделирования поведения композитного материаласначала определяются эффективные свойства, а затем найденные свойстваиспользуются в модели в соответствии с макросвойствами. Композитнаяструктурная ячейка материала со случайно ориентированными короткимиволокнами, представленная на Рис.
4.4, имеет свойства мартенсита в качествематричного материала и аустенита, в качестве армирующего материала. Дляопределения характеристик данной модели в качестве исходного обычновыбирают однонаправленный композит с разорванными волокнами, которыйиспользуется для синтеза свойств нового материала, имеющего те же самыекомпоненты, но случайную ориентацию волокон [128].114Рис. 4.4. Модель композитной структурной ячейкиматериала.Однако при быстром нагреве деталей больших размеров наблюдаетсязначительная неравномерность нагрева, а также увеличивается погрешностьизмерения температуры.Так как фазовый переход происходит в узкоминтервале температур (~120ºС), фазовый состав изменяется динамично иструктура, полученная при быстром нагреве, нестабильна.
Поэтому нагрев присреднихскоростях(от8ºС/миндо300ºС/с)болееэффективендляпромышленного применения.При средних скоростях нагрева аустенитные зерна образуются вдольграниц первоначальных аустенитных зерен и на границах мартенситных реек. Взависимости от морфологии микроструктурытемпературный интервал,соответствующий двухфазной структуре, можно разделить на две части, как этопоказано на Рис. 4.5. Первый интервал от 680°С до 730°С, а второй от 730°С до800°С.
Рис. 4.5 показывает изменение количества аустенита при непрерывномнагреве со скоростью 10°С/мин и схематичное изображение морфологиимикроструктуры, соответствующей каждому интервалу.Можно отметить, что в первом интервале температур мартенсит являетсяосновной фазой, испытывающей деформацию, тогда как во втором - аустенит.На основании этих фактов и результатов исследования механических свойств115каждой отдельной фазы было определено уравнение состояния для каждого изэтих интервалов температур.100 A, %75M+A50A+M25T, C0680700720 730 C 740680 C - 730 C760780800730 C - 800 CМартенситныезернаMAзернаимелкиеаутенита,Аустенитные зерна иAрасположенные награницах пластин инезначительноколичествоMмартенситных зерен.зерен мартенсита.Рис. 4.5. Морфология микроструктуры в зависимости от температуры.4.1.3.1 Уравнение состояния двухфазной структуры в интервале температур680°C - 730°CВ соответствии с Рис. 4.5, для интервала температур 680°C -730°Cхарактерна микроструктура, состоящая из мартенситных зерен с включениямиизолированных зерен аустенита.
На основании результатов испытаний нарастяжение, а также изучения микроструктуры, было установлено, чтоколичество аустенита мало, а морфология такова, что аустенит в заданныхусловиях можно считать недеформируемой фазой. Поэтому такая структураможет быть рассмотрена как дисперсно-упрочненная, которая описываетсяследующим уравнением состояния:1 = М (1 − )−ℎ( ) 1 1 1/(4.5)116гдеζ1-напряжение, -скоростьдеформацииползучести,m1-чувствительность к скорости деформации (мартенсита), Q1 – энергия активации(для мартенсита); AМ - эмпирическая константа мартенсита, f - объемная доляаустенита при заданной температуре (Т),h(m1) – показатель функцииупрочнения, который определяется как:ℎ 1 = 0.39 1 − 1 + 2.5(1)(4.6)Для чувствительности к скорости деформации m1=0,14 показательфункции упрочнения h(m1)= 0.678. Уравнение состояния (3.10) описываетповедение материала при условии, что вторая фаза не образует замкнутойструктуры в материале и не деформируется.Сравнение экспериментальных и теоретических результатов для заданногоинтервала температур показано на Рис.
4.6.Из Рис. 4.6 видно, что, в целом, уравнение состояния (3.11) дает хорошиерезультаты при определении среднего напряжения во время деформации.Однакотеоретическийрасчетпредсказываетболеенизкиезначениянапряжений, что может быть связано с неточностью определения фазовогосостава или показателя функции упрочнения.1 σ/σmax0,8720°C0,60,4экспериментальная криваярезультаты расчета0,2ε000,10,2Рис. 4.6. Сравнение экспериментальных и теоретических кривыхпри испытании со скачкообразнымскорости деформации при 720°С.изменением117Из результатов исследования механических свойств стали в двухфазноминтервале температур, показанных в главе 3, следует, что, как толькоаустенитные зерна начинают деформироваться, на кривой растяженияпоявляется деформационное упрочнение. Основываясь на этом, можнозаключить, что критический объем аустенитной фазы, до которого уравнение(4.5) справедливо, должен быть близок к 50%, Рис.
3.25. Следует отметить, чтоколичество аустенита зависит не только от температуры, но и от временивыдержки при этой температуре, как это было исследовано в главе 2. Такимобразом, диапазон температуры, в котором уравнение (4.5) справедливо, можетуменьшаться от 680°С - 730°С (без выдержки) до 680°С - 715°С, еслидеформация проводится с выдержкой при заданной температуре перед началомдеформации.4.1.3.2 Уравнение состояния двухфазной структуры в интервале температур730°C - 680°CВ данном интервале температур микроструктура состоит из мартенситнойи аустенитной фазы, Рис. 4.5.
Количество и размер аустенитных зеренвозрастает с увеличением температуры. Учитывая, что аустенит являетсяосновной фазой, испытывающей деформации, а также, что он более сложнодеформируемый, и при этом микроструктурный анализ не выявил кавитаций воднородной области деформации на границах зерен, можно заключить, чтомартенситная фаза должна иметь такие же деформации. Основываясь на этихфактах, уравнение состояния может быть записано в виде суммы напряженийаустенитной и мартенситной фазы, так как обе фазы, как было показано выше,имеют одинаковую деформацию:2 = А + (1 − )М(4.7)где ζ2 - напряжения, f - объемная доля аустенита при данной температуре; ζА –напряжения в аустенитной фазе, определяемые по уравнению состояния (4.1),118ζМ – напряжения в мартенситной фазе, определяемые по уравнению состояния(4.4).Сравнение экспериментальных и теоретических результатов для заданногоинтервала температур при испытаниях со скачкообразным изменениемскорости деформации при 750°С и 790°С показаны на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
