Studium vlivu válcování za studena a žíhání na mikrostrukturu a mechanické vlastností pásů z vybraných HSLA ocelí

Abstract

Disertační práce je zaměřena na studium mikrostrukturních změn a jejich účinků na výsledné mechanické vlastnosti pásů z vybraných mikrolegovaných ocelí po válcování za studena a žíhání za účelem návrhu, doporučení či optimalizace podmínek zpracování daného sortimentu ve válcovnách pásů za studena. Vzorky mikrolegovaných ocelí ve formě pásků s rozměry cca 4 x 25 x 400 mm byly víceprůchodovým válcováním podrobeny relativní výškové deformaci 5 – 75 %. Jednotlivé deformace byly realizovány za pokojové teploty na hydraulicky předepjaté laboratorní stolici. Následně byly vybrané vývalky žíhány ve vakuové peci v ochranné atmosféře směsného plynu (H2 + N2). U takto vyžíhaných vzorků, podobně jako u vzorků deformačně zpevněných (se strukturou po válcování za studena) byly tahovou zkouškou za pokojové teploty zjišťovány mechanické vlastnosti. Zjištěné hodnoty, tedy mez kluzu, pevnost, jejich poměr vyjádřený stejně jako tažnost v procentech a ve vybraných případech tvrdost byly sumarizovány pomocí grafů v závislosti na relativní výškové deformaci za studena. S využitím klasické optické mikroskopie a ve vybraných případech elektronové mikroskopie byly diskutovány příčiny vývoje zjišťovaných mechanických vlastností. Experiment jasně prokázal, že vhodnou volbou parametrů deformace za studena a následného rekrystalizačního žíhání lze účinně ovlivňovat komplex mechanických vlastností zkoumaných ocelí. Pevnostní vlastnosti je možné v průměru měnit v intervalu cca 330 MPa a vlastnosti plastické v rozmezí přibližně 16 %. Maximálních pevnostních a minimálních plastických hodnot bylo dosahováno u režimu s nejnižší aplikovanou teplotou žíhání po deformacích, které v materiálu nejsou schopny akumulovat dostatečné množství energie pro následující průběh rekrystalizace. Naopak relativně vysokých hodnot plastických vlastností je dosahováno u režimu s nejvyšší aplikovanou teplotou žíhání. Na základě strukturních rozborů mohly být diskutovány příčiny vývoje sledovaných vlastností. Potvrdilo se, že válcování za studena spolu s aplikovanými žíhacími režimy významným způsobem ovlivňuje nejen charakter výsledných feritických zrn, ale rovněž distribuci, velikost a tvar precipitátů. Ty ve většině případů účinkem deformace za studena během následujícího žíhání hrubly, což se projevovalo poklesem jejich plošné hustoty a ve vybraných případech i změnou morfologie. Především u oceli S500MC byl prokázán také výskyt precipitátů nových, které v matrici ve stavu po válcování za tepla přítomny nebyly. Vzhledem k tomu, že u oceli S460MC s velmi podobným chemickým složením nebyl výskyt nově vznikajících precipitátů v takovém měřítku zaznamenán, lze konstatovat, že možnost vzniku nových částic je spjata nejen s aplikovaným stupněm deformace za studena v kombinaci s vhodným režimem žíhání, ale rovněž s historií procesu válcování za tepla. Na základě provedených experimentů se jeví, že dominantním mechanismem ovlivňujícím výsledné vlastnosti je deformační zpevňování kovu v kombinaci s rekrystalizací. Proces disperzního zpevnění může jen částečně kompenzovat odpevňující účinek rekrystalizace a zmírnit intenzitu poklesu pevnostních vlastností žíháním. U všech tří studovaných ocelí byly matematicky popsány křivky zpevnění pro maximální aplikovanou relativní výškovou deformaci až 75 %, ovlivněné výchozí strukturou po válcování za tepla nebo po deformaci za studena v kombinaci s rekrystalizačním žíháním při teplotě 650 °C. Statistickými metodami bylo zjištěno, že studované oceli S420MC a S460MC lze v provozních podmínkách při vhodné volbě parametrů zpracovat do tří značek pásových ocelí určených k následujícímu tváření za studena (dle ČSN EN 10268). Získané výsledky mohou najít reálné uplatnění při optimalizaci podmínek tepelného zpracování zkoumaných mikrolegovaných ocelí ve válcovnách pásů za studena. Z teoretického pohledu jsou zajímavé poznatky o účinku deformace za studena v kombinaci s žíháním na charakter precipitátů, což představuje oblast zatím zmapovanou jen sporadicky.

The PhD thesis is focused on the study of microstructural changes and their effects on the resulting mechanical properties of selected strips from microalloyed steels after cold rolling and annealing with purpose for the design, optimization and recommendations of processing conditions in cold strip rolling mills. Samples of micro-alloyed steels in the form of strips with dimensions of approximately 4 x 25 x 400 mm were in multiple passes rolled in the range of relative height reduction 5 to 75 %. Particular strains were realized at room temperature in the hydraulically prestressed laboratory mill. Afterwards the laboratory mill products were annealed in the vacuum furnace with the protective gas atmosphere consisting of N2+H2. The annealed samples, as well as the work-hardened samples (with the cold rolled structure) were tensile tested at room temperature to gain mechanical properties. The obtained results - yield strength, ultimate tensile strength and their ratio expressed as well as elongation in percentage and in selected cases hardness were summarized were summarized in dependence on cold deformation before annealing. Using conventional optical microscopy and in selected cases electron microscopy the cause of mechanical properties development were discussed. The experiment clearly proved that the appropriate option of parameters of cold deformation and subsequent recrystallization annealing can effectively influence the complex of mechanical properties of investigated steels. Strength properties may be influenced in an average interval of about 330 MPa and plastic properties in the range of approximately 16 %. Maximum strength and minimum of plastic values was achieved at mode with the lowest applied annealing temperature after deformations which in the material are unable to accumulate enough energy for the next course of recrystallization. On the contrary, relatively high values of plastic properties are achieved by mode with the highest applied annealing temperature. Based on structural analysis the causes of mechanical properties development could be discussed. It was confirmed that the cold rolling in combination with the applied annealing modes significantly affects not only the resulting ferrite grains character, but also distribution, size and shape of precipitates. Those in most cases, effect of cold deformation during subsequent annealing grew, which reflected a decrease in their surface density and, in selected cases, changing the morphology. Especially in the case of steel S500MC was also showed the occurrence of new precipitates, which in the matrix in the state after hot rolling were not present. Given that the steel S460MC with very similar chemical composition was not the occurrence of emerging precipitates in the scale observed, it can be stated that the availability of new particles is associated not only with the applied degree of cold deformation in combination with a suitable annealing schedule, but also with history of the hot rolling process. On the basis of conducted experiments it may be said that a microstructural mechanism which affects in a dominant way the resulting mechanical properties is the mechanism of strain hardening of the metal, in combination with softening caused by recrystallization. Process of dispersion strengthening can partly compensate the softening effect of recrystallization (i.e. subdue the intensity of fall in strength properties) For all three studied steels the mathematical description of hardening curves for maximum height relative deformation applied to 75 %, influenced by the initial state of structure after hot or cold deformation in combination with recrystallization annealing at 650 ° C was performed. Based on the statistical methods was found that the studied steels S420MC and S460MC can be in operating conditions through the appropriate choice of used parameters treated to the three grades of strips steels designated for subsequent cold forming (according to EN 10268). The obtained results may find applications in real conditions during optimization of heat treatment investigated microalloyed steels in cold strip rolling mills. From a theoretical point of view are interesting findings of the effect of cold deformation in combination with annealing to the character of precipitates, which is area currently mapped only sporadically.