Medlamelarna razdalja v podevtektoidnih jeklih UDK: 669.15-194.52 ASM/SLA: CN-g, M21g D. Kmetic, F. Vodopivec, J. Žvokelj Hladna preoblikovalnost in mehanske lastnosti jekel s pretežno perlitno mikrostrukturo so precej odvisne od medlamelarne razdalje v perlitu. Preiskave smo naredili na ogljikovih in malo legiranih jeklih za poboljšanje in vzmetnem jeklu. Po deformaciji je bil avstenit popolnoma ali delno rekristaliziran in deformiran. Vzorce smo izo-termno transformirali v svinčevi kopeli. S kontroliranim ohlajanjem lahko jeklu po vroči predelavi zagotovimo boljše lastnosti. 1. UVOD Transformacija a ima pri toplotni obdelavi jekel velik praktičen pomen. Eden od dejavnikov, ki vplivajo na mehanske lastnosti, predvsem na mejo plastičnosti in natezno trdnost, je medlamelarna razdalja v perlitu. Drobno lamelama perlitna mikrostruktura ima tudi boljšo hladno preoblikovalnost. Namen naše raziskave je bil ugotoviti vpliv temperature deformacije, izoterm-ne transformacije in legirnih elementov na medlamelar-no razdaljo in morfologijo cementitnih lamel ter s tem na mehanske lastnosti jekel. Pri podevtektoidnih jeklih nastaja na začetku transformacije ferit. Pri tem se zaradi manjše topnosti ogljika v feritu vsebnost ogljika v preostalem avstenitu zvišuje. Ko je avstenit nasičen, se sproži perlitna transfor- 1000 900 o o O 800 z> D « 700 CL E Č 600 500 0 0,2 0.4 0.6 0.6 1,0 1,2 Utežni V. C Slika 1 Haltgrenova ekstrapolacija v faznem diagramu Fe-FejC. Fig. I. Haltgren's extrapolation in the phase diagram Fe-FejC macija, pri kateri istočasno nastajajo feritne in cemen-titne lamele. Nasičenost avstenita pri določeni temperaturi in vsebnosti ogljika kaže v Fe-Fe,C diagramu Halt-hrenova ekstrapolacija (si. 1). Morfologija ferita je odvisna od nukleacije in termične aktivacije procesa. Pri višjih transformacijskih temperaturah nastaja poligina-len ferit. S padanjem transformacijske temperature se delež ferita v mikrostrukturi manjša in opaža se tendenca nastajanja puščičastega ferita. Tudi za potek perlitne transformacije je potrebna določena inkubacijska doba. Nukleacija se prične po kristalnih mejah in ob nekovinskih vključkih. Zato je kinetika transformacije odvisna od velikosti kristalnih zrn. Pri bolj grobi mikrostrukturi je počasnejša. Lamelama oblika cernentita je kristalografsko pogojen difuzijski proces in ne predstavlja ravnotežne oblike cernentita. Ravnotežno obliko dobimo šele po daljšem času žarjenja, ko nastane zaradi difuzije in površinskih napetosti iz lamel globularen cementit. Domnevamo, da so nukleosi za tvorbo perlita pri podevtektoidnih jeklih feritna zrna, v nadevtektoidnih jeklih pa cementit. Legirni elementi, ki stabilizirajo avstenit in ovirajo difuzijo ogljika, podaljšujejo inkubacijsko dobo perlitne transformacije. Deformacija pospešuje transformacijo avstenita, ker nastajajo nukleosi tudi po deformacijskih linijah in v notranjosti kristalnih zrn na mestih velike gostote dislokacij. 2. EKSPERIMENTALNO DELO Za preiskave smo izbrali jekli za poboljšanje z različno vsebnostjo ogljika (Č. 1530, Č. 1730), jeklo za poboljšanje, legirano z Mn (Č.3134), in vzmetno jeklo, le-girano s Si in Cr (Č.4230). Kemična sestava jekel je prikazana v tabeli 1. Tako smo lahko ocenili vpliv različne vsebnosti ogljika in legirnih elementov na mikrostrukturo perlita. Vzorce smo žarili 10 min. pri temperaturi 1150 °C in ohladili na temperaturo deformacije. Deformirali smo jih z enkratnim udarcem padalnega kladiva v temperaturnem področju med 1000 in 750 °C. Redukcija višine vzorcev je bila 25 %. Avstenit je bil po deformaciji popolnoma ali delno rekristaliziran in deformiran. Po deformaciji smo vzorce izotermno transformirali v svinčevi kopeli pri različnih temperaturah (700 do 400 °C), ki smo jih izbrali iz izotermnih 111 diagramov za posamezna jekla. Upoštevati moramo, da poteka transformacija hitreje v jeklu z večjo vsebnostjo deformacijske energije. Časi žarjenja ne smejo biti predolgi, da ne začno potekati procesi sferoidizacije perlita. Tabela 1: Kemična sestava jekel v procentih Jeklo C Si Mn P S Cr Cu Al Sn Č. 1530 0,44 0,15 0,80 0,017 0,016 0,17 0,16 0,026 0,013 Č. 1730 0,62 0,22 0,74 0,015 0,026 0,11 0,25 0,025 0,014 Č.3134 0,45 0,33 1,66 0,017 0,029 0,08 0,14 0,040 0,012 Č.4230 0,62 1,28 0,47 0,016 0,012 0,48 0,33 0,033 0,014 3. MEDLAMELARNA RAZDALJA Pri vseh jeklih se delež podevtektoidnega ferita v mikrostrukturi manjša s padajočo temperaturo izoterm-ne transformacije. Ferit nastaja po kristalnih mejah in je njegov delež odvisen od velikosti avstenitnih zrn. Zato vpliva na potek transformacije tudi rekristalizacija. Pomembnejši delež ferita v mikrostrukturi smo izmerili pri jeklu Č. 1530. Medlamelarno razdaljo v perlitu, to je skupno debelino cementitnih lamel in ferita v perlitu, smo merili v SEM pri povečavi 15 000 x. Debelino cementitnih la- 0.22 * 0,10 TJ I aos i ao6 v 0,04 k % Č.1730 's s) C.3134 Č.4230 700 500 mel smo izmerili s pomočjo merilnega okularja na mikroposnetkih, narejenih pri 10 000 x povečavi. Pri meritvah smo predpostavili, da so lamele pravokotne na površino obrusa na tistih mestih, kjer so najtanjše. Medlamelarna razdalja in debelina cementitnih lamel se manjšata s padajočo temperaturo izotermne transformacije. Oba parametra sta odvisna od vsebnosti ogljika in se, ko se njegova vsebnost zvišuje, zmanjšujeta. Legirni elementi Mn, Si in Cr premaknejo celotno področje transformacije v desno. Prav tako vplivajo legirni elementi tudi na medlamelarno razdaljo in debelino cementitnih lamel. Če primerjamo jekli Č. 1530 in Č. 3134, ki se razlikujeta le po vsebnosti Mn, vidimo, da ima jeklo, legirano z Mn, v celotnem področju transformacije manjšo medlamelarno razdaljo in drobnejše ce-mentitne lamele. Podobno odvisnost opazimo tudi pri jeklu Č. 4230, legiranem s Si in Cr, če ga primerjamo z jeklom Č. 1730. Menimo, da vpliva predvsem Cr na zmanjšanje medlamelarne razdalje. Odvisnost medla- 700 650 600 550 Temperatura v °C Slika 2 Vpliv temperature izotermne transformacije na medlamelarno razdaljo v perlitu. Fig. 2. Temperature influence of the isothermal transformation on the interlamellar spacing in the pearlite structure 650 600 550 Temperatura v °C Slika 3 Vpliv temperature izotermne transformacije na debelino cementitnih lamel v perlitu. Fig. 3. Temperature influence of the isothermal transformation on the thickness of the cementite lamellae in the pearlite structure Slika 4a Mikrostruktura jekla Č. 4230, posneta v optičnem mikroskopu in v SEM, deformiranega pri 950 °C in izotermno transformira-nega pri 700 °C (peri it, s 0,20 um). Fig. 4a. Microstructure of the steel Č4230, seen in the optical microsco-pe and in SEM, deformed at 950 "C and isothermallv transfor-med at 700 °C (pearlite, s 0,20 um) melarne razdalje in debeline cementitnih lamel od temperature izotermne transformacije je prikazana v diagramih na slikah 2 in 3. Medlamelarno razdaljo smo merili tudi v nedefor-miranih vzorcih in nismo opazili razlike v primerjavi z deformiranimi vzorci, oz. je ta v mejah merilnih napak. Podobno tudi nismo opazili razlik med rekristalizirani-mi in nerekristaliziranimi zrni. Stanje jekla, nedeformi-rano, deformirano ali rekristalizirano, vpliva predvsem na kinetiko perlitne transformacije. 4. MORFOLOGIJA CEMENTITNIH LAMEL Morfološke značilnosti cementitnih lamel so pogojene s temperaturo transformacije in vsebnostjo legirnih elementov. Pri višjih transformacijskih temperaturah so cementitne lamele ravne in potekajo večinoma paralelno preko perlitnih zrn. S padajočo transformacijsko temperaturo je v perlitu vedno več diskontinuirnih in spačenih lamel (si. 4). Cementitne lamele so najbolj degenerirane v temperaturnem področju transformacije, kjer je mikrostruktura perlitno bainitna. Taka mikro-struktura je prikazana na sliki 5. Pri nižjih temperaturah opazimo, da seje cementit izločil tudi po mejah av-stenitnih zrn. Degeneracija cementnih lamel je manj izrazita, čim bolj se vsebnost C približuje evtektoidni sestavi in pri legiranih jeklih. Slika 4b Mikrostruktura jekla Č. 4230, posneta v optičnem mikroskopu in v SEM, deformiranega pri 950 °C in izotermno transformira-nega pri 600 °C (perlit, s 0,09 ^m). Fig. 4b. Microstructure of the steel Č 4230, seen in the optical microsco-pe and in SEM, deformed at 950 "Č and isothermally transfor-med at 600 °C (pearlite, s 0,09 um) Slika 4c Mikrostruktura jekla Č. 4230, posneta v optičnem mikroskopu in v SEM, deformiranega pri 950 °C in izotermno transformira-nega pri 500 "C (bainit, bainitni ferit, perlit). Fig. 4c. Microstructure of the steel Č4230 as seen in the optical micros-cope and in SEM, deformed at 950 °C and isothermally trans-formed at 500 °C (bainite, bainitic ferrite, pearlite) Slika 5 Mikrostruktura jekla Č. 1530, deformiranega pri 820 °C in izotermno transformiranega pri 500 °C (bainit, bainitni ferit, perlit). /ig- 5. Microstructure of the steel C 1530, deformed at 820 UC and iso-thermally transformed at 500 °C (bainite, bainitic ferrite, pearlite) 5. MEHANSKE LASTNOSTI Mehanske lastnosti smo določili z nateznimi preizkusi. Meja plastičnosti in natezna trdnost jekel narašča- O «? C O Si: o ■ag o S U 1000 800 600 400 - T*,. - T --, 4-f 12 800 600 — — Tiet 950 °C — Tm 750°C i -ffm \ - V' > a. o 700 550 v "C 500 c o 650 600 Temperatura Slika 8 Vpliv temperature izotermne transformacije na mehanske lastnosti jekla Č. 4230. Fig. 8. Temperature influence of the isothermal transformation on the mechanical properties of the steel Č4230 7. ZAKLJUČKI Preiskave smo naredili z namenom, da opredelimo vpliv končne temperature deformacije, od katere je odvisno stanje auvtenita (rekristaliziran, delno rekristalizi-ran, deformiran) in temperature izotermne transformacije na medlamelarno razdaljo, debelino cementitnih lamel in morfologijo perlita. Industrijsko izdelana jekla smo izbrali glede na kemično sestavo tako, da smo lahko določili tudi vpliv vsebnosti C, Mn in Cr na te parametre. Rezultate laboratorijskih preizkusov smo potrdili s preizkusi kontroliranega ohlajanja vzorcev, zvalja-nih v več redukcijah. Medlamelarna razdalja in debelina cemetitnih lamel sta manjši, čim nižja je temperatura izotermne transformacije. Manjši sta tudi pri višji vsebnosti C in jeklih, le-giranih z Mn in Cr. S padajočo transformacijsko temperaturo je v perlitu vedno več diskontinuirnih in spače-nih lamel. Med popolnoma in delno rekristaliziranimi in deformiranimi vzorci ter tudi nedeformiranimi vzori-ci nismo opazili razlik. Perlitna transformacija poteka hitreje v jeklu, ki ima več deformacijske energije. Meja plastičnosti in natezna trdnost naraščata s padanjem medlamelarne razdalje in debeline cementitnih lamel. Razen pri jeklu Č. 4230 je ta odvisnost pri kontrakciji in raztezku manj izrazita. Opazi se padanje teh dveh parametrov, ko v mikrostrukturi narašča delež nerekristalizi-ranih zrn. Mešana mikrostruktura iz degeneriranega perlita in grobega zgornjega bainita ima slabe mehanske lastnosti. Literatura 1. R. W. K. Honeycombe: Transactions ISIJ; 1980, str. 139-146. 2. N. Shimizu, I. Tamura: Transactions ISIJ, 1978, str. 574-578 3. E. Hornbogen: Metallurgical Transactions, aug. 1979, str. 947-972 4. R. W. K. Honeycombe: Metal Science, jun. 1980, str. 201-214 5. J. V. Bee: Metallurgical Transactions, april 1978, str. 587-593 6. P. Pointner, K. Maier, F. Jeglitsch: HTM, 2, 1978, str. 71-83 7. D. J. Walker, R. W. Honeycombe: Metal Science, okt. 1978, str. 445-452 8. D. J. VValker, R. W. Honeycombe: Metal Science, maj 1980, str. 184-188 9. D. Cheetham, N. Ridlee: Metal Science, 1975, str. 411-414 10. G. T. EldisrJ. Metals, marec, 1978, str. 5-10 11. H. Weissenberg, E. Hornbogen: Arch. Eisenhiittenwes., nov. 1979, str. 479—483 12. G. Kunze: HTM, 31978, str. 118-124 13. R. Wittek, P. Funke: Stahl und Eisen, 10, 1979, str. 509-513 14. D. Kmetič, F. Vodopivec, J. Žvokelj, K. Hribar: Raziskava perlitne transformacije v srednje in visoko ogljičnih jeklih za hladno vlečenje — I. del, Poročila Metalurškega inštituta v Ljubljani, 1978 15. D. Kmetič, F. Vodopivec, J. Žvokelj, K. Hribar: Raziskava perlitne transformacije v srednje in visoko ogljičnih jeklih zahladno vlečenje — II. del, Poročila Metalurškega inštituta v Ljubljani 1979 16. F. Vodopivec, A. Mežnar, A. Kelvišar: Železarski zbornik, 2, 1975, str. 81-87 ZUSAMMENFASSUNG Ziel dieser Untersuchungen war den Einfluss der Verfor-mungsendtemperatur auf den Austenitzustand (rekristallisiert, teilweise rekristallisiert, verformt) und der Temperatur der iso-termen Umvvandlung auf die Lamellenentfernung, die Dicke der Zementitlamellen und die Morphologie von Perlit festzu-stellen. Aus der ublichen Produktion genommene Vergii-tungsstahle Č. 1530, Č. 1730, C. 3134, 45M5 und C. 4230 sind so gevvahlt worden, dass der Einfluss von C, Mn und Cr auf die ervvahnten Parameter bestimmt vverden konnte. Die Er-gebnisse der laboratorischen Untersuchungen sind durch die Versuche kontrollierter Abkiihlung der Proben, ausgevvalzt in mehreren Stichen, bestatigt vvorden. Die Lamellenentfernung und die Dicke der Zementitlamellen sind um so kleiner je niedriger die Temperatur der isother-men Umvvandlung ist. Die sind auch kleiner bei hoherem Koh-lenstoffgehalt und bei den mit Mn und Cr legierten Stahlen. Mit der fallenden Verformungstemperatur gibt es im Perlit im-mer mehr unformige Lamellen. Zvvischen der vollkommen und teilvveise rekristallisirten und verformten und auch nichtver-formten Proben konnten keine Unterschiede beobachtet vverden. Die Perlitumvvandlung verlauft schneller im Stahl mit hoherer Verformungsenergie. Die Streckgrenze und die Zugfestigkeit steigen bei fallen-der Lamellenentfernung und der Dicke der Zementitlamellen. Ausser bei dem Stahl C. 4230 ist diese Abhangigkeit bei der Brucheinschniirrung und bei der Dehnung vveniger ausge-pragt. Ein Fallen dieser zvvei Parameter kann beobachtet vverden, mit dem vvachsenden Anteil der nichtrekristallisierten Korner in der Mikrostruktur. Eine gemischte Mikrostruktur aus degeneriertem Perlit und grobem oberen Bainit besitzt schlechte mechanische Eigenschaften. SUMMARY The investigations vvere made to determine the influence of final deformation temperature vvhich influences the state of austenite (recrystalized, partially recrystalized, deformed), and of temperature of isothermal transformation on the interlamel-lar spacing, the thickness of cementite lamellae, and the mor-phology of pearlite. Industrially manufactured steel C. 1530, C. 1730, C. 3134, 45M5, and C .4230 vvere chosen according to their chemical composition. Thus simultaneously also the influence of C, Mn, and Cr contents on these parameters vvas de-termined. The results of laboratory tests vvere confirmed by the test made on samples vvhich vvere controlled cooled and rolled in more passes. The interlamellar spacing and the thickneSs of cementite lamellae decrease vvith the decreased temperature of isothermal transformation. They are reduced also at higher carbon content in steel alloyed vvith manganese and chromium. The decreasing transformation temperature causes that more and more discontinuous and distorted lammellae appear in pearlite. No differences vvere observed betvveen the completeIy and partially recrystalized samples, neither betvveen the deformed and the undeformed ones. Pearlitic transformation is faster in steel vvith higher deformation energy. The yield point and the tensile strength increase vvith the reduced interlamellar spacing and the thickness of cementite lamellae. With the exception of C.4230 steel this relationship is less pronounced in contraction and elongation. The reduc-tion of the tvvo parameters can be observed vvhen the portion of not recrystalized grains is increased in the microstructure. The mixed microstructure composed of divorced pearlite and coarse upper bainite has bad mechanical properties. 3AKJ1H3MEHME MccJieflOBaHHH BbinojiHeHbi c uejibio, HTo6bi onpeiieJiHTb BJiHHHHe OKOHHaTejibHOH TeMn-pbi ,neojio-rna nepjiHTa. CTajiH C. 1530, Č. 1730, C. 3134 45 M5 h Č. 4230, H3r0T0BJieHHbie npoMbiuujieHHbiM cnoco6oM 6biJiH Bbl6paHbI, B3HB BO BHHMaHHe XHMHHeCKHH COCTaB, TaK, HTO M03KH0 6bIJ10 T3K3Ke yCT3HOBHTb BJIHHHHe C, Mn H Cr Ha 3TH napaMeTpu. Pe3yjibTarbi jia6opaTopHbix onbiTOB 6biJiH noa-TBepjK^eHbl HCCJiejLOBaHHCM KOHTpOJlbHblX 06pa3U0B C He-CKOJlbKHMH COKpameHHHMH. Me)KnjiacTHHHaToe paccTOHHne h TOJimiiHa jiaviejib ue-MeHTHTa TeM MeHbiue, nein HHace TeMn-pa H30TepMHMecKOH TpaHC(J)OpMaUHH. JlaMejibi TaK»e MeHbiue npn BbicuieM cojiep)KaHHH C u npw CTajiax, jierHpoBaHHbix c Mn h Cr. C cHH*eHHeM TeMne- paTypbi npeBpameHHa b nepjiHTe oka3bibak)tc» Bce 6ojibiue npepbiBHbix h 6ec(J)opMeHHbix jiaMejib. Me«ay BnojiHe h nacTHHHO peKpHcrajuiH3HpoBaHHbix h ae(j)opMHpoBaHHbix, a TaioKe Hene<{>opMHpoBaHHbix o6pa3uax pa3Hnu He 6biJio o6Hapy>KeHo. riepjiHTHoe npeBpameHne npo-TexaeT 6biCTpee b CTajie, noTopoe conepvKHT 6onbuie iHeprnii ae())opMaixHH. npeaeji ruiacTHHHOCTH h npeaeji npoHHoeTH npH pacTHtte-HHH yBejlHHHBaK)TCH C CHHJKeHHeM MOKIIJiaCTHHHaTOrO pac-CTOHHHH H TOJlUlHHbl .TiaMejIb Ue\ieHTHTa. 3a HCKJIKDHeHHeM npw CTajiH MapKH Č. 4230 3Ta 3aBHCHMOCTb MeHee Bbipa3-HTejibHa npH coicpaiueHHH h pacTHHceHHH. OTMeneHo naaeHHe 3thx napaMeTpoB Koraa b mhkpo-CTpyKType yBexiHHHBaeTH nosin HepeKpHCTajuiH3HpoBaHHbix 3epeH. Pa3HopoflHaa MHKpocrpyKTypa, cocTosma« H3 Bbipo-»aeHHoro nepjiHTa h rpy6oro BepxHero 6efiHHTa HMeeT oneHb njioxHe MexaHHnecKHe CBoficTBa.