STRUCTURA OTELURILOR DEFORMATE PLASTIC

Deformabilitatea plastica caracterizeaza comportarea otelurilor sub actiunea unui sistem de forte. la diferite procedee de prelucrare: prin deformare plastica la rece (ambutisare, laminare, tragere, etc), deformare plastica la cald (forjare, laminare, presare, etc), prelucrare prin aschiere.

Deformabilitatea plastica se apreciaza prin:

rezistenta la deformare, indicata de limita de curgere sau duritate;

plasticitate, masurata prin alungirea si gatuirea la rupere.

9.1 Aspecte teoretice

Deformarea plastica are la baza deplasarea ireversibila a atomilor pe noi pozitii de echilibru, sub actiunea unor eforturi unitare tangentiale, care depasesc limita de elasticitate a materialului.

Deformarea plastica este un proces complex de deplasare a dislocatiilor spre limita de graunte si de creare de noi dislocatii prin surse Frank-Read, interactiunea dislocatiilor intre ele, cu defectele punctiforme si de suprafata, acumularea si blocarea dislocatiilor la obstacole (alte dislocatii, limita de graunte, precipitate secundare, incluziuni nemetalice).

Principalele mecanismele de deformare plasica sunt: alunecarea intragranulara, maclarea, alunecarea pe limita de graunte si fluajul prin difuzie.

Alunecarea intragranulara este mecanismul cel mai frecvent si are la baza deplasarea

dislocatiilor dupa anumite plane si directii de alunecare (figura 9.1a). Dislocatiile marginale aluneca preferential in plane de densitate atomica maxima, iar in absenta acestora dupa planele ce cea mai mare densitate de atomi. In cadru 929b18j l planului deplasarea se face dupa o directie de compactitate atomica maxima. Planul si directia de alunecare formeaza un sistem de alunecare. Devin operante sistemele de alunecare in care, componenta tangentiala a efortului dupa directia de alunecare devine supracritica. In figura 9.2 si tabelul 9.1 se prezinta sistemele de alunecare corespunzatoare retelelor cristaline specifice metalelor.

Deformabilitatea plastica este asigurata de un numar mare de sisteme de alunecare sub eforturi mici. Structurile cristaline cubica cu fete centrate (CFC) si hexagonal compact (HC), cu compactitate si distanta interplanara maxime au rezistenta minima la deformare plastica. Structurile cristaline CFC si CVC (cubica cu volum centrat), cu un numar mare de sisteme de alunecare, au plasticitate ridicata. Deformabilitatea plastica este maxima la structura CFC care prezinta multiple posibilitati de alunecare sub eforturi reduse, urmata de structura CVC, cu rezistenta mai mare la deformarea plastica.

Tabel nr. 9.1

Maclarea consta din deplasarea unei parti a grauntelui cristalin, astfel incat partea deplasata are reteaua cristalina simetrica fata de zona ramasa fixa, in raport cu un plan de maclare (fig 9.1.b). In procesul deformarii plastice, maclarea este specifica metalelor cu putine sisteme de alunecare (HC. TVC) si are rolul de a orienta favorabil sistemele de alunecare fata de efort, pentru ca deformarea sa continue prin mecanismul alunecarii.

Alunecarea pe limita de graunte se manifesta la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare, cand dislocatiile si defectele punctiforme eliminate la limita de graunte o ingroasa si o fac capabila de deformare plastica.

Fluajul prin difuzie este activ peste temperatura de recristalizare, cand procesele de difuzie sunt suficient de intense, pentru a asigura migrarea atomilor din zonele comprimate spre zonele tractionate ale grauntelui cristalin.

Principalii factori de influenta a deformabilitatii plastice unui material policristalin sunt: natura, marimea, modul de distributie al constituentilor structurali, reteaua cristalina, puritatea, temperatura de deformare.

Astfel otelurile sunt aliaje deformabile plastic datorita prezentei la temperatura ambianta a feritei - solutie solida cu structura cristalina CVC si a faptului ca prin incalzire pot fi aduse in stare austenitica - solutie solida cu structura cristalina CFC (figura 9.3).

Precipitatele dure, grosiere, de cementita tertiara pe limita de graunte, prezenta incluziunilor nemetalice si cresterea granulatiei inrautatesc plasticitatea feritei. Plasticitatea austenitei scade la cresterea granulatiei, a continutului de carbon si elemente de aliere.

Perlita lamelara este un amestec mecanic ferita-cementita cu o plasticitate inferioara. Prin tratamentul termic de recoacere de globulizare se obtine perlita globulara mai deformabila plastic decat cea lamelara.

Cementita secundara dura si fragila micsoreaza deformabilitatea plastica a otelurilor hipereutectoide. La cresterea continutului de carbon creste rezistenta la deformare si scade plasticitatea otelurilor.

Comportarea la deformare plastica este influentata de temperatura. Din acest punct de vedere, deformarea plastica la rece si la cald.

Deformarea la rece se desfasoara la temperaturi inferioare temperaturii de recristalizare. Este insotita de ecruisare - stare caracterizata prin graunti cristalini alungiti, cresterea rezistentei la deformare plastica si scaderea plasticitatii. Ecruisarea este o consecinta a blocarii dislocatiilor la obstacole. Eliminarea starii de ecruisare se realizeaza in urma tratamentului termic de recoacere de recristalizare (incalzire deasupra temperaturii de recristalizare). Un material recristalizat are graunti poligonali si proprietatile mecanice anterioare deformarii plastice.

Temperatura de recristalizare depinde de compozitia chimica a aliajului si gradul de deformare plastica aplicat. Temperatura de recristalizare minima, (specifica gradelor mari de deformare plastica), se poate calcula cu relatia:

T_Rmin=0,4 T_S (K)

unde T_S este temperatura punctului solidus in K. La Fe T_Rmin este 450 C; la Pb este -33˚C.

La oteluri deformarea plastica la rece are loc la temperatura ambianta.

Se supun curent deformarii la rece semifabricate (table subtiri, benzi, sarma) din oteluri feritice avand sub 0,2%C. Otelurile cu >0,2%C pot fi supuse deformarii la rece, dupa ce au suferit o recoacere de globularizare a perlitei, respectiv a cementitei secundare la otelurile hipereutectoide.

Deformarea la cald are loc la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare. Viteza si temperatura de deformare permit producerea recristalizarii dinamice, concomitent si consecutiv deformarii. Nu apare starea de ecruisare, iar grauntii cristalini sunt echiaxiali.

Deformarea Pb la temperatura ambianta este o deformare la cald. Deformarea la cald a otelurilor are loc in intervalul 800-1200 C (figura 9.3), in domeniul de stabilitate al austenitei pentru otelurile hipoeutectoide si in domeniul bifazic A+Fe₃C_II la otelurile hipereutectoide. Se supun deformarii la cald semifabricatele masive (lingou, brama, tabla groasa) si cele usoare din otel cu carbon ridicat (>0,5%C) sau aliat, a caror structura nu permite deformarea la rece.

Descrierea lucrarii

Lucrarea are ca scop evidentierea mecanismului deformarii plastice, a aspectelor microstructurale din otelurile deformate la rece si la cald, precum si corelarea acestora cu proprietatile mecanice.

Mecanismul deformarii plastice

Se considera o tabla de 2 mm grosime din otel inoxidabil austenitic marca 10TiNiCr180 dupa indoire, lustruire si atac electrolitic in solutie 50% HNO3 la 1,5 V. Microstructura prezinta graunti de austenita maclati cu fascicule de linii de alunecare ce corespund intersectiei planelor de alunecare cu suprafata metalografica (fig 9.4a.). In macle se observa modificarea simetrica a planelor de alunecare, ca urmare a retelei cristaline rotite fata de restul grauntelui, cristalin. Alunecarea se opreste la limita de graunte. Intersectarea unor fascicule de linii de alunecare in cadrul aceluiasi graunte indica desfasurarea procesului de alunecare dupa mai multe sisteme de alunecare. Orientarea aleatorie a retelei cristaline a grauntilor vecini determina intrarea in deformare plastica numai a grauntilor a caror sisteme de alunecare au orientare favorabila fata de efortul tangential maxim creat de solicitare. Suprafata lustruita a unei probe metalografice din otel feritic electrotehnic, dupa presare usoara, prezinta linii de alunecare ondulate, specifice retelei CVC la care alunecarea are loc dupa mai multe sisteme de alunecare cu aceeasi directie de alunecare (fig 9.4b).

9.2.2 Deformarea plastica la rece

La deformarea la rece se produce alungirea grauntilor cristalini in directia de intindere.

Fazele fragile (cementita, incluziunile oxidice, silicatii exogeni, etc) se sfarama si se dispun in siruri pe directia de deformare, cele plastice (sulfuri, silicati endogeni) se alungesc. La cresterea gradului de deformare are loc alungirea tot mai pronuntata a grauntilor obtinandu-se o structura cu aspect fibros numita "fibraj de deformare plastica la rece". In fig 9.5 se prezinta microstructura unor table, din otel feritic de ambutisare, marca A3, laminate la rece cu diferite grade de deformare.

Cresterea granulatiei micsoreaza capacitatea de deformare plastica si determina aspectul "in coaja de portocala al suprafetei". De aceea la otelurile de ambutisare marca A3 granulatia feritica este limitata la punctaj 6-9.

Otelurile ferito-perlitice se deformeaza la rece cu grade mari de deformare, dupa aplicarea unei recoaceri de globulizare a perlitei. In fig 9.6a se prezinta o sectiune longitudinala printr-o sarma Æ8 mm din otel OLC45 dupa tragere cu reducere 60%.

In fig 9.7 se prezinta sectiunea longitudinala printr-un surub din otel OLC45 filetat prin presare la rece, care prezinta o puternica ecruisare a fundului si flancului filetului.

Asa cum reiese din fig 9.8, in procesul de prelucrare prin aschiere se produce ecruisarea superficiala a piesei si mai ales a aschiei.

9.2.3 Recristalizarea

La recristalizare are loc un proces de germinare si crestere a unor noi graunti cristalini echiacsi cu o densitate redusa de defecte de retea, plastici si cu rezistenta scazuta.

In figura 9.9a se prezinta structura otelului A3 recristalizat, alcatuita din graunti din ferita si cementita globulara fina, dispusa in siruri. Plasticitatea este inrautatita de formarea cementitei grosiere la limta grauntelui feritic (figura 9.9b) Cantitatea, marimea si modul de distributie al cementitei din otelul feritic se stabileste prin compararea imaginii la marire 500x, cu scarile etalon din STAS 7626-78.

Marimea grauntelui feritic variaza cu gradul de deformare plastica conform figurii 9.10, avand valoarea maxima pentru un grad de deformare critic.3-10% Aceasta influenta se evidentiaza la o proba cilindrica din otel OLC10 refulata si apoi recristalizata.Variatia gradului de deformare plastica pe inaltimea probei face ca granulatia sa fie maxima in zona de deformare cu gradul critic. Decarburarea la recristalizare produce cresterea granulatiei superficiale. Cresterea granulatiei micsoreaza capacitatea de deformare plastica si determina aspectul " in coaja de portocala" al suprafetei. Dea ceea otelurile de ambutisare (A3) au granulatia limitata la punctajul 6-9.

La otelul ferito-perlitic OLC45, recristalizarea la 650-700˚C conduce la o structura care contine graunti poliedrici de perlita globulara si ferita in retea (figura 9.6b)

9.2.4 Deformarea plastica la cald

Otelurile se deformeaza la cald in domeniul austenitic si sufera procese de recristalizare conform diagramei de echilibru Fe-Fe₃C.

In figura 9.11 se prezinta microstructura unor table laminate groase de 20mm din otel pentru cazane, marca K52, microaliat cu 0,05%Ti. Figura 9.11a corespunde zonei din apropierea suprafetei tablei, cu o structura ferito-perlitica fina, cu distributia neorientata a constituentilor.

La axa tablei, unde au segregat impuritatile (O, S, P, Si) sunt prezente incluziuni plastice sau fragile, care alungite sau sfaramate se distribuie in siruri dupa directia de laminare. Aceste incluziuni constitue suport pentru recristalizarea feritei. Se obtine o structura ferito-perlitica in siruri (figura 9.11b), care determina anizotropia proprietatilor mecanice. La grade mari de deformare plastica se inrautatesc pe directie transversala plasticitatea (A, Z) si tenacitatea (KCU, KV). Structura in siruri se evalueaza prin compararea imaginii marire 100x cu scarile etalon, din STAS 7626-78 si acordarea de punctaj.

Temperatura inalta de incalzire si deformare, favorizeaza interactiunea fierului si carbonului superficial cu mediul si aparitia stratului decarburat feritic si a unei pelicule de oxid de fier (figura 9.11c)

In conditiile unei temperaturi de sfarsit de laminare ridicate, se produce la recristalizare cresterea grauntilor de austenita. La racire se obtine o structura ferito-perlitica de supraincalzire cu granulatie grosiera. La otelul K52 nealiat cu Ti, supraincalzirea conduce la obtinerea unei structuri Widmannstatten, cu granulatie grosiera si separari aciculare de ferita in cadrul grauntelui perlitic (figura 9.11d). Aceste structuri de supraincalzire micsoreaza elasticitatea si tenacitatea otelului. Se pot remedia prin aplicarea unui tratament termic de normalizare. Structura Widmannstatten se evaluaeaza prin compararea imaginii, marire 100x, cu scarile etalon din STAS 7626-78 si acordarea de punctaj.

Conditii de lucru

Aparatura: microscop metalografic marire 200x si 500x, durimetru Brinell

Metoda de analiza: studiul structurii in camp luminos.

Probe metalografice: otel electrotehnic lustruit si deformat plastic, otel inoxidabil austenitic indoit, otel A3 si OLC45 ecruisat si recristalizat, otel K52 deformat plastic la cald.

Desfasurarea lucrarii

Se vor analiza probele metalografice pentru evidentierea mecanismului deformarii plastice prin alunecare, structura otelurilor deformate la rece si recristalizate si a otelurilor deformate la cald. Rezutatele analizei metalografice se vor centraliza tabelar: