MIKROSTRUKTURA I W A CIWO CI EKSPERYMENTALNYCH STALI KONSTRUKCYJNYCH Fe-0,1%C-1,4%Mn-(4 8%Al) PO WALCOWANIU NA GOR CO

Prace IM 2 (2014) 13 Mariusz ADAMCZYK, Bogdan GARBARZ Instytut Metalurgii elaza MIKROSTRUKTURA I W A CIWO CI EKSPERYMENTALNYCH STALI KONSTRUKCYJNYCH Fe-0,1%C-1,4%Mn-(4 8%Al) PO WALCOWANIU NA GOR CO W artykule przedstawiono wyniki eksperymentów walcowania na gor co niskow glowych stali konstrukcyjnych Fe-0,1%C-1,4%Mn-(4 8%Al) zawieraj cych jako g ówny dodatek stopowy glin oraz mikrododatki V i Ti. Zbadano wp yw zawarto ci glinu oraz parametrów odkszta cenia na mikrostruktur oraz na w a ciwo ci wytrzyma o ciowe i plastyczno badanych materia ów. Przeprowadzone badania wykaza y, i odkszta cenie plastyczne prowadzi do silnego wyd u enia ziarn osnowy ferrytycznej oraz produktów przemiany austenitu w kierunku p yni cia plastycznego materia u. W zastosowanych warunkach eksperymentalnych nie stwierdzono wyst powania procesu odbudowy mikrostruktury w wyniku rekrystalizacji osnowy ferrytycznej. Najkorzystniejszymi w a ciwo ciami mechanicznymi charakteryzuje si stal zawieraj ca 4% glinu (R e = 380 MPa, R m = 500 MPa, A 5 = 23%). Stale z glinem 6% charakteryzuj si ni sz plastyczno ci, wynikaj c z gruboziarnistej struktury ferrytu oraz obecno ci na granicach ziarn cz stek stopowej fazy w glikowej bogatej w glin. S owa kluczowe: stal konstrukcyjna z glinem, walcowanie na gor co, mikrostruktura, w a ciwo ci mechaniczne MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF EXPERIMENTAL STRUCTURAL STEELS Fe-0.1%C-1.4%Mn-(4 8%Al) AFTER HOT ROLLING This article presents results of hot rolling experiments on low-carbon constructional steels Fe-0.1%C-1.4%Mn- (4 8%Al) containing aluminium as the main alloying addition and micro-additions of V and Ti. The effect of aluminium content and strain parameters on microstructure and on strength properties and plasticity of the examined materials was tested. The tests revealed that plastic strain resulted in strong elongation of grains of the ferritic matrix and products of austenite transformation towards plastic ß ow of the material. Under the applied experimental conditions, no microstructure reconstruction due to recrystallisation of ferritic matrix was found. The most favourable mechanical properties occur in steel containing 4% of aluminium (R e = 380 MPa, R m = 500 MPa, A 5 = 23%). Steels with aluminium 6% are characterised by lower plasticity resulting from coarse-grained ferrite structure and the existence of particles of alloying Al-rich carbide phase at grain boundaries. Key words: structural steel with aluminum, hot rolling, microstructure, mechanical properties 1. WPROWADZENIE Materia y konstrukcyjne powinny charakteryzowa si m.in. korzystnym stosunkiem wytrzyma o ci do ci - aru w a ciwego, odpowiedni odporno ci korozyjn w rodowisku ich eksploatowania oraz akceptowalnym kosztem wytwarzania. Jedn z grup materia ów konstrukcyjnych nowej generacji s stale na bazie Fe-Al, dla których mo liwe jest uzyskanie unikatowych w a- ciwo ci technologicznych i u ytkowych, nieosi galnych w przypadku klasycznych gatunków stali konstrukcyjnych w glowych i niskostopowych. Wynikiem obecno ci atomów Al w sieci Fe- jest du y stopie umocnienia roztworowego, wp ywaj cego na wzrost w a ciwo ci mechanicznych stali [1]. W pracy [2] wykazano, i umocnienie polikrystalicznego ferrytu atomami glinu wynosi oko o 40 MPa na 1% masowy Al. Autorzy publikacji [3] wskazuj, i dodatek Al w ilo- ci powy ej 5% masowych podnosi znacz co odporno na wysokotemperaturowe utlenianie stali w powietrzu. Wyroby wytwarzane ze stopów elaza z glinem charakteryzuj si równie podwy szon odporno ci korozyjn w okre lonych rodowiskach, w tym na dzia- anie agresywnej atmosfery zawieraj cej jony chloru (np. wilgotnej atmosfery nadmorskiej) [4]. Dodatkow korzy ci wynikaj c z obecno ci glinu jest obni enie g sto ci stali, przy jednoczesnym podwy szeniu w a ciwo ci wytrzyma o ciowych w stosunku do klasycznych gatunków stali [5]. W pracy [6] wykazano m.in., i zastosowanie w stali dodatku glinu ogranicza szkodliwe dzia anie Cu i Sn na jako powierzchni wyrobów stalowych. G boko i intensywno ci p kni wzd u granic ziarn, wywo anych tworzeniem si w streþ e utleniania ciek ej fazy na osnowie Cu, zmniejsza si istotnie w stali zawieraj cej 1% Al, a zawarto glinu powy ej 4% ca kowicie

14 Mariusz Adamczyk, Bogdan Garbarz Prace IM 2 (2014) zapobiega powstawaniu tych wad. Stwierdzono, i wytwarzanie wyrobów ze stali z dodatkiem Al mo e przyczyni si do zwi kszenia efektywno ci wykorzystania z omu zawieraj cego glin i nieutleniaj ce si pierwiastki metaliczne (Cu, Sn, As, Sb). W pracach [7, 8] opracowano szczegó ow charakterystyk przemian fazowych jakie zachodz w stalach z uk adu Fe-0,1%C-(0 8%Al)+(1,4%Mn) w trakcie obróbki cieplnej w zakresie temperatury 700 1300 C. Wykazano m.in., i w przypadku stali zawieraj cych 0,1% C i powy ej ~1,8% masowego glinu, w trakcie nagrzewania nast puje tylko cz ciowa przemiana fazowa. Stale zawieraj ce glin w ilo ci 2 8% w zakresie temperatury pomi dzy A 1 a temperatur powstawania ferrytu wysokotemperaturowego posiadaj struktur dwufazow ferrytyczno-austenityczn. W zwi zku z tym istnieje ograniczona mo liwo podwy szenia w a ciwo ci mechanicznych i plastyczno ci tych stali metod rozdrobnienia struktury wywo anej przemian fazow. W szczególno ci dotyczy to stali o zawarto ci glinu >5%, dla których udzia obj to ciowy austenitu w strukturze wynosi od kilku do kilkunastu procent. Wzrost zawarto ci glinu w badanych stalach powoduje równie zmiany rodzaju i morfologii wyst puj cych w strukturze w glików. Dla zawarto ci glinu poni ej 5% g ównym rodzajem w glika wyst puj cego w strukturze jest cementyt, który wydziela si w trakcie ch odzenia z austenitu. Wy sza zawarto ci glinu ni 5% wp ywa na wzrost udzia u w glikowej fazy typu Fe 3 AlC 0,5. Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono, i w a ciwo ci stali z glinem kszta towa mo na g ównie przez zastosowanie odpowiednio dobranych parametrów odkszta cenia plastycznego na gor co (temperatury oraz wielko odkszta cenia) i towarzysz cych odkszta ceniu procesów zdrowienia i rekrystalizacji osnowy ferrytycznej oraz w wyniku przemiany fazowej wysp austenitycznych podczas ch odzenia po odkszta ceniu. W literaturze brak doniesie dotycz cych w a ciwo ci i struktury stopów elaza z glinem o sk adzie chemicznym zbli onym do stali Fe-0,1%C-1,4%Mn- (4 8%Al) b d cych przedmiotem bada w niniejszej pracy. Wi kszo publikacji na temat stopów z uk adu Fe-Al-C dotyczy materia ów przeznaczonych do eksploatacji w podwy szonej temperaturze, zawieraj cych powy ej 8% glinu. Analiza literaturowa wskazuje, i dotychczasowe badania w zakresie struktury i w a ciwo ci mechanicznych stali konstrukcyjnych z Al dotyczy y g ównie gatunków ultraniskow glowych o zawarto ci C poni ej 150 ppm i 6% glinu [5, 10] oraz stali rednio- i wysokow glowych zawieraj cych glin w ilo ci oko o 7 12% [11 13], w których w sk adzie chemicznym poza pierwiastkami C i Al wyst puj w ró nej ilo ci dodatki stopowe: Mn, Cr, Si, Mo, Ti, Nb, V, B, Ta. Z uwagi na ró ne metody wyznaczania w a ciwo ci mechanicznych (rozci ganie, ciskanie) oraz stosowanie w eksperymentach niestandardowych próbek wytrzyma o ciowych, analiza porównawcza wyników przedstawionych w wymienionych pracach jest utrudniona. Przedstawione rezultaty wskazuj jednak, i zawarto w gla oraz poszczególnych pierwiastków w stopach Fe-Al-C wp ywa istotnie na rodzaj struktury i osi gany poziom w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i plastyczno ci tych materia ów. Celem przedstawionych w artykule bada by o okre- lenie wp ywu dodatku stopowego glinu w zakresie 4 8% masowych na rodzaj i morfologi sk adników strukturalnych wyst puj cych w eksperymentalnych niskow glowych stalach Fe-0,1%C-1,4%Mn-(4 8%Al) po odkszta ceniu plastycznym na gor co metod walcowania. Eksperymenty walcowania p askowników pozwoli y na wst pn ocen w a ciwo ci mechanicznych stali z glinem oraz na zbadanie podatno ci na odkszta cenie plastyczne na gor co tych materia ów. 2. MATERIA I METODYKA BADA Materia do bada wytopiono i odlano w IM w postaci wlewków o masie wytopu ~70 kg w indukcyjnym piecu pró niowym VSG-100S. Wlewki odlano w atmosferze argonu do wlewnicy o wymiarach wewn trznych: 60 150 1020 mm lub do wlewnicy o wymiarach wewn trznych 125/ 135 690 mm. Sk ady chemiczne eksperymentalnych stali podano w tabeli 1. Stale charakteryzuj si zawarto ci podstawowych pierwiastków na poziomie 0,1%C, 1,40%Mn, 0,15%Si, cechuj si zbli on zawarto ci pierwiastków domieszkowych oraz zwieraj glin w ilo ciach oko o 4, 6, 7 i 8% masowych. Badane stale zawieraj ponadto mikrododatki 0,1% V i 0,01% Ti. Wlewki eksperymentalnych stali po odlaniu poddano obróbce ujednorodniaj cej w temperaturze 1200 C w czasie 18 godz., a nast pnie przekuto i przewalcowano wst pnie na p askowniki o wymiarach 23 160 500 mm. Przygotowane w ten sposób p askowniki stanowi y materia badawczy do prób walcowania na gor co. Eksperymenty walcowania p askowników przeprowadzono w IM w linii walcowniczej LPS/modu B [9]. Linia LPS z o ona jest z zespo u walcowniczego jednoklatkowego nawrotnego do walcowania na gor co blach arkuszowych i pr tów oraz wyposa ona jest w urz dzenia do nagrzewania i prowadzenia procesu walcowania w zakresie wysokotemperaturowym, niskotemperaturowym i z obróbk cieplno-plastyczn oraz regulowanego ch odzenia po walcowaniu. Urz dzenie LPS wyposa one jest w aparatur do pomiaru i rejestracji podstawowych parametrów walcowania. Badania mikrostrukturalne wykonano z zastosowaniem techniki mikroskopii wietlnej w zakresie powi ksze od 50 1000 oraz przy u yciu skaningowe- Tabela 1. Sk ad chemiczny eksperymentalnych stali Table 1. Chemical composition of experimental steels Lp. Oznaczenie stali Zawarto ci pierwiastków w % masowych w ppm C Mn Si P S Al Cu Sn V Ti N O 1 A4 0,10 1,36 0,15 0,009 0,008 3,95 0,019 0,006 0,095 0,010 27 5 2 A6 0,09 1,37 0,13 0,009 0,006 6,28 0,018 0,006 0,095 0,010 25 4 3 A7 0,11 1,34 0,12 0,006 0,008 7,20 0,021 0,006 0,094 0,013 24 3 4 A8 0,11 1,39 0,19 0,008 0,007 8,25 0,017 0,008 0,099 0,010 19 3

Prace IM 2 (2014) Mikrostruktura i w a ciwo ci eksperymentalnych stali konstrukcyjnych... 15 go mikroskopu elektronowego Inspect F. Mikroskop skaningowy wyposa ony jest m.in. w detektory EDS i WDS, za pomoc których mo liwa jest analiza sk adu chemicznego materia ów w mikroobszarach. 3. WYNIKI BADA Zestawienie parametrów prób walcowania eksperymentalnych stali w linii LPS/modu B podano w tabeli 2. Próby walcowania dla ka dego materia u zrealizowano wg dwóch wariantów ró ni cych si temperatur wygrzewania materia u przed odkszta ceniem plastycznym. Temperatur wygrzewania wszystkich próbek z badanych stali dobrano w taki sposób, aby ograniczy nadmierny rozrost ziarna ferrytu przed odkszta ceniem plastycznym. Czas wygrzewania p askowników przed walcowaniem wynosi oko o 25 minut. Ka dy z wariantów walcowania obejmowa trzy przepusty o ca kowitej warto ci odkszta cenia rzeczywistego w zakresie = 0,61 0,73, przy czym warto ostatniego odkszta cenia by a najwy sza ( = ~0,3). Dla ka dego wariantu walcowania zró nicowano temperatur poszczególnych przepustów. Pasma przewalcowano na grubo ko cow ok. 12 mm. Próbki po walcowaniu studzono swobodnie do temperatury otoczenia w powietrzu ze redni szybko ci <1 C. Tabela 2. Zestawienie parametrów walcowania eksperymentalnych stali w linii LPS/B Table 2. Summary of rolling parameters of experimental steels in LPS/B line Oznaczenie próby Temperatura wygrzewania przed odkszta ceniem C t s T C Przepust 1 Przyk adowe fotograþ e mikrostruktury stali A4 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu wg wariantów A i B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Struktura materia u w obu przypadkach z o ona jest z wyd u onych w kierunku walcownia ziarn osnowy ferrytu, przy czym wielko ziarn jest wyra nie mniejsza przy zastosowaniu ni szej temperatury odkszta ce (Rys. 1a i 2a). W osnowie ferrytu wyst puj wyspowo, pojedynczo lub w postaci skupisk, obszary stanowi ce pierwotny austenit, który w wyniku ch odzenia uleg przemianie w mieszanin ferrytu oraz perlitu (Rys. 1b i 2b). D ugo pojedynczych wysp wyd u onych w kierunku walcowania dochodzi do kilkuset mikronów. Wielko powsta ych ziarn ferrytu i perlitu po przemianie austenitu nie przekracza 30 m. Na obserwowanych zg adach ujawnia si równie podziarnowa struktura ferrytu, która jest prawdopodobnie wynikiem przebiegu procesów zdrowienia w trakcie lub po odkszta ceniu plastycznym (Rys. 2b). Przyk adowe fotograþ e mikrostruktury oraz wyniki mikroanalizy chemicznej sk adników strukturalnych wyst puj cych w stali zawieraj cej glin w ilo ci 6% po walcowaniu wg wariantów A i B (Tabela 2) przedstawiono na rysunkach 3 5. Osnow badanej stali stanowi silnie wyd u one w kierunku walcowania ziarna ferrytu. Zró nicowanie temperatury poszczególnych v w m/s Parametry odkszta cenia t s Przepust 2 t s Przepust 3 A4 / A 1050 42 880 0,15 0,1 9,5 840 0,19 0,2 8,0 760 0,32 0,4 A4 / B 1150 36 1010 0,15 0,1 5,8 930 0,20 0,2 17,6 850 0,38 0,4 A6 / A 1050 32 920 0,15 0,1 6,8 850 0,19 0,2 9,0 800 0,30 0,4 A6 / B 1100 34 960 0,15 0,1 5,8 860 0,19 0,2 8,9 830 0,32 0,4 A7 / A 1050 43 910 0,15 0,1 5,5 840 0,19 0,2 7,1 810 0,27 0,4 A7 / B 1100 33 980 0,15 0,1 6,8 880 0,19 0,2 7,7 840 0,30 0,4 A8 / A 1050 40 940 0,15 0,1 5,9 845 0,18 0,2 7,4 810 0,27 0,4 A8 / B 1100 37 985 0,15 0,1 6,3 880 0,19 0,2 7,2 850 0,29 0,4 T temperatura powierzchni p askownika, gniot rzeczywisty, v w pr dko walcowania, t czas przerwy pomi dzy przepustami T C v w m/s T C v w m/s Rys. 1. Mikrostruktura stali A4 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem A (tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 30, b) 1000 Fig. 1. Microstructure of A4 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant A (table 2) and cooling to ambient temperature in air, magniþcation: : a) 30, b) 1000

16 Mariusz Adamczyk, Bogdan Garbarz Prace IM 2 (2014) Rys. 2. Mikrostruktura stali A4 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 30, b) 1000 Fig. 2. Microstructure of A4 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant B (Table 2) and cooling to ambient temperature in air, magniþcation: a) 30, b) 1000 Rys. 3. Mikrostruktura stali A6 na przekroju wzd u nym p askowników po walcowaniu na gor co w linii LPS/B i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia: a) wariant A walcowania, b) wariant B walcowania Fig. 3. Microstructure of A6 steel on longitudinal cross section of ßat bars after hot rolling in LPS/B line and cooling to ambient temperature in air: a) rolling variant A, b) rolling variant B odkszta ce istotnie wp yn o na wielko ziarna osnowy (Rys. 3). W strukturze stali widoczne s równie wyst puj ce na granicach ziarn ferrytu oraz w ich wn trzu pojedyncze pierwotne ziarna austenitu, które uleg y cz ciowej lub ca kowitej przemianie w perlit (Rys. 4). Brak wyst powania w obszarach pierwotnych ziarn austenitu po ch odzeniu fazy ferrytycznej zwi zany jest z du zawarto ci w gla w austenicie przed przemian fazow (Rys 4a). Wokó utworzonych wysp perlitu zaobserwowano wyst powanie drobnych globularnych cz stek stopowej fazy w glikowej Fe 3 AlC 0,5 (Rys. 4b). Wyst powanie otoczki w glika stopowego wokó pierwotnych wysp austenitu mo na t umaczy dyfuzj w gla z ferrytu do granicy mi dzyfazowej, zwi zanej ze zmniejszaj c si wraz z temperatur rozpuszczalno ci w gla w tej fazie. Nadmiar w gla w obecno ci wysokiej koncentracji glinu wydziela si w formie stabilnego w tych warunkach termodynamicznych w glika stopowego. Faza w glikowa wyst puje równie w postaci nieregularnych cz stek lub cienkich warstw na granicach ziarn ferrytu oraz w postaci iglastej we wn trzu ziarn ferrytu (Rys. 5). FotograÞ e mikrostruktury oraz wyniki mikroanalizy chemicznej sk adników strukturalnych wyst puj cych w stali A7 po walcowaniu wg wariantów A i B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu przedstawiono na rysunkach 6 8. Stal po walcowaniu, niezale nie od zastosowanych wariantów temperaturowych, charakteryzuje si bardzo du ym ziarnem ferrytu, o rozmiarze w kierunku p yni cia materia u rz du kilku milimetrów (Rys. 6 i 7). Wewn trz ziarn znajduj si pojedyncze, wyd u one w kierunku walcowania wysepki stanowi ce obszary wyst powania pierwotnego austenitu, który uleg cz ciowej przemianie w perlit. Przemiana austenitu w perlit zachodz ca w wyniku ch odzenia poni ej temperatury A c1 prawdopodobnie kontrolowana jest dyfuzj glinu z austenitu do ferrytu na froncie przemiany fazowej, czego efektem jest brak jej ca kowitego przebiegu dla zastosowanej szybko ci ch odzenia (<1 C/s) stali po walcowaniu (Rys. 8). Obecno austenitu szcz tkowego w strukturze stali w temperaturze otoczenia zwi zana jest równie z redystrybucj w gla prowadz c do wzbogacenia tej fazy w w giel do warto ci oko o 0,8%C (Rys. 8 obszar 1) i jej stabilizacj chemiczn. Podobnie jak w przypadku stali zawieraj cej 6% glinu, wokó wysp by ego austenitu, na granicy mi dzyfazowej ferryt / austenit, wyst puje w postaci poprzerywanej warstewki lub skupisk nieregularnych cz stek,

Prace IM 2 (2014) Mikrostruktura i w a ciwo ci eksperymentalnych stali konstrukcyjnych... 17 Pierwiastek, % masowy Obszar analizy 1 2 3 C 0,8 1,2 1,4 Al 5,1 5,6 9,8 Si 0,1 0,2 0,1 V 0,2 0,2 0,1 Mn 1,4 1,5 1,2 Fe 92,3 91,5 87,4 w glik stopowy Fe 3 AlC 0,5. W osnowie stali widoczne s rozmieszczone dyspersyjnie we wn trzu oraz na granicach podziarn ferrytu drobne cz stki w glików lub w glikoazotków typu VC lub V(C,N) (Rys. 8). Wielko rednicy obserwowanych cz stek nie przekracza 150 nm. FotograÞ e mikrostruktury uzyskanej w wyniku walcowania i ch odzenia stali zawieraj cej 8% glinu przedstawiono na rysunkach 9 i 10. Podobnie jak w przypadku stali zawieraj cej 7%, glinu mikrostruktura z o ona jest z wyd u onych ziarn osnowy ferrytycznej, na których granicach wyst puj wydzielenia cz stek w glika stopowego. W glik stopowy wydzieli si w trakcie ch odzenia po odkszta ceniu równie we wn trzu ziarn ferrytu w formie igie, o d ugo ci <10 m. Na podstawie bada makroskopowych oraz obserwacji mikrostruktury w obszarze przypowierzchniowym p askowników po walcowaniu w linii LPS stwierdzono, i eksperymentalne stale z glinem charakteryzuj si dobr podatno ci do odkszta ce w warunkach wysokotemperaturowych. Powierzchnia oraz brzegi odwalcowanych p askowników pozbawione s wad w postaci p kni czy naderwa. Wyniki bada w a ciwo ci mechanicznych eksperymentalnych stali z glinem uzyskanych w próbie statycznego rozci gania próbek wykonanych z odwalcowanych p askowników przedstawiono w tabeli 3. Porównuj c uzyskane wyniki stwierdzono, i najkorzystniejszymi w a ciwo ciami mechanicznymi po zastosowanych wariantach walcowania i ch odzenia charakteryzuje si stal zawieraj ca 4% glinu. W przypadku zastosowania wariantu A, cechuj cego si ni sz temperatur ostatniego odkszta cenia (760 C), uzyskano granic plastyczno ci na poziomie R e = 380 MPa oraz korzystny stosunek R p0,2 / R m wynosz cy 0,76, co Rys. 4. Mikrostruktura stali A6 po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem A (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia oraz wyniki mikroanalizy sk adu chemicznego (EDS-SEM) sk adników strukturalnych w obszarach wskazanych na fotograþach a) i b) Fig. 4. Microstructure of A6 steel after hot rolling in LPS/B line according to variant A (Table 2) and cooling to ambient temperature in air. Results of microanalysis of chemical composition (EDS-SEM) of structure constituents pointed on Þgures a) and b) are presented Rys. 5. Mikrostruktura stali A6 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia Fig. 5. Microstructure of A6 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant B (Table 2) and cooling in air to ambient temperature daje stosunkowo du y zapas plastyczno ci materia u w warunkach eksploatacji. rednia warto wyd u enia próbek wynosi A 5 = 23%. Próbki pobrane z p askownika walcowanego w ostatnim przepu cie w wy szej temperaturze (850 C) charakteryzuj si zarówno ni szymi warto ciami granicy plastyczno ci (R e = 348 MPa) oraz wytrzyma o ci na rozci ganie (R m = 486 MPa), jak równie wykazuj o po ow mniejsze wyd u enie wynosz ce A 5 = 11%. Stale o zawarto ci glinu 6%, przy zbli onej warto ci wytrzyma o ci na rozci ganie, cha-

18 Mariusz Adamczyk, Bogdan Garbarz Prace IM 2 (2014) Rys. 6. Mikrostruktura stali A7 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem A (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 15, b) 300 Fig. 6. Microstructure of A7 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant A (Table 2) and cooling to ambient temperature in air, magniþcation: a) 15, b) 300 Rys. 7. Mikrostruktura stali A7 na przekroju wzd u nym po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 15, b) 300 Fig. 7. Microstructure of A7 steel on cross section after hot rolling in LPS/B line according to B variant (Table 2) and cooling in air to ambient temperature, magniþcation: a) 15, b) 300 Pierwiastek, % masowy Obszar analizy 1 2 C 0,8 1,3 Al 6,0 9,6 Si 0,1 0,1 V 0,3 0,2 Mn 1,3 1,8 Fe 91,5 87,0 Rys. 8. Mikrostruktura stali stali A7 po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia oraz wyniki mikroanalizy sk adu chemicznego (EDS-SEM) sk adników strukturalnych w obszarach wskazanych na fotograþi Fig. 8. Microstructure of A7 steel after hot rolling in LPS/B line according to variant B (Table 2) and cooling to ambient temperature in air. Results of microanalysis of chemical composition (EDS-SEM) of structure constituents pointed on Þgure are presented

Prace IM 2 (2014) Mikrostruktura i w a ciwo ci eksperymentalnych stali konstrukcyjnych... 19 Rys. 9. Mikrostruktura stali A8 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem A (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 30, b) 300 Fig. 9. Microstructure of A8 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant A (Table 2) and cooling to ambient temperature in air, magniþcation: a) 30, b) 300 Rys. 10. Mikrostruktura stali A8 na przekroju wzd u nym p askownika po walcowaniu na gor co w linii LPS/B zgodnie z wariantem B (Tabela 2) i ch odzeniu w powietrzu do temperatury otoczenia, powi kszenie: a) 30, b) 300 Fig. 10. Microstructure of A8 steel on longitudinal cross section of ßat bar after hot rolling in LPS/B line according to variant B (Table 2) and cooling to ambient temperature in air, magniþcation: a) 30, b) 300 Tabela 3. Wyniki próby rozci gania eksperymentalnych stali z glinem po walcowaniu na gor co i ch odzeniu w powietrzu Table 3. Results of tensile test of experimental steels with aluminum after hot rolling and air cooling Oznaczenie wariantu Granica plastyczno ci R p0,2 MPa Wytrzyma o na rozci ganie R m MPa Stosunek R p0,2 / R m Wyd u enie A 5 % A4/A 381 502 0,76 23,2 A4/B 348 486 0,72 11,1 A6/A 463 503 0,92 3,1 A6/B 462 501 0,92 2,8 A7/A 448 494 0,91 4,5 A7/B 415 488 0,85 3,6 A8/A 476 542 0,88 4,4 A8/B 482 548 0,88 3,2 rakteryzuj si wyra nie wy szym poziomem granicy plastyczno ci w stosunku do stali A4. Najwy sze warto ci R p0,2 oraz R m uzyskano dla stali zawieraj cej 8% glinu (R e =~480 MPa i R m =~545 MPa). Stale o zawarto ci glinu z przedzia u 6 8% cechuj si równocze nie bardzo nisk warto ci wyd u enia A 5 na poziomie kilku procent oraz wysokim stosunkiem R p0,2 / R m. Uzyskane w wyniku walcowania na gor co i ch odzenia w powietrzu w a ciwo ci wytrzyma o ciowe oraz plastyczno stali zawieraj cych glin w ilo ci 6 8% s zbli one do poziomu w a ciwo ci mechanicznych stali z glinem o sk adzie Fe-0,24%C-8%Al-1,9%Ti oraz Fe-0,88%C-1,8%Mn-6,9%Al-2%Cr, których wyniki bada przedstawiono w pracach [14, 15]. Wysoka plastyczno stali A4, w stosunku do stali z wy sz zawarto ci glinu, wynika z obecno ci w strukturze wzgl dnie du ego udzia u obj to ciowego (V V 20%) wysp ferrytyczno-perlitycznych. W struk-

20 Mariusz Adamczyk, Bogdan Garbarz Prace IM 2 (2014) turze stali z glinem 6%, cechuj cych si znaczenie wi kszym ziarnem osnowy ferrytu ni stal A4, wzrasta udzia cz stek stopowej fazy w glikowej. Morfologia tych wydziele (formy iglaste, nieregularnego kszta tu cz stki o ostrych kraw dziach) oraz du a tendencja do zarodkowania na granicach ziarn osnowy, znacznie os abiaj spójno granic ferrytu obni aj c istotnie plastyczno stali. 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoli y na okre lenie wp ywu zastosowanych parametrów odkszta cenia oraz sposobu ch odzenia na mikrostruktur stali zawieraj cych dodatek stopowy glinu w zakresie 4 8% oraz umo liwi y uzyskanie wst pnych danych dotycz cych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i plastyczno ci tych stali. Na podstawie wyników bada mo na sformu owa nast puj ce wnioski: 1. Odkszta cenie plastyczne na gor co prowadzi do silnego wyd u enia ziarn osnowy ferrytycznej w kierunku p yni cia plastycznego materia u, przy czym wraz ze wzrostem zawarto ci glinu w stali nast puje jednoczesny wzrost redniej wielko ci ziarna (od kilkuset mikronów do kilku milimetrów). 2. W zakresie zastosowanych parametrów odkszta cenia plastycznego nie stwierdzono wyst powania procesów odbudowy mikrostruktury badanych stali w wyniku rekrystalizacji osnowy ferrytycznej. Tworzy si podziarnowa struktura ferrytu, która jest wynikiem przebiegu zdrowienia w trakcie lub po odkszta ceniu plastycznym. 3. Zawarto glinu w stalach Fe-0,1%C-1,4%Mn- (4 8%Al) wp ywa na rodzaj i udzia sk adników strukturalnych. W wyniku przemiany fazowej austenitu w stali zawieraj cej 4% glinu w osnowie ferrytycznej wyst puj wyd u one wyspy z o one z mieszaniny ziarn ferrytu i perlitu. Przy zawarto ci 6 i 7% glinu austenit ulega tylko cz ciowej przemianie w osnowie wyst puj wyspy austenityczno-perlityczne, wokó których znajduje si otoczka z o ona z cz stek w glika stopowego Fe 3 AlC 0,5. W osnowie stali zawieraj cej 8% glinu w glik ten wydziela si na granicach oraz we wn trzu ziarn ferrytu. 4. Wzrost zawarto ci glinu do warto ci 6% powoduje pogorszenie plastyczno ci stali, co wynika g ównie z obecno ci cz stek w glika Fe 3 AlC 0,5, wydzielaj cych si najcz ciej na granicach ziarn osnowy. 5. Uzyskane wyniki bada stanowi podstaw do opracowania za o e technologicznych wytwarzania wyrobów z gatunku stali zawieraj cej 4 6% Al, charakteryzuj cego si granic plastyczno ci na poziomie 400 500 MPa oraz dobr plastyczno ci wystarczaj c do wielu zastosowa. W publikacji wykorzystano cz wyników projektu badawczego nr N N508 626240 pt. Opracowanie metodami symulacji Þzycznej i numerycznej charakterystyki przemian fazowych i strukturalnych zachodz cych w stopach z uk adu Fe- (0,1%C)-(1 8%Al) stanowi cego baz nowej grupy stali konstrukcyjnych Þnansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. LITERATURA 1. Herrmann J., Inden G., Sauthoff G.: Microstructure and Deformation Behaviour of Iron-Rich Iron- Aluminium Alloys with Ternary Carbon and Silicon Additions, Steel Research, t. 75, 2004, nr 5, s. 343-352 2. Herrmann J., Inden G., Sauthoff G.: Deformation behaviour of iron-rich iron-aluminum alloys at low temperatures, Acta Materialia, t. 51, 2003, s. 2847-2857 3. Hai-chuan W., Yuan-chi D., Wen-ming Z. i in.: Physical and chemical performances of high Al steels, J. Cent. South Univ. Technol., Vol. 12 No. 4, 2005, s. 385-388 4. Nishimura T., Tahara A., Kodama T.: Effect of Al on the corrosion behavior of low alloy steels in wet/dry environment, Mater. Trans., 42, 2001, s.478-483 5. Frommeyer G., Drewes E. J., Engl B.: Physical and mechanical properties of iron-aluminium (Mn, Si) lightweight steels, La Revue de Metallurgie CIT, t. 97, 2000, s. 1245-1253 6. Garbarz B., Marcisz J.: Sk onno stali konstrukcyjnych zawieraj cych Al do wysokotemperaturowego p kania powierzchniowego, In ynieria Materia owa nr 1, 2005, s. 21-26 7. Adamczyk M., Garbarz B., Marcisz J. i in.: Opracowanie diagramów fazowych oraz charakterystyka morfologiczna sk adników strukturalnych stopów Fe-(0,1%C)-(3 8%Al) stanowi cych baz nowej grupy stali konstrukcyjnych. Sprawozdanie IM nr S0-0757 (niepublikowane), Instytut Metalurgii elaza, Gliwice, 2010 8. Adamczyk M., Garbarz B., Marcisz J. i in.: Opracowanie metodami symulacji Þ zycznej i numerycznej charakterystyki przemian fazowych i strukturalnych zachodz cych w stopach z uk adu Fe-(0,1%C)-(1 8%Al) stanowi cego baz nowej grupy stali konstrukcyjnych. Sprawozdanie IM nr PW-0054 (niepublikowane), Instytut Metalurgii elaza, Gliwice, 2014 9. Wo niak D., Burdek M., Gawor J., Adamczyk M., Palus R.: Opracowanie metodyki pó przemys owej symulacji walcowania na gor co i obróbki cieplnoplastycznej blach i pr tów z zastosowaniem modu u B-LPS obejmuj cego jednoklatokow walcark nawrotn oraz urz dzenia pomocnicze i steruj corejestruj ce. Prace IM 1, 2012, s. 110-117 10. Brüx U., Frommeyer G., Jimenez J.: Light-weight steels based on iron-aluminium inß uence of micro alloying elements (B, Ti, Nb) on microstructures, textures and mechanical properties, Steel Research 73, No. 12, 2002, s. 543-548 11. Baligidad R.G., Radhakrishna A.: Effect of carbon and processing on structure and mechanical properties of Fe-11 wt.% Al alloy, Materials Science and Engineering A283, 2000, s. 211-217 12. Baligidad R.G., Radhakrishna A.: Effect of carbon content on elevated temperature stability and tensile properties of Fe- 8.5 Al alloys, Materials Science and Engineering A281, 2000, s. 143-147 13. Baligidad R.G., Radhakrishna A.: Effect of hot rolling and heat treatment on structure and properties of high carbon Fe-Al alloys, Materials Science and Engineering A308, 2001, s. 136-142 14. Falat L., Schneider A., Sauthoff G., Frommeyer G.: Mechanical properties of Fe-Al-M-C (M = Ti, V, Nb, Ta) alloys with strengthening carbides and Laves phase, Intermetallics 13, 2005, 1256-1262 15. Farahat A.I.Z., El-Badry S.A.: Effect of high temperature deformation and different cooling rates on microstructure and mechanical properties of Fe-Al alloys, Materials Science and Engineering A525, 2009, 48-54