Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

EFFECT OF TEMPERATURE ON MECHANICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STEEL SHEET

Pachurin G.V. 1
1 FGBOU VPO «Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseev»
Надежность металлоизделий наряду с конструктивными факторами в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, зависящих от их технологической обработки и температурных условий эксплуатации (южные, средние и северные широты). В процессе изготовления деталей большинство металлов и сплавов подвергаются различным видам и режимам технологической обработки, среди которых наиболее распространенным является пластическое деформирование. В автомобильной и других отраслях промышленности широко используются штампуемые листовые конструктивные малоуглеродистые стали. Однако сведения по влиянию видов и режимов их технологической обработки на механические свойства при различных температурах ограничены и разрозненны. В работе приводятся результаты исследования влияния степени объемной пластической деформации на механические свойства листовых конструкционных сталей и их сварных соединений при разных температурах. Установлено, что с увеличением степени предварительной деформации величины условного предела текучести и предела прочности материалов возрастают, а относительных сужения и удлинения – уменьшаются. Получены конкретные экспериментальные данные прочностных и механических свойств при разных эксплуатационных температурах некоторых широко применяемых в автомобильной и машиностроительной промышленности деформированных с разной степенью листовых сталей, позволяющие повысить точность оценки эксплуатационной надежности металлоизделий при снижении в ряде случаев их металлоемкости.
Reliability of metal along with structural factors largely determined by the structure and properties of materials, depending on their processing and temperature conditions (southern, middle and northern latitudes). In the process of manufacturing parts, most metals and alloys subjected to various types and modes of processing, among which the most common is plastic deformation. In the automotive and other industries widely used sheet metal formability design low-carbon steel. However, information on the influence of species and their modes of processing on the mechanical properties at different temperatures is limited and piecemeal. The paper presents results of investigation of the degree of bulk plastic deformation on the mechanical properties of the sheet of structural steels and their welded joints at different temperatures. Found that with increasing degree of pre-strain values yield strength and tensile strength of materials is increasing, and the relative contraction and elongation – reduced. Experimental data obtained specific strength and mechanical properties at different operating temperatures of some widely used in the automotive and engineering industries with varying degrees of deformed sheet steels that improve the estimation accuracy of operational reliability while reducing metal, in some cases, their metal content.
automotive sheet steel
operating temperature
hardening
the degree of deformation
microstructure
damage
fractography
strength
ductility
1. Vlasov V.A., Pachurin G.V., Guslyakova G.P. Corrosion fatigue strength plastic materials processed // Automotive industry. 1996, no. 8. pp. 24–25.
2. Pachurin G.V. Durability of stamped sheet materials in air and in a corrosive environment // Materials. 2003. no. 7. pp. 29–32.
3. Pachurin G.V. Durability forged constructional materials in air and in a corrosive environment // Provision of industrial manufacture. 2003. no. 10. pp. 21–27.
4. Pachurin G.V. Increased durability of sheet stampings of high-strength steels and alloys // CSE. OMD. 2003. no. 11. pp. 7–11.
5. Pachurin G.V. Durability in air and in a corrosive environment deformed steels // Metal Technology. 2004. no. 12. pp. 29–35.
6. Pachurin G.V. Increase the corrosion durability and operational reliability of products from strain- hardened metal materials. – N. Novgorod State Technical University, 2005. 132 p.
7. Pachurin G.V. Technology integrated study destruction of deformed metals and alloys under different loading conditions: studies. Benefit / G.V. Pachurin, A.N. Goushchin, K.G. Pachurin etc. N. Novgorod State Technical University, 2005. 139 p.
8. Pachurin G.V. Micromechanisms high fatigue and creep of metals and alloys: studies. Benefit / GV Pachurin, SM Shevchenko, VN Dubinsky and others – N. Novgorod State Technical University, 2006. 116 p.
9. Pachurin G.V. Durability plastically deformed stainless steels // Bulletin of mechanical engineering . 2012. no. 7. pp. 65–68.
10. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. 2008. no. 3. T. 38. pp. 217–220.

Надежность металлоизделий наряду с конструктивными факторами в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, зависящих от вида и режима их технологической обработки, а также температурными условиями эксплуатации (южные, средние и северные широты).

В автомобильной и машиностроительной промышленности широко используются штампуемые листовые конструктивные малоуглеродистые стали. Однако сведения по влиянию видов и режимов их технологической обработки на механические свойства при различных температурах ограничены и разрозненны [3, 8, 9].

Поэтому исследование влияния технологического пластического деформирования на изменение механических характеристик листовых сталей в области различных эксплуатационных температур является весьма актуальным.

Методика проведения исследований

С целью выполнения поставленной задачи в работе выбраны стали 08Ю, 08кп, 08пс, 08ГСЮТ, 07ГСЮФТ и сварные соединения из сталей 08 пс, 08 кп, 20 кп, 07ГСЮФ, 08ГCЮФ. Предварительная деформация осуществлялась при комнатной температуре растяжением образцов на универсальной разрывной машине УМЭ-10ТМ со скоростью деформации 2·10–3 с–1 (табл. 1). При этом осадке подвергался не весь образец, а только его участок в опасном сечении.

Испытания на статическое растяжение образцов проводились на разрывной машине ZD 10/90 со скоростью деформации 2·10–3 с–1. При этом записывалась диаграмма растяжения, начальные и конечные размеры образцов, определялись прочностные (σв, σ0,2) и пластические (δ, ψ) характеристики материалов в состоянии поставки и после технологической обработки. На каждую экспериментальную точку одновременно обрабатывалось по 4 образца.

Низкая температура (–50 °С) испытания обеспечивалась криостатом, который представляет собой открытый сосуд диаметром 70 мм и высотой 190 мм. В этот сосуд заливался ацетон, охлажденный до –50 °С путем добавления углекислой кислоты. Образец подвергался растяжению, находясь в жидкой среде. Температура измерялась при помощи ртутного термометра.

Повышенная температура (+70 °С) достигались в разъемной электропечи с открытой спиралью. Регулировка температуры осуществлялась трансформатором типа PH0-250-I0 с использованием термопары типа ХА и прибора для измерения температуры (МР-64-02, класс точности 1,5; ГОСТ 9736-68). Образец испытывался, находясь в печи, то есть в изотермических условиях.

По результатам статических испытаний строились кривые упрочнения в координатах lgσϊ (σϊ – истинное напряжение) – lgεϊ, (εϊ – истинная деформация), которые позволяют определить показатель степени А в уравнении кривой деформационного упрочнения [7] исследованных материалов в состоянии поставки и после технологической обработки

σϊ = σо.εϊА,

где σϊ – истинное напряжение течения при истинной деформации εϊ = lg(1 + δϊ), МПа;

σо – постоянная, равная истинному напряжению течения при εϊ = 1, МПа.

Изучение микроструктуры материалов образцов и фрактографический анализ их изломов проводились с помощью оптический компоратора «МИР-12», оптического «AKASHI» и электронного «Джеол Т-20» микроскопов.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 представлены результаты испытания при комнатной температуре предварительно пластически деформированных с разной степенью плоских образцов из листовых материалов.

Таблица 1

Механические свойства листовых материалов для различных режимов технологической обработки

Марка стали

Режим технологической обработки

σв, МПа

σ0,2, МПа

Ψ, %

δ, %

А

08кп

Холоднокатаная

390

256

84

41

0,16

Растяжение 2,5 %

375

190

83

40,7

0,20

Растяжение 11 %

377

174

81

40,6

0,22

Растяжение 15 %

394

192

78

29

0,24

Растяжение 17 %

400

182

79

21

0,22

Растяжение 21 %

407

190

77

10

0,20

07ГСЮФТ

Горячекатаная

440

306

48

18

0,16

Растяжение 5 %

471

433

44

14

0,12

Растяжение 17 %

545

532

33

3

0,11

Растяжение 29 %

547

532

30

1,6

0,02

08ГСЮТ

Горячекатаная

461

250

48

26

0,21

Растяжение 5 %

457

398

46

15

0,16

Растяжение 17 %

499

466

41

9

0,07

Растяжение 29 %

551

537

33

1

0,02

08Ю

Холоднокатаная

294

163

50

30

0,25

Растяжение 3 %

313

230

49

26

0,16

Растяжение 10 %

315

271

48

17

0,10

Растяжение 20 %

345

286

35

7

0,07

Растяжение 30 %

397

343

29

3

0,09

08пс

Холоднокатаная

370

285

70

20

0,18

Растяжение 4 %

390

340

69

14

0,06

Растяжение 8 %

415

400

63

4

0,02

Растяжение 17 %

455

445

63

4

0,02

20кп

Горячекатаная

437

319

48

23

0,18

Растяжение 9 %

534

530

49

5

0,02

Растяжение 22 %

602

599

48

4

0,02

Выявлено, что с ростом степени предварительной деформации (εпр.д) материалов их ycловный предел текучести σ0,2 и предел прочности σв возрастают, а показатели пластичности (относительные удлинение δ и сужение ψ) снижаются. Ранее было показано [1], что эта зависимость проявляется тем значительней, чем ниже энергия дефектов упаковки (э.д.у.) материала. При этом кривые упрочнения для каждого материала располагаются тем выше, чем больше степень их предварительной деформации [2, 4]. Зависимость «истинное напряжение – истинная деформация» предварительно деформированных металлических материалов иногда оказывается немонотонной, то есть кривые имеют перегиб. В этом случае показатели А1 и А2 характеризуют наклон кривой упрочнения соответственно до и после перегиба А1 < А2. Величина параметров А1 и A2 уменьшается с ростом степени предварительного растяжения. Из сопоставления кривых упрочнения для различных сплавов при равных относительных степенях предварительной деформации (εпр.д/εi где εi – истинная деформация до разрушения при статическом растяжении) следует, что их наклон возрастает с понижением энергии дефекта упаковки материала, где э.д.у. (Дж/м2). Эта зависимость особенно выражена в области малых степеней предварительной деформации.

Микроструктура стали 20кп на уровне зеренного представления (увеличение хЗ00) практически одинаковая как у исходных, так и у деформированных образцов. При этом увеличение степени предварительного наклёпа от 0 до 17 % обусловливает повышение прочностных характеристик σт, σ0,2 и σв и понижение характеристик пластичности δ, ψ и δР.

Исходная микроструктура сталей 08кп, 08ГСЮТ и 08ГСЮФТ состоит преимущественно из зёрен феррита и небольшого количества перлита для 08кп, а также карбидных включений для 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ [4]. Размер зерна феррита сталей 08кп и 08ГСЮТ равен 10…30 мкм, а для стали 07ГСЮФТ – 20…40 мкм.

Микрофрактограммы поверхностей разрыва при растяжении листовых образцов из сталей 07ГСЮФТ, 08кп и 08ГСЮТ свидетельствуют о вязком характере разрушения [5]. В изломе сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ чётко видны карбидные частицы (размером ≈ 4 мкм), расположенные преимущественно в ямках поверхности разрыва.

Результаты испытания на статическое растяжение плоских образцов со сварным швом показали, что околошовная зона (зона термического влияния) образцов после различных режимов предварительной пластической обработки деформируется одинаково с обеих сторон шва с образованием подобных шеек, а кривые упрочнения для обеих околошовных зон совпадают.

Результаты на статическое растяжение при разных температурах цельных и сварных образцов исследованных стальных материалов приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Механические свойства листовой стали 08пс при разных температурах для различных режимов технологической обработки

Температура испытания, °С

Степень предварительной деформации, %

σт, МПа

σ0,2, MПа

σв, MПа

δ, %

ψ, %

δр, %

A1/A2

20

0

265

285

370

29

70

20

0,02/0,18

4

320

340

390

19

69

14

0,06

8

385

400

415

11

63

4

0,02

17

405

445

455

6

61

0,7

0,02

70

0

240

260

345

27

71

17

0,03/0,17

4

300

320

355

18

70

14

0,05

8

375

400

410

7

59

1,5

0,02

17

405

450

460

6

58

0,8

0,02

–50

0

345

400

470

25

65

20

0,01/0,17

4

330

395

475

22

58

15

0,05

9

480

505

520

9

52

3

0,01

18

500

565

579

9

50

0,3

0,01

Из анализа кривых деформационного упрочнения сваренных листовых образцов из сталей 20кп, 08кп, 08ГСЮТ 07ГСЮФТ [6] следует, что критическая степень деформации, соответствующая перелому кривых, составляет ~ 2–5 %. По окончании этой стадии начинается интенсивное упрочнение с высоким значением величины показателя А. Исходя из представления, что в общем случае кривые деформационного упрочнения имеют сигмообразный (_/¯) вид с тремя стадиями упрочнения, можно кривые упрочнения предварительно деформированных образцов отнести к третьей стадии затухающего, предшествующего разрушению, упрочнения с низким показателем А.

С ростом температуры испытания от –50 до + 70°С стали 08пс параметры прочности σт, σ0,2, σв уменьшаются, а пластичности ψ – увеличиваются. При этом возрастание степени предварительной деформации εпр.д до 17…18 % обусловливает повышение прочностных и понижение пластических характеристик во всем вышеуказанном диапазоне температур статического нагружения.

Величина показателя А2 у кривых деформационного упрочнения образцов из стали 08пс при температурах + 70 и –50 °С несколько ниже, чем при комнатной температуре. Однако для всех температур с ростом степени предварительной деформации εпр.д А существенно уменьшается, особенно при –50 °С.

Таблица 3

Механические свойства сварных стальных листовых образцов при разных температурах

Марка стали

Температура, °С

σ0,2, МПа

σв, МПа

dк, %

Y, %

dр, %

A1/A2

08кп

20

170

380

19

79

16

0,23

70

205

355

24

77

18

0,06/0,21

–50

315

420

25

76

22

0,06/0,22

08ГСЮФ

20

215

485

16

75

14

0,22

70

285

450

19

70

16

0,06/0,22

–50

435

525

22

78

18

0,04/0,22

07ГСЮФ

20

220

345

13

74

10

0,11/0,19

70

235

345

20

79

15

0,06/0,19

–50

310

440

21

77

15

0,10/0,16

08пс

20

285

370

29

70

20

0,02/0,18

70

260

345

27

71

17

0,03/0,17

–50

400

470

25

65

20

0,01/0,17

20кп

20

290

417

18

52

11,5

0,04/0,16

70

266

410

17

51

14

0,12/0,16

–50

580

601

5

55

2.5

0,03

Деформационное поведение сварных образцов из сталей 08кп и 08ГСЮТ характеризуется примерно одинаковым (0,23 и 0,22 соответственно) показателем А2, у стали 07ГСЮФТ он ниже (0,16…0,19). При этом если у первых двух сталей перелома на кривых упрочнения практически нет, то у стали 07ГСЮФТ он явно выражен, и первая стадия деформации у неё имеет довольно значительную протяженность (~ 5 %).

При исследованных температурах испытания –50, 20, и 70 °С у предварительно растянутых образцов из стали 20кп пределы текучести σ0,2 и σт и прочности σв выше, а относительные удлинение δк (до разрушения) и δр (равномерное) ниже, чем у образцов в исходном состоянии, хотя относительное сужение ψк и предел прочности до разрушения σк практически остаются постоянными.

Охлаждение до –50 °С увеличивает прочностные характеристики при сохранении пластичности стали 20кп (на уровне 20 °С), что свидетельствует об отсутствии ее охрупчивания при этих температурах.

Анализ кривых деформационного упрочнения стали 20кп и ее сварных соединений при вышеуказанных температурах показал, что при растяжении цельных и сварных образцов, предварительно деформированных до одной и той же степени (17…18 %), относительное удлинение (равномерное δр и общее δк) при –50 °С значительно выше, чем при 70 °С. Это может быть обусловлено различием атомных механизмов, контролирующих пластическую деформацию. Так, при –50 °C усиливается влияние поперечного скольжения винтовых дислокаций по сравнению с движением краевых дислокаций, что обеспечивает некоторое повышение пластичности стали 20кп.

При растяжении исходных (предварительно не деформированных) образцов (εпр.д. = 0 %) в начале наблюдается стадия инкубационного деформирования (ε @ 1…2 %) с низким значением показателя А1, а затем начинается интенсивное упрочнение с высоким значением А2. С понижением температуры испытания продолжительность стадии инкубационного упрочнения увеличивается, что отражается на величине общего и равномерного удлинения.

Величина показателя упрочнения А наклепанных образцов из стали 20кп при всех исследованных температурах практически одинакова А = 0,02, в то время как при растяжении исходных цельных и сварных образцов для температур 70 и –50 °С показатель А несколько ниже, чем при 20 °С.

Микроструктура стали 20 кп, деформированной при 20, 70 и –50 °С, практически не изменяется.

У сварных образцов из стали 08ГСЮТ наблюдаются более высокие прочностные свойства σв и σ0,2 по сравнению со сталями 08кп и 07ГСЮФТ, у которых они практически одинаковые. Более высокая пластичность у стали 08кп, у сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ параметры δ и δр примерно одинаковы, a ψ различается незначительно [10].

Из анализа кривых деформационного упрочнения при 20, 70 и –50 °С сваренных встык образцов из сталей 08кп, 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ следует, что критическая степень деформации, соответствующая перелому кривых, составляет ~ 2…5 %. У сталей 08кп и 08ГСЮТ показатель А2 выше (0,23 и 0,22 соответственно), чем у стали 07ГСЮФТ (0,16…0,19).

Исходная микроструктура листовых сталей 08кп, 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ состоит преимущественно из зерен феррита и небольшого количества перлита для 08кп, а также с карбидными включениями у стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮТ. Размер зерна феррита стали 07ГСЮФТ равен 20…40 мкм, а сталей 08кп и 08ГСЮТ – 10…30 мкм.

Структура листовой стали 08пс преимущественно состоит из зерен α-твердого раствора, которые в результате пластической деформации получают определенную вытянутость, что отражается на повышении в связи с этим прочностных характеристик и снижении показателя упрочнения.

Как и в случае ферритной, в ферритно-перлитных сталях 08кп, 07ГСЮФТ и 08ГСЮT с величиной зерна 10…40 мкм происходит внутризеренное, относящееся к разным системам, неоднородное скольжение, отличительной особенностью которого является наличие следов механизмов пересечения и поперечного скольжения. С увеличением степени деформации скольжение становится множественным, а плотность следов скольжения возрастает. Момент появления микротрещин и последующее разрушение обусловливаются сдвиговыми актами внутри зерен феррита в условиях сильно развитого множественного скольжения. Стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮT имеют карбидные включения, которые препятствуют движению дислокаций при пластическом деформировании и с ростом степени деформации повышают прочностные характеристики. Однако они являются также источниками образования микротрещин при растяжении.

Фотографии поверхностей разрыва при растяжении образцов из сталей 07ГСЮФТ, 08кп и 08ГСЮТ, испытанных при 20, 70 и –50 °С, свидетельствуют о вязком характере разрушения. Марка стали и температура испытания практически не изменяют морфологию поверхности разрыва образцов. При этом в изломе сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ четко наблюдаются карбидные частицы размером около 4 мкм, расположенные преимущественно в ямках поверхности разрыва.

Выводы

1. Установлено, что влияние степени предварительной деформации исследованных материалов на их механические характеристики зависит от температуры испытания.

2. С увеличением степени предварительной деформации величины условного предела текучести и предела прочности материалов возрастают, а относительных сужения и удлинения – уменьшаются. При этом кривые упрочнения располагаются выше и становятся положе.

3. С понижением температуры испытания сталей величина показателей прочности (σв и σ0,2), как правило, возрастает, а показателей пластичности (δ и ψ) – уменьшается. Эта закономерность усиливается по мере увеличения степени предварительного пластического деформирования образцов.

4. Более высокие значения параметров пластичности ферритной стали 08кп характеризуют ее лучшую штампуемость по сравнению с низколегированными сталями 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ, что имеет место на практике.

5. Получены конкретные экспериментальные данные прочностных и механических свойств при разных эксплуатационных температурах некоторых широко применяемых в автомобильной и машиностроительной промышленности деформированных с разной степенью листовых сталей, позволяющие повысить точность оценки эксплуатационной надежности металлоизделий при снижении в ряде случаев их металлоемкости.

Рецензенты:

Лоскутов А.Б., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение и электроэнергетика» (ЭСиЭ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород;

Кузьмин Н.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автомобильный транспорт», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 27.01.2014.