Oceli jsou podle použití a mechanických nebo fyzikálních vlastností klasifikovány dle ČSN EN 10027-1. Jemnozrnné oceli jsou dle ČSN EN 10027-1 a podle způsobu jejich výroby označovány následujícími doplňkovými písmeny:[6,10,11,26]
normalizačně žíhané jemnozrnné oceli (A)
zušlechtěné jemnozrnné oceli (Q)
termomechanicky zpracované jemnozrnné oceli (M) 2.2.1 Normalizačně zpracované a zušlechtěné jemnozrnné oceli
Normalizačně zpracované oceli mají svůj základ ve výrobě jemnozrnných normalizačně zpracovaných ocelí s hodnotou meze kluzu od 255 do 500 MPa, ze kterých jsou vyráběny plechy o následujících obsazích prvků: 1,70 hm.% Mn, 0,30 hm.% Cr, 0,10 hm.% Mo, do 1 hm.% Ni, do 0,22 hm.% V s tím, že součet niobu, titanu a vanadu nepřesáhne 0,22 hm.%. Oceli jsou normalizačně žíhané v rozsahu teplot 880 až 960 °C. Žíhání na odstranění zbytkového napětí je uskutečněno za teplot 530 až 600 °C. Průběh tepelného zpracování mikrolegovaných jemnozrnných ocelí po válcování je na obr. 3.[6,10,11]
Zušlechtěné jemnozrnné oceli, reps. novodobé vysokopevné oceli jsou vyráběny v zušlechtěném stavu (kalením a popouštěním). Zušlechtění lze dosáhnout u oceli s nízkým obsahem uhlíku (obdobné chemické složení, jako je tomu u normalizačně zpracovaných ocelí) vznikem nízkouhlíkového martenzitu – po kalení nastávají vysoké hodnoty meze kluzu. V závislosti na hodnotě meze kluzu jsou oceli legovány slitinovými prvky jako: Ni, Cr, Mo a V. Podobné chemické složení a podobný způsob tepelného zpracování dělají z vysokopevných konstrukčních ocelí obdobu ocelí otěruvzdorných. V obou případech se většinou jedná o kalené ocelové plechy s nízkým obsahem uhlíku a legujících prvků tak, aby při vysokých hodnotách pevnosti (respektive tvrdosti) byla zajištěna jejich technologičnost, zejména svařitelnost.
Hlavní rozdíl při výrobě těchto dvou skupin ocelí je v závěrečné fázi tepelného zpracování – popouštění.[6,10,11]
22
Obrázek 3 - Mikrolegované jemnozrnné oceli po válcování tepelně zpracované [11]
a) - normalizačním žíháním "A"
b) - zušlechtěním "Q"
Zatímco se otěruvzdorné oceli po kalení nepopouštějí nebo se popouštějí jen na nízké teploty (cca 200 °C), vysokopevné konstrukční oceli se popouštějí na vysoké teploty (cca 600 °C). Vyšší popouštěcí teplotou vznikne ve vysokopevných konstrukčních ocelích jiná rovnováha mezi pevností a houževnatostí – úroveň houževnatosti je povýšena na úkor pevnosti. V současné době můžeme rozdělit vysokopevnostní konstrukční oceli do dvou hlavních skupin:[6,10,11]
1) Do úrovně meze kluzu Re = 500 MPa včetně, jsou tyto oceli nekalené, jsou zahrnuty v EN 10 113. V označení SSAB Oxelösund jde pak o ocelové plechy WELDOX 420-500 (uvedené číslo znamená zaručovanou hodnotu meze kluzu).[11]
2) Kalené „pravé“ vysokopevnostní oceli pak mají mez pevnosti Rm od 690 MPa a jsou zahrnuty v EN 10 137. V označení WELDOX jsou to pak stupně 700, 900 a 960.[11]
Zásadní rozdíl v mechanických vlastnostech mezi „klasickou“ konstrukční ocelí (S) a vysokopevnými ocelemi je zejména v mezi kluzu a mezi pevnosti. Ostatní
23
zaručované mechanické vlastnosti (tažnost a vrubová houževnatost) zůstávají na přibližně stejné úrovni.[6,10,11]
2.2.2 Termomechanicky zpracované jemnozrnné oceli
Jako nejstarší typ termomechanického zpracování je označováno řízené válcování mikrolegovaných ocelí, podmíněné pečlivým řízením struktury austenitu během deformace za tepla, takže austenit transformuje na jemnozrnný ferit, který je finální strukturou válcovaného produktu. Základním cílem termomechanického zpracování bez ohledu na tvar produktu je tedy řízení mikrostrukturních změn během deformace za tepla a při ochlazování.[8]
Hlavní rozdíl mezi konvenčním válcováním za tepla (conventional hot rolling – CHR) a různými formami termomechanického zpracování je znázorněn na obr. 4.[8]
Obrázek 4 - Porovnání procesů termomechanického zpracování založené na kritické teplotě austenitu, transformačních teplotách a operaci hrubého a dokončovacího
válcování [8]
A - konvenční válcování za tepla; B - konvenční řízené válcování; C - interkritické řízené válcování, D - rekrystalizační řízené válcování; TAc3 - teplota, kdy dojde při ohřevu k úplné transformaci feritu na austenit, TAr1 - teplota, kdy je dokončena transformace austenitu na ferit nebo na ferit a cementit po ochlazení, TAr3 teplota, při které začíná transformace austenitu na ferit při ochlazování, Trs - teplota zastavení rekrystalizace, TGC - teplota hrubnutí zrna; H - hrubé válcování; K - konečné válcování Pozn. teplota hrubnutí zrna, je definována jako teplota, nad kterou dochází ke zhrubnutí zrna sekundární rekrystalizací, a odpovídá teplotě, při níž rozpuštěné precipitáty už neomezují růst zrn [8]
24
Metoda popsaná jako A na obr. 4 je konvenční válcování za tepla, které ukazuje předehřev, hrubé válcování a dokončovací válcování, jež se provádí při nejvyšších možných teplotách s cílem dosáhnout co nejsnadněji výsledného úběru. Na rozdíl od CHR procesy TMP zahrnují speciální postupy, při kterých se řídí vývoj mikrostruktury austenitu během válcování za tepla. Například pokud se válcování za tepla provádí pod teplotou rekrystalizace Trs, austenitická zrna se vysoce protahují a při dostatečně velké deformaci se vyplňují defekty typu dvojčatění a deformační pásy.
Austenitická zrna s velkým množstvím defektů uvnitř krystalické mřížky
Typ řízeného válcování za tepla, kdy jsou válcovací teploty dostatečné k tomu, aby probíhala rekrystalizace, (deformovaná zrna se mění v jiná, jež se od původních liší ve velikosti) je označován jako válcování za tepla s řízenou rekrystalizací (RCR – recrystallization controlled rolling). Tento způsob TMP zahrnuje opakovanou rekrystalizaci austenitu jak během hrubého válcování, tak při doválcování nad teplotou zastavení rekrystalizace – metoda D na obr. 4. Úspěšnost technologie spočívá ve zjemnění austenitického zrna úplnou rekrystalizací v čase po každém deformačním průchodu a závisí nejenom na dosažení jemné austenitické struktury opakovanou rekrystalizací, ale také v potlačení mechanismů zhrubnutí zrna.[8]
K dalším metodám patří například řízené válcování s dynamickou rekrystalizací (DRCR), kdy je vyžadována redukce až 100 %, aby bylo umožněno proběhnutí rekrystalizace v celém průřezu profilu během deformace (dynamická rekrystalizace) nebo bezprostředně po deformaci (metadynamická rekrystalizace). Metody CCR a DRCR jsou vhodné pro produkty s tenkým příčným průřezem.[8]
Jinou koncepcí je tzv. warm rolling – válcování za snížené teploty (viz překlad spojení hot forming – do češtiny překládáno jako tváření za tepla, a překlad spojení warm forming – překládáno někdy nejasným výrazem tváření za polotepla), kdy jsou
25
dokončovací válcovací teploty v oblasti vyšších teplot výskytu feritu a využívá se toho, že ferit je při dané teplotě „měkčí“ než austenit při téže teplotě. Nahrazuje válcování za studena s následným žíháním.[8]
2.2.3 Termomechanické faktrory
Návrh termomechanického zpracování je založen na předpisu předehřívací teploty, počtu deformačních stupňů, a dále v předepsání teploty, velikosti deformace (strain, obvykle effective strain, což je nutno odlišovat od pojmu deformation, kdy „strain“ představuje vnitřní deformaci, zatímco „deformation“ změnu tvaru a rozměrů) a rychlosti deformace (strain rate) v každém deformačním stupni. Dále jsou přesně předepsány časy prodlev mezi každou deformační etapou a nakonec je součástí technologického předpisu rychlost a způsob ochlazování z poslední deformační fáze za tepla (z doválcovací teploty) na pokojovou teplotu.[8]
Při definování termomechanických faktorů se vychází z klasické teorie tváření, kdy je nutné číselně definovat nejenom teplotu a čas, ale také stupeň deformace a rychlost deformace („pozor, nelze ji zaměňovat za rychlost otáčení válců nebo podobou veličinu, vyjádřenou v mm·s-1 – jednotkou rychlosti deformace je s-1“).[8]
Obrázek 5 - Příklad komplexního systému modelů úplného TMCP [8]
Termomechanické faktory jsou definovány v souvislosti se strukturními procesy, takže je nutná jejich velmi dobrá teoretická znalost. V případě dostatečně
„homogenního procesu“ se lze spokojit se stanovením střední – průměrné – hodnoty
26
teploty, deformace nebo rychlosti deformace. Je ovšem všeobecně známo, že žádný reálný technologický proces není homogenní. Proto jsou od devadesátých let minulého století pro plánování termomechanického zpracování běžně využívány numerické modely, které definují přípustný rozsah termomechanických faktorů s ohledem na probíhající strukturní děje. Návrh válcovacího postupu je velmi komplikovaný také proto, že některé termomechanické parametry jsou vzájemně spřažené (například teploty válcování jsou závislé jak na deformaci, tak na rychlosti deformace).[8]