Исследование текстуры и остаточных напряжений в проволоке из стали перлитного класса после комбинированной пластической деформации

многих сложных машин и конструкций. Непрерывно возрастающие требования к основным физико-механическим свойствам металлов и сплавов и их эксплуатационным характеристикам требуют не только создания новых материалов, но и разработки прогрессивных технологий производства изделий и полуфабрикатов уже существующих промышленных сплавов с улучшенными механическими свойствами, которые способствовали бы снижению материалоемкости изделий [1].

В этой связи активно развивается научное направление по созданию в сталях ультрамел-козернистой (УМЗ) структуры. Причем, наиболее эффективно измельчают структуру до УМЗ и даже наноструктурного состояний методы интенсивной пластической деформации (ИПД). Получение такого типа структуры позволяет в разы повышать прочностные характеристики металлических материалов, однако, несмотря на многочисленные разработки, современные способы ИПД обладают рядом существенных ограничений, прежде всего в аспекте непрерывности и производительности технологических схем [2]. Поэтому поиск высокопроизводительных схем формирования УМЗ структуры в металлах на базе традиционных процессов обработки металлов давлением (ОМД) является важным этапом для получения «объемных» длинномерных заготовок, пригодных для использования в машиностроении и строительстве [3–10].

В настоящее время коллективом ученых ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» разработан метод непрерывного деформационного наноструктурирования стальной проволоки [11, 12], который, с одной стороны, обеспечивает формирование УМЗ структуры, с другой – по своим техническим и технологическим характеристикам совместим с существующими процессами металлургического и метизного производств. Сущность метода состоит в одновременном наложении на непрерывно движущуюся проволоку деформации растяжения и сжатия волочением, деформации изгиба при прохождении через систему роликов и деформации кручения [13]. Волочение проволоки с одновременным знакопеременным изгибом металла и его вращением вокруг своей продольной оси в зоне между волоками позволяет обеспечить за цикл обработки значительные суммарные деформации. При этом благодаря большим сдвиговым деформациям в обрабатываемом металле формируется УМЗ структура с повышенными прочностными и пластическими свойствами.

Особенностям формирования УМЗ структуры и механических свойств углеродистой стальной проволоки при непрерывном деформационном наноструктурировании посвящено достаточно много публикаций [14–16]. Однако при этом отсутствуют исследования о текстурном состоянии проволоки. Вопросам тексту- рообразования в металлах в последнее время уделяется все большее внимание, так как при грамотном использовании данного явления существует резерв для повышения потребительских свойств продукции [17, 18]. Кроме того, следует учитывать наличие остаточных напряжений, формируемых в готовых изделиях после пластического деформирования, т.к. они с одной стороны могут ухудшать эксплуатационные свойства, с другой – являться весьма эффективным средством повышения многих характеристик металла (например, вибрационной и усталостной прочности) [1, 19, 20].

Целью настоящей работы является исследование текстуры, определение и анализ остаточных напряжений в проволоке из стали перлитного класса после различных схем комбинированного деформационного воздействия (волочения, знакопеременного изгиба, кручения).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования была выбрана углеродистая проволока из стали марки 50. Химический состав и механические свойства проволоки в исходном состоянии представлены в табл. 1 и 2.

В работе приведены результаты экспериментов с использованием установки (рис. 1), позволяющей реализовать на проволоке различные виды пластической деформации: растяжение волочением, знакопеременный изгиб и кручение [21].

Проволока с начальным диаметром 3,45 мм заправлялась в первую по ходу ее движения неподвижно закрепленную коническую волоку и далее направлялась в систему роликов, обеспечивающую знакопеременный изгиб проволоки. Далее проволока, имеющая после первой волоки диаметр 2,90 мм, поступала во вторую неподвижно закрепленную расположенную соосно с первой коническую волоку меньшего диаметра, после которой она имела диаметр 2,75 мм с последующим закреплением ее переднего конца в

Таблица 1. Химический состав (%) исследуемой стали

Марка стали	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
50	0,47 – 0,55	0,17 – 0,37	0,5 – 0,8	до 0,25	до 0,04	до 0,035	до 0,25	до 0,25	до 0,08

Таблица 2. Механические свойства проволоки в исходном состоянии

Временное сопротивление разрыву о в , МПа	Условный предел текучести о о,2 , МПа	Относительное удлинение 5, %	Относительное сужение V, %
988	706	8,92	60,26

Рис. 1. Принципиальная схема установки для деформационного наноструктурирования стальной проволоки

намоточном устройстве. После этого осуществлялся процесс последовательной комбинированной деформации металла волочением за счет тянущего усилия, создаваемого вращением намоточного устройства. При этом одновременно с деформацией волочением в зоне между волоками производилась дополнительная деформация сдвигом за счет вращения системы роликов вокруг продольной оси металла, обеспечивающей совместный знакопеременный изгиб металла и его вращение вокруг своей продольной оси. Причем в процессе последовательной деформации металла скорости его перемещения в осевом направлении и вращения вокруг своей продольной оси поддерживались постоянными. Процесс обработки производился при комнатной температуре со скоростью 0,06 м/с. При волочении использовалась волочильная смазка СВС-У. Диаметры роликов скручивающего блока были равны 90 мм. Расстояния между выходом из первой волоки до входа на ролик скручивающего блока и между выходом с ролика скручивающего блока до входа во вторую волоку были равны 330 мм и 250 мм соответственно. Скорость вращения преформатора принималась равной 50 и 150 об/мин. В табл. 3 приведены принятые для исследования режимы деформационной обработки.

Полученные таким образом образцы после различных видов деформационной обработки использовали для исследования текстуры, остаточных напряжений и механических свойств проволоки.

Текстура проволоки и остаточные напряжения были исследованы рентгеновским методом на дифрактометре SHIMADZU XRD-7000 с использованием К _α излучения хромового анода.

Образцы для рентгеноструктурного анализа готовили путем запрессовывания тесно уложенных проволочек длиной 15 мм (рис. 2). Это позволило увеличить полезную для анализа площадь и повысить точность измерения уровня остаточных напряжений и текстуры.

Рис. 2. Образец для рентгеноструктурного анализа

Таблица 3. Режимы комбинированной деформационной обработки

№ режима	Волочение	Изгиб	Кручение
	Маршрут	Диаметр роликов, мм	Скорость вращения, об/мин
1	3,45 ^ 2,90 ^ 2,75	отсутствует	отсутствует
2		90	отсутствует
3			50
4			150

При пластической деформации волочением кристаллиты вытягиваются и разворачиваются в направлении деформации, в результате чего возникает так называемая осевая или аксиальная текстура. Аксиальная текстура (неограниченная или текстура волочения) возникает, если определенные кристаллографические направления (ось текстуры) во всех зернах устанавливаются параллельно какому-либо внешнему направлению, для проволоки – это направление волочения. Все возможные варианты расположения кристаллической решетки в проволоке с аксиальной текстурой можно представить вращением одного кристалла вокруг направления, установленного вдоль оси ориентировки. В данном случае направление <111> (пространственная диагональ куба) совпадает с осью волочения. При этом нормали к плоскостям куба будут равномерно заполнять окружность на стереографической проекции. Это обстоятельство позволяет при определении преимущественной ориентировки на рентгеновском дифрактометре вести съемку образца без вращения, полагая, что в исследуемом объеме материала равновероятно наличие кристаллических плоскостей развернутых относительно оси текстуры на 360°. Для точного определения аксиальной текстуры необходимо исследовать дифракцию от плоскостей, имеющих как можно меньший коэффициент повторяемости в интервале углов от 0° до 70…75°. Поэтому в настоящем исследовании была выбрана плоскость (200), а угол менялся относительно оси волочения от -45° до +135°. Это реализовано с помощью последовательного исследования двух образцов: с плоскостью параллельной оси волочения (от 45 ° до 135 °) и перпендикулярной (от -45 ° до 45 °). В исследовании используется относительная интенсивность, для исключения влияния качества подготовки поверхности и площади, с которой снимается дифракционная картина. Значение относительной интенсивности – это отношение значения интенсивности от плоскости (200) к значению интенсивности фона при съемке. Анализ аксиальной текстуры проводили с помощью дифрактометрических кривых I(α).

Анализ напряжений осуществляли по линии (211) α -фазы (двойной угол дифракции 2 θ ≈ 156°). Толщина анализируемого слоя, дающая 90 % интенсивности дифрагированного пучка, составляла 16 мкм.

Микроискажения кристаллической решетки рассчитываются в программном пакете XRD: Stress Analysis, входящем в состав программного обеспечения рентгеновского дифрактометра, в котором прописаны необходимые коэффициенты для определения остаточных напряжений в α -железе.

Механические свойства проволоки исследовали по стандартным методикам ГОСТ 1044680, ГОСТ 9450-60 и ГОСТ Р 8.748-2011(ИСО 145771:2002).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образец после волочения («ВОЛ») имеет однокомпонентную текстуру <110> с небольшим углом рассеяния (порядка 10…15°) (рис. 3, а), а ось волочения совпадает с плоскостной диагональю куба (рис. 3, б).

После волочения с изгибом без кручения проволоки («0») наблюдается изменения в ее текстуре. Один из характерных минимумов интенсивности дифракции смещается с отметки 0° на отметку 15°, при этом один из характерных максимумов не меняет угол и остается на отметке 90° относительно оси волочения (рис. 4, а). Это свидетельствует о том, что изгиб вносит разориентировку между осью текстуры и кристаллографическим направлением <110> на 15° (рис. 4, б).

a

Рис. 3. Дифрактограмма (а) и графическое представление ориентировки кристаллической решетки (б) в образце после волочения

б

a

Рис. 4. Дифрактограмма (а) и графическое представление ориентировки кристаллической решетки (б) в образце после волочения изгиба

б

При этом степень текстурированности уменьшается: увеличивается угол рассеяния текстуры, увеличивается количество разориен-тированных кристаллитов (уменьшается разность интенсивностей между максимумами и минимумами на дифрактограмме).

Совместное воздействие волочения, изгиба и кручения со скоростью 50 об/мин («50») меняют характеристики текстуры. Характерный минимум интенсивности начинает обратное смещение с 15° и оказывается в районе 10°, при этом характерный максимум перпендикулярный оси волочения увеличивает свою ширину (рис. 5). Такие изменения говорят о начале смещении оси текстуры в сторону направления <111>.

Увеличение скорости кручения проволоки до 150 об/мин приводит к постепенному снижению текстурированности образца. Текстура увеличивает угол рассеяния до 20...25°, уменьшается разность между интенсивностью максимумов и минимумов на дифрактограмме (рис. 6).

Кроме этого происходит смещение оси текстуры в сторону кристаллографического направления <111>. Такое заключение можно сделать исходя из анализа максимумов на дифрактограм-ме: постепенно исчезает пик дифрагирующий при угле а = 90°; максимум, дифрагировавший только в волоченном образце при угле -45°, после изгиба и кручения смещается в сторону меньших углов. Это говорит о том, что текстура становится двухкомпонентной: <110> + <111> (рис. 7, а, б).

В результате деформационной обработки проволоки при температуре ниже температуры рекристаллизации формируется наклепанная структура, которая характеризуется высокой твердостью и значительными остаточными напряжениями, которые в зависимости от режима обработки могут либо увеличиться, либо снизиться при релаксации.

После волочения в проволоке формируются значительные сжимающие напряжения, действующие в радиальном направлении перпенди-

а

Рис. 5. Дифрактограмма (а) и графическое представление ориентировки кристаллической решетки (б) в образце после волочения, изгиба и кручения со скоростью 50 об/мин

б

Рис. 6. Дифрактограмма образца после волочения, изгиба и кручения со скоростью 150 об/мин

а

Рис. 7. Графическое представление двухкомпонентной текстуры: <110> (а) + <111> (б)

б

кулярно оси волочения. Значение этих напряжений составляет -405 МПа. В процессе волочения с изгибом остаточные напряжения снижаются до -453 МПа. Если к волочению и изгибу добавляется кручение со скоростью 50 об/мин, то это еще понижает уровень остаточных напряжений до -462 МПа. Дальнейшее увеличение скорости кручения проволоки до 150 об/мин меняет характер изменения остаточных напряжений: они резко увеличиваются до значения -288 МПа (рис. 8).

Механические свойства проволоки после комбинированной пластической деформации представлены в табл. 4.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

После волочения проволока имеет неблагоприятную текстуру. Кристаллическая решетка ориентирована преимущественно так, что наиболее плотноупакованная плоскость (110) перпендикулярна оси волочения. Поэтому деформация происходит по менее благоприятной плоскости (100), лежащей под углом в 45° к оси волочения. Это же обстоятельство является причиной столь высоких значений остаточных напряжений.

Волочение с изгибом приводит к смещению оси текстуры в сторону направления <100>. Однако уровень остаточных напряжений в направлении перпендикулярном оси волочения увеличивается, что говорит о сохранении неблагоприятной ориентировки кристаллитов.

Волочение с изгибом и кручением проволоки с различными скоростями приводит к изменению текстуры. Кристаллическая решетка меняет свою ориентацию таким образом, что часть кристаллитов ориентируются направлением <111> вдоль оси деформации. Процесс изменения текстуры проходит тем полнее, чем выше скорость вращения проволоки. Эта текстура наиболее предпочтительна для дислокационного скольжения, поэтому происходит интенсивное снижение остаточных напряжений в радиальном направлении.

Исследованные в настоящей работе зависимости хорошо коррелируются с полученными данными механических свойств образцов, таких как относительное удлинение и сужение, а также временное сопротивление и условный предел текучести. Показано, что с увеличением скорости вращения проволоки относительное сужение и удлинение проволоки увеличивается.

Рис. 8. Зависимость значения остаточных напряжений от режима деформационной обработки

Таблица 4. Механические свойства проволоки после различных режимов деформационной обработки

№ режима	Временное сопротивление разрыву о в , МПа	Условный предел текучести о о,2 , МПа	Относительное удлинение 8, %	Относительное сужение У, %
1	1434	1286	3,16	53,62
2	1440	1338	2,36	48,74
3	1406	1274	3,04	49,92
4	1382	1152	3,18	52,08

Это также подтверждает, что текстура является одним из решающих факторов в формировании механических свойств.

ВЫВОДЫ

В процессе волочения в проволоке формируется неблагоприятно ориентированная текстура, затрудняющая дислокационное скольжение и приводящая к увеличению прочностных свойств и затруднению релаксации напряжений.

Изгиб совместно с волочением не приводит к благоприятному изменению текстуры, при этом увеличивается значение остаточных напряжений.

Вращение проволоки в процессе волочения и изгиба приводит к формированию текстуры, при которой процесс дислокационного скольжения облегчается, поэтому происходит снижение уровня сжимающих остаточных напряжений.