Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Anyagtudomány és Technológia Tanszék EK4 acélok szövetszerkezet változása hidegalakítás hatására Készítette: Konzulens: Dr. Fábián Enikő Réka Budapest 2013
Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani Dr. Fábián Enikő Réka konzulensemnek, aki munkámat irányította és önzetlenül segítette. Szeretném megköszönni továbbá az EBSD vizsgálatok során nyújtott segítségét Dr. Szabó Péter Jánosnak. 2
Tartalom 1 Bevezetés... 4 1.1 Az acéllemezek alakíthatóságának jellemzése... 6 1.2 Az acéllemezek zománcozhatósági tulajdonságai... 10 1.3 A Választott anyag... 15 1.4 A vizsgált anyag gyártási előzményei... 16 1.5 Vizsgálati eljárások, használt eszközök:... 20 2 Kísérleti rész... 23 2.1 Keménységmérés... 23 2.2 Szövetszerkezet... 26 2.3 Karbidok Vizsgálata... 31 2.4 EBSD mérés... 40 2.4.1 Képminőség térkép... 40 2.4.2 Kis- és nagyszögű szemcsehatárok... 42 2.4.3 Orientációs térkép... 44 2.4.4 Inverz pólusábra... 47 3 Összefoglalás... 49 4 Irodalomjegyzék... 50 3
1 Bevezetés Az iparban alkalmazott anyagok közül már több száz éve a különböző fémek legkedveltebb alapanyagok. Napjainkban ugyan kezdenek ismét egyre nagyobb teret hódítani a polimerek, azonban hiába az olcsó alapanyag és széleskörű felhasználási lehetősségük, szilárdsági tulajdonságaikkal a tömeggyártásban még messze nem érik utól a fémeket kiváltképp az acélokat. 1. ábra: Anyagok relatív fontossága az idő haladásával. A fém megmunkálások túlnyomó részét valamilyen acéllal végzik. Az acélból készült termékek gyártásakor gyakran lemez anyagból indulnak ki. Az acéllemez alapanyagok könnyű tárolást, egyszerű szállítást és olcsó gyárthatóságot tesznek lehetővé, széleskörű elterjedésüket azonban kiváló alakíthatósági tulajdonságai tették lehetővé. A kis karbontartalmú acéllemezek elsődleges felhasználója az autóipar és a háztartási gépgyártás. A hagyományos alumíniummal csillapított acélból gyártott lemezeknél nagyobb szilárdságú mélyhúzhatóságra szánt lemezeket elsősorban az autóipar igényel, ugyanis az alakítás hatására a szilárdság növekszik, aminek köszönhetően megfelelő szilárdságot kevesebb anyaggal is el lehet érni, így csökken a jármű önsúlya, amely a fogyasztásra is kedvező hatással lesz, továbbá a szilárdság növelésével és az önsúly csökkenésével az utasok biztonsága is nagyobb lesz. Azonban ezen előnyös tulajdonságokat nem csak az autóiparban, de a háztartási illetve épületgépészeti termékek gyártásakor is könnyen felhasználhatjuk. Ilyen termékek például az épületgépészetben alkalmazott tárolók, 4
2. ábra: A magyarországi zománcipari vállalatok által alkalmazott alakítási eljárások százalékos eloszlása (OM-00565/2002 1/A). tartályok, illetve a szaniter termékek közül a fürdőkádak, amelyeket nagy alakításnak teszünk ki majd használat során akár több száz liter víz súlyát kell elviseljék. A kész terméket gyakran nedves, korrózió szempontjából kedvező helyen alkalmazzuk. Az acélok nagy része korrózióra hajlamos, így azokat valamilyen módon védenünk kell. A korrózióálló acélok alkalmazása igen drága, így egyéb korrózióvédelmi eljárásokat kell alkalmaznunk, ahol egy, a korrózióálló acéloknál sokkal olcsóbb és/vagy kedvezőbb tulajdonságú anyagot alkalmazunk alapanyagként. Ilyen korrózió védő eljárás többek közt a zománcozás. A zománcozandó termékek nagy részét zománcozás előtt mélyhúzzák, de számos esetben hajlítják, sajtolják, vagy éppen hengerlik. Hazánkban a zománcozás előtti hidegalakítások eloszlását egy korábbi felmérés alapján a 2.ábra mutatja. Európában az alapanyagként használatos acélok minősítésére az EN10209:1996 szabvány érvényes; Magyarországon a zománcozási célra gyártott, hidegen hengerelt, kis karbontartalmú lapos acéltermékek műszaki szállítási feltételeit az MSz EN 10209:2000 rögzíti, mely megadja az acél mechanikai tulajdonságaival szemben támasztott követelményeket, a maximális C illetve a Ti tartalmat, valamint a zománcozhatósági minősítéseket (pikkelyállóság vizsgálat, pácolási veszteség vizsgálat és kötésvizsgálat). 5
1.1 Az acéllemezek alakíthatóságának jellemzése Az acélfeldolgozásnál az alapanyag alakíthatóságának kulcsszerepe van a gyártás illetve az anyagkiválasztás során. A gyártási eljárástól függően az anyag más-más alakíthatósági tulajdonságai lesznek a fontosak számunkra.a lemezalkatrész-gyártás anyagait részben a szakítóvizsgálatból részben szabványos technológiai próbákból kapott adatokkal jellemezhetjük.a lemezek nyújtással, mélyhúzással történő feldolgozhatóságának közvetlen meghatározására léteznek technológiai próbák, mint például az Erichsen-féle mélyítő próba és a csészehúzó vizsgálat. A 3. ábra Erichsen-féle mélyítő próba során a leszorító gyűrű megakadályozza a lemez elmozdulását. A szabványban meghatározott méretű, félgömbfejű bélyeg domborítja a lemezt, belenyomja a húzógyűrűbe, mindaddig, amíg a lemezen az első repedés megjelenik. Az ehhez tartozó bélyegelmozdulást mérjük, és mint az Erichsen-féle mélyítési számot (IE) adjuk, meg mint a mélyítő próba eredményét. 3. ábra: Erichsen-féle mélyítő vizsgálat. A vizsgálat nem ad a mélyhúzhatóságról közvetlen információt, hiszen a mélyítés során a feszültség és alakváltozási állapot eltér a mélyhúzásnál érvényestől. Ezért inkább a lemezek nyújtva húzhatóságát jellemzi. A vizsgálat eredményéből, pontosabban a szakadási vonal irányából, a felület narancs héjasságából, a szakadási él jellegéből következtetni lehet a lemez anizotrópiájára és szemcsefinomságára. Körvonal menti elvékonyodás, ill. szakadás kellően izotróp lemezre jellemző. Az erősen narancshéjas matt felület a lemezanyag durva szemcseszerkezetére utal (Kecskés B., 2012). 6
A csészehúzó vizsgálatban a lemezanyagban ébredő feszültségi állapot és a fellépő alakváltozások megfelelnek a mélyhúzó műveletben fellépő viszonyoknak, tehát jól modellezi a mélyhúzást. A csészehúzó vizsgálatra kialakított berendezés részeit mutatja a 4. ábra. A lemezanyagból 58-74 (80) mm átmérőjű tárcsákat készítenek 2 mm-enkénti lépcsőzéssel. A tárcsákból 33 mm átmérőjű bélyeggel csészéket húznak. Az a legnagyobb tárcsaátmérő, mely még biztonságosan, a fenék leszakadása nélkül mélyhúzható jellemzi a lemezanyag mélyhúzhatóságát. Amennyiben a maximális kihúzható 4. ábra: Csészehúzó vizsgálat. átmérő pl. 66 mm, ezt IG=66-ként adják meg. A mélyhúzó bélyeg lehet lapos (L), átmeneti (Á) és félgömb végű (F). A kísérlet során használt mélyhúzó bélyeg típusát az IG jelölés után alsó indexben jelölni kell, azaz a jelölés lehet IGL, IGÁ és IGF. A kísérlet technológiai és szerszámozási jellemzői (pl. a szabványban) előírtak, a mérés megismételhetősége érdekében. A csészehúzó próba eredménye valóban a mélyhúzhatóságot jellemzi, fontos azonban tudni, hogy a relatíve vékonyabb lemeznél (azaz ha a lemezvastagság/terítékátmérő viszony kisebb, mint a csészehúzó próbánál) az egy műveletben elérhető alakváltozás, terítékátmérő/mélyhúzott átmérő viszony kisebb lehet, mint az a csészehúzó próba során kapott húzási viszony. Lemezek esetén a szabványos szakítóvizsgálat (MSZ EN ISO 6892-1) eredményei is jellemzik az anyagok alakíthatóságát.. A szakítóvizsgálattal meghatározható hagyományos jellemzők (Re, Rm, A11.3, Z) a Lankford szám és a keményedési kitevő összefüggésben van a lemezek alakíthatóságával. A 5. ábra: Szakító próbatest. polikrisztallin fémek normál állapotban, pl melegen hengerelve, többé kevésbé izotrópnak tekinthetőek, azaz bármely irányban lényegében azonos tulajdonságokkal rendelkeznek. Az alakítás következtében az eredetileg kvázi izotróp mechanikai tulajdonságok megváltoznak, irányfüggővé válnak. Ezt a jelenséget az anizotrópia fogalmával jelöljük. (Tisza, 2010) 7
A lemezek mélyhúzásra való alkalmassága szempontjából igen fontos a normális (merőleges) anizotrópia. Ez is a lemez szakítóvizsgálatával határozható meg. A lemez próbatest eredeti méretei (s0,b0, L0) a vizsgálat során megváltoznak. A mérési hossz (L) növekszik, a vastagság és a szélesség (s0, b0) csökken. A normális irányú anizotrópia a megnyúlt próbatest szélességi és vastagsági irányú valódi alakváltozásának a hányadosa: (1.) Pontosabban mérhető hossz ill. a szélesség irányú alakváltozás ezért a térfogat- állandóságon alapulva az hányadost hányadossal helyettesíthetjük: (2.) Általában kb. 20%-nyi hosszváltozáshoz tartozó értékekből határozzuk meg a merőleges anizotrópia értékét. A hengerléssel előállított (finom) lemezek tulajdonságai így a normál irányú anizotrópiája is irányfüggő. A lemez a síkjában is anizotróp. Ezért a r-t is három irányban a hengerlés irányában (r0), a hengerléssel 45 -ot (r45) ill. 90 -ot (r90) bezáró irányban kell meghatározni. A különböző irányú próbatesteken mért r értékekről határozható meg az átlagos normál irányú anizotrópia, melyet a szakirodalom Lankford féle számnak nevez. (3.) 8
Minél nagyobb az -érték a mélyhúzhatósági tulajdonságok annál jobbak (Lankford et al., 1950). A normális irányú anizotrópia is irányfüggő. Ez az ún. síkbeli anizotrópia, mely a következő összefüggéssel határozható meg: (4.) A lemezek hengerlésénél, különösen, ha nagymértékű képlékenyalakítással állították elő, nem kerülhető el bizonyos mértékű anizotrópia,ami az újrakristályosodás után is jellemzi az anyagot (Prohászka, 2001). Ennek az anizotrópiának a következménye, hogy a húzott csészében a fülesedés. Minél nagyobb a lemez mechanikai tulajdonságainak az eltérése a hengerlési iránytól függően, annál nagyobb a csésze fenekétől mért magasságának az eltérése. Ha a Δr közel nulla, a fülesedés mértéke kicsi. A teljesen izotróp anyagot r= 1 Lankford féle szám és r 0 síkbeli anizotrópia jellemezné. Mivel a fülesedés többlet kiinduló anyagot igényel és körülvágó műveletre van szükség, ezért mint káros jelenséget kell kezelnünk. A lemezanyagok mélyhúzhatóságát, nyújthatóságát, azok átlagos normális irányú anizotrópiája ( ) és keményedési kitevője (n) alapján a Lillet diagram jellemzi. 6. ábra: Lillet diagramm. 9
A mélyhúzás során a teríték még nem alakított része az anyag anizotrópiájának köszönhetően megemelkedik, felhullámosodik, ezért ún. ráncfogóval leszorítják így elkerülhető az úgynevezett fülesedés. A mélyhúzhatóság szempontjából kedvező, ha a hengerelt felülettel párhuzamos sík normálisa szerinti {111} orientációjú texturáltság (Whiteley és Wise, 1962). Az ilyen textúrájú lágyacéllemezeknél a jó mélyhúzhatósági tulajdonságoknak köszönhetően növelni tudjuk a mélyhúzás mélységét anélkül, hogy a lemez elszakadna, és ezzel egy időben szép sima lesz a húzott termékünk felső része, és ugyanakkor a fülesesedés jelensége is elkerülhető A mélyhúzott lemezek nagy alakítási anizotrópiával ( ), és kicsi normál izotrópiával ( r) kell rendelkezzenek. Kestens és társai szerint (Kestens, 1996) azért, hogy maximalizáljuk az -értéket és minimalizáljuk a Δr-t a γ-szálnak (γ-fiber-nek) az {111}<112> és {111}<110> komponensei az ideális kristálytani textúra mélyhúzásra szánt acéloknál, mivel a helyes textúra megadja a csúszási síkok megfelelő orientációját. Azaz a lemez szilárdsága a vastagság irányába nagyobb, mint a lemez síkjában. Ha az {100} orientációjú síkok a hengerelt felülettel párhuzamosak szerinti a lemez szilárdsága a vastagság irányában kisebb. Ezért romlanak az alakíthatósági tulajdonságok. Az {111}/{l00} orientációk intenzitásának hányada egyenes arányban áll az -el (Held, 1965). 1.2 Az acéllemezek zománcozhatósági tulajdonságai A zománcozó vállalatoknál a minőségi kifogások legnagyobb részét (98%) a pikkelyesség képezi. 2001-ben a nem megfelelőnek minősített alapanyagok minőség szerinti eloszlását az 1.táblázat összegzi. Az 1. táblázatban feltüntetett 110 tonna pikkelyesedett termék a 15000 tonna felhasznált alapanyagnak kevesebb, mint az 1%-a. Még jobb az arány a hidegen hengerelt és lágyított, zománcozási célra gyártott lemezeknél (108000 tonnából 8 tonna pikkelyesedett); 1. táblázat: A hazai zománcozott termékek felületi hibáinak eloszlása éves szinten (2001) (OM-00565/2002. 1/A 13.o.). 10
ugyanakkor szem előtt kell tartani, hogy a zománcozással foglalkozó üzemek gyakran kisméretű termékeket gyártanak. Akár néhány száz kilogrammnyi pikkelyes termék is piacvesztést okozhat. Ez a folyamat az acélgyártó vállalatokra is visszahat. Az acélok pikkelyesedés hajlamának minősítésére elsősorban a hidrogénáthatolás mérőszámát (a TH értéket) veszik alapul, mert a pikkelyesedést az acélban oldódó, majd újra kiváló, diffundáló hidrogén okozza. Hidrogént vehet fel az acéllemez a meleg alakítást követő pácolás közben is, illetve a hidegalakítást megelőző zsírtalanításkor is, azonban a pikkelyesedés szempontjából a zománc beégetés során felvett hidrogén a döntő, amely a zománcfrittből, a malomadalékokból származó vízből vagy a kemenceatmoszféra vízgőztartalmából keletkezhet. A szabvány a hidrogénáthatolási mérőszám korlátértékeként a következő egyenlőtlenséget adja meg: 0 2 6,7 (5.) Ahol: t0- a hidrogén áthatolási ideje a lemezen percben kifejezve [min] d- a lemez vastagsága [mm] amely határérték fölött az ötvözetlen, kis karbontartalmú acéllemezek pikkelyállónak tekinthetőek. Zománc beégetésekor a víz reakcióba lép a vassal, eközben vasoxid és atomos hidrogén keletkezik. Az atomos hidrogént az acéllemez felülete adszorbeálja, majd a hidrogén abszorbeálódik és diffundál a lemezbe. A kutatások szerint az adszorpciós energia nem független a ferrit szemcsék orientációjától, bár a kísérleti eredmények és a különböző számítási módszerek eredményei között vannak eltérések, ellentmondások. Bozsó és társainak (Bozsó, 1977) valamint Krüger és társainak (Krüger, 1976) mérései azt mutatták, hogy az (110) orientációjú ferrit szemcsék adszorpciós energiája nagyobb, mint a (100) orientációjúaké és ez nagyobb, mint az (111) orientációjúaké. Wen és társai számításai szerint (Wen, 2001) a hidrogénre gyakorolt adszorpciós energia sorrendje: (100)>(110)>(111); Lee és társa szerint (Lee, Jang, 2007) pedig (110)~(111)>(100). Jiang és Carter szerint (Jiang és Carter, 2004 ) az (110) orientációjú ferrit szemcsék adszorpciós energiája jelentősen nagyobb, mint az (100) orientációjúaké. 11
Az acél hidrogénátbocsátó képessége függ a hidrogén acélban való oldhatóságától és diffúziós tényezőjétől. Mivel a zománcozási célra gyártott acélok szövetszerkezetét ~98%-ban ferrit alkotja, a hidrogén színvasban való oldódásának és diffúziójának megismerése meghatározó jelentőségű. Mivel a hidrogén oldódása a színvasban kicsi (szobahőmérsékleten kevesebb, mint 3x10 6 at %, 1000K-en 0,01 at % (San-Martin, 1993)), miközben diffúziója gyors, és a vassal vegyületet nem képez, ezért kimutathatósága a vas ötvözeteiben nehézkes, többnyire indirekt módon történik. A vas-hidrogén rendszer termodinamikai tulajdonságaival, a hidrogén kinetikai viselkedésével kapcsolatban több száz publikáció jelent meg, és ez a témakör ma is az érdeklődés középpontjában áll. 2. táblázat: A ttk szerkezetű vas adszorpciós energiája a hidrogén atomokra. Referencia állapot a tkk vas-hidrogén egyensúlya. A zománcozandó termékeket az iparban zománcozás előtt általában hidegalakításnak teszik ki. A szakirodalomban még nincs egyetértés abban, hogy általánosan alakítottság hogyan befolyásolja a zománcolás minőségét. Egyes megfigyelések szerint a pikkelyesedés a termékek kevésbé alakított területén kezdtek megjelenni (Albert P.P., 1975 a), mások megfigyelései alapján pedig a pikkelyképződés erősen alakított éleknél, sarkoknál fordul elő (Alexandru, 2005). A vizsgált anyagomnál már ismerjük, hogy az alakítottság a hidrogén áthatolási időt növeli, ugyanis Fábián Réka megállapította, hogy a melegenhengerelt acélok hidrogén áthatolási ideje 12
nagyon rövid (TH~0,7perc) azonban hidegen hengerelt és lágyított mintáknál legrosszabb esetben TH>3perc értéket mért (Fábián R., 2012). 7. ábra: Zománcozási célra gyártott kis karbontartalmú, ötvözetlen, hidegen hengerelt acéltekercsek hidrogénáthatolási idejének mérőszámai a tekercsek különböző pontjain Az első karakter a tekercs jelére, vastagságára utal (A-0,714 mm;b-0,8 mm, C-1,0 mm) L a lágyított, de dresszírozatlan, D lágyított és dresszírozott mintákat jelöli. A táblalemezek széléről származó minták jele: Sz; A táblalemezek közepéről származó minták jele: K. Fábián Réka továbbá kimutatta, hogy a hidrogénáthatolási idő összefüggésben van továbbá az acéllemezek szövetszerkezetével, orientációjával és a karbidok mennyiségével is. Mint közismert, ha az acél belsejében az oldott, atomos hidrogén vándorlásának útjába nem fémes zárvány vagy szívódási üreg (mikrolunker) kerül, az atomos hidrogén kilép a kristályrácsból és molekuláris hidrogéngázzá alakul át, amely megreked az adott csapda helyen. Az ilyen, helyileg összegyűlt hidrogéngáz nyomása több száz MPa is lehet. A gáz nyomása különösen melegítéskor, izzításkor nő meg. Ha ilyen hidrogéngyűjtő hely az acéllemez felülete közelében jön létre, azt felpúposodik, és a lemez hólyagossá válik. Ez a zománc lepattogzását és a termék tönkremenetelét okozhatja. Érdemes tehát megvizsgálnunk, hogy a különböző csapdahelyek milyen mértékben tartják magukban a hidrogén atomokat. 13
A 8. ábraán látható csapdahelyre és az ideális rácsra vonatkozó energiaszintek közül EaD a hidrogén diffúziójának a hibátlan rácsban érvényes aktiválási energiája, EB a csapda kötési energiája, ES az ún. nyeregponti energia, és EaT a csapda aktiválási energiája, amely a 8. ábra alapján ES+EB-vel egyenlő. Itt jól láthatjuk, hogy az elfoglaltsági tényező szempontjából a csapdák EB kö- 8. ábra: A csapdahelyek környezetének energiaszintje. tési energiájának kitüntetett szerepe van. A lehetséges csapdahelyek kötési energiáit különböző szerzők adatai alapján, összefoglalva a következő táblázat tartalmazza: 3. táblázat: Egyes csapdatípusok jellemzésére szolgáló kötési energiák. *Lee és társa adatai alapján (Lee és Lee, 1986) **John P. Hirth adatai alapján (Hirth, 1980);. 1 Kumnick és Johnson kísérletei alapján, ahol kísérletek körülményei az éldiszlokációkat valószínűsítik ***choo és munkatársai adatai, -ASED-MO módszer (Gesari,2002) **** Ono és Meshii adatai (Ono és Meshii, 1991) +Choo és társa adatai alapján (Choo és Young, 1982). ++ G.-W. Hong és J Y Lee adatai alapján (Hong és Lee, 1983), Choo és J. Y Lee korábbi adatai +++ Byeong-Joo Lee *, Je-Wook Jang MEAM módszer (Lee és Jang, 2007) 14
Az egyes csapdatípusoknak a hidrogénnel való telítési hőmérséklete más és más. Lee és társa (Lee és Lee, 1986) adatai alapján a szemcsehatárok telítési hőmérséklete 378 K; a cementit határfelületének 393K; a diszlokációké 495K, a vakanciáké 573K, a vas-oxid határfelületeké 595 K, a MnS-Fe határfelületének 768 K, a TiC-Fe határfelületének 996 K. A szemcsehatárok csapdahatásának tekintetében az irodalom még annál is ellentmondásosabb, mint az a 3. táblázatban látszik. Egyes szerzők szerint tiszta vasban a hidrogén szemcsehatárokon való megkötődését nem lehetett kimutatni, és a hidrogén diffúziója a szemcsemérettől független (Beck, 1986). Matsumoto és társai számításai (Matsumoto, 2011) azt mutatják, hogy a színvasban a szemcsehatárok csapdahatása jelentős, ugyanakkor, ha karbon vagy nitrogén a szemcsehatárokon, az oldhatósági határértékükön vannak jelen, a szemcsehatárok kötési energiája a hidrogénre nézve elhanyagolható. 1.3 A Választott anyag DC04EK minőségű, jellemzően zománcozási célra gyártott finomlemez alapanyagául szolgáló EK4 minőségű es minőségű melegen hengerelt acéllemez tulajdonság változásait vizsgáltam hideg hengerlés hatására. Az általam vizsgálatra választott anyagot az ISD Dunaferr Zrt.-nél állították elő, vegyi összetétele az 4. táblázatban látható. 4. táblázat: A vizsgálati anyag összetétele. 15
1.4 A vizsgált anyag gyártási előzményei Az általam vizsgálatra választott anyagot LD konverterben állították elő, majd vertikális folyamatos öntőművön körülbelül 235 mm vastagságú brammává öntötték. Ezután a meleghengerműben (9.ábra) hengerelték. 9. ábra: A meleghengermű vázlata az ISD Duaferr Zrt.-nél. A tolókemencében a teljesen, vagy csak részben lehűlt folyamatosan öntött brammát 2,5-3 óra alatt felhevítik a meleghengerlés kezdő hőmérsékletére, 1220-1260 C-ra. A tolókemence atmoszférája oxidáló jellegű. Ezért a lemezt a tolókemencéből való távozáskor egy erősen savas kémhatású revétlenítő fürdőn (pácfürdőn) vezetik keresztül. Az ISD Duaferr Zrt meleghengerművében univerzális előnyújtóból, coil-boxból, revétlenítőből, 6 állványos készsorból, hűtőszakaszból és csévélő berendezésből álló rendszerben a folyamatosan öntött brammából 2-10 mm- vastagságú melegen hengerelt szalagot állítanak elő. A hidegalakításra szánt melegen hengerelt szalagok szokásos vastagsága 3,5-4 mm. A meleghengerlés külső jellemzői (beadási- vég- és csévélési hőmérséklet, szúrásonkénti fogyás, stb.) jelentősen befolyásolják a kialakuló szövetszerkezetet. Ismert, hogy a perlites átalakulás a kis karbon tartalmú ötvözetlen lágyacélokban viszonylag kis túlhűléssel játszódik le folyamatos lehűlés közben, vagyis 680 C-720 C közötti hőmérséklet tartományban. 16
Verő Balázs 1994-ben írt MTA doktori értekezésében bemutatta, hogy a nagy hőmérsékleten csévélt szalag szövetében a perlit mennyisége lényegesen kisebb, mint a kis hőmérsékleten csévéltében, sőt a perlit esetenként teljesen hiányozhat is a szövetből (6. ábra). A nagy hőmérsékleten csévélt szalag szövetében ez esetben a ferrit szemcsehatárai mentén vaskos a tercier cementit szokásos vastagságához viszonyítva nagyobb vastagságú úgynevezett masszív karbid figyelhető meg (Verő, 1994; 55. o). 6. ábra: A perlit mennyiségének változása a 740 Cról elkezdett lassú hűtést magszakító gyors hűtés kezdő hőmérsékletének függvényében. 11. ábra: A perlit mennyisége a lassú hűtés kezdőhőmérsékletének függvényében. 12. ábra: A Fe-Fe3C egyensúlyi diagram részlete és az ausztenit és ferrit karbon eloszlása egyensúlyi esetben. Korábbi eredmények alapján tudjuk, hogy a követelményeknek megfelelő TH értékű hidegen hengerelt lemezt úgy tudunk előállítani, ha az alapanyagul szolgáló melegen hengerelt szalag szövetszerkezetet ferrit + perlit, hanem ferrit + masszív karbid szövetelemek alkotják. A karbidok a hidegalakítás alatt összetöredeznek. A lágyított állapotú lemez TH érték akkor nagy, ha a 17
karbidok nagyok (átlagos területük az egyes karbidrészeknek nagyobb 4µm 2 -nél, és az egyes karbid részek közt mikroüregek vannak ( www.acelormittal.com, Fábián, 2012) A ferrit + masszív karbid szövetszerkezetet úgy érhetjük el, hogy a csévélési hőmérsékletet nem sokkal az A1 hőmérséklet felett, vagyis 730 C 760 C közötti hőmérsékletre választjuk. Az általam vizsgált lemez hengerlési hőmérséklete 858 C, csévélési hőmérséklete 750 C volt A ferrit + masszív karbidos szövet kialakulását az alábbiak szerint képzeljük el: Finomszemcsés ausztenites állapotból kiindulva, vagyis amikor a szalag hőmérséklete Ar3 felett, közelítőleg 900 C körül van, a 730 C-760 C-os csévélési hőmérséklet elérése érdekében a szalagot a hűtőpad elején hűteni kell. A hűtés eredményeképpen a szalag hőmérséklete az ausztenit ferritté való allotróp átalakulásnak hőmérséklet tartományába, mégpedig ennek az átalakulásnak a legnagyobb sebességű tartományába kerül. 13. ábra: A Fe-C állapotábra részlete. Bár az ausztenit ferritté való átalakulását a C-diffúziója irányítja, és a diffúziós folyamat egészét tekintve anomáliák nem ismertek, mégis az átalakulás nagysebessége miatt a még át nem alakult ausztenit szemcsékben egyenlőtlen karbon eloszlás alakul ki, amint arra Ljubov és Zener is (Ljublov, 1969; Zener,1946) rámutattak. Értelemszerűen a karbon a ferrit/ausztenit határfelületen az ausztenitben dúsul fel, elérve az adott viszonyok között érvényes GS vonal menti koncentrációt, sőt esetleg azt meg is haladhatja. A hármas határokon a tercier cementitnél vaskosabb masszív karbid alakul ki (14. ábra). 14. ábra: A masszív karbid megjelenése. 18
A mélyhúzásra készített lemezeket meleg hengerlés után, hidegen hengerlik. A melegen hengerelt acéllemezek felületén található révét hideghengerlés előtt jellemzően sósavas vagy kénsavas oldatban való pácolással távolítják el. A révétlenítő fürdő után az acélt egy hengerművön keresztül vezetik át. Hideghengerlés során a lemez egy hengerpár között halad át amely két henger távolsága kisebb az épp aktuális lemezvastagságnál, így a lemezünk vastagsága lecsökken, és a térfogat állandóság miatt hossza megnő. A hengermű több hengerből áll melyek alakítása hatására a lemezünk elnyeri végleges lemezvastagságát. A hideghengerlés hatására a lemezben a mélyhúzhatóság szempontjából kedvező textúra áll be, ahogy Yazheng Liu és társai, is bizonyították (http://www.paper.edu.cn). A hidegalakítás sajátossága, hogy az alakított lemez felkeményedik, és egy idő után ez a felkeményedés el lehetetleníti a további alakítást. Ennek elkerülése érdekében a lemezünket ki kell lágyítani. A lágyítást helyenként folyamatos lágyító soron, az ISD Dunaferr ZRT-nél harangkemencében végzik, ahol a lemezt lazán feltekercselve az ausztenites átalakulási hőmérséklet alá hevítik, majd hőn tartás után levegőn lehűtik. Ezzel az anyag kristályszerkezete a torzult, feszültségekkel terhelt rácsból visszaalakul feszültségmentes szerkezetté, azonban a kedvező orientációja részben megmarad, ahogy Yazheng Liu és társai, is bizonyították (http://www.paper.edu.cn). A lágyítás után kapott lemez így ismét alkalmas lesz hidegalakításra. Nagyon gyakran állítják elő a már majdnem készterméket mélyhúzással Mélyhúzáskor a kiinduló lemezt (terítéket) húzószerszámban alakítják úgy, hogy húzótüskével átnyomják a húzószerszámon. Irodalmi adatok alapján vannak ismereteink a melegen alakított lemezek, valamint a kész a hidegalakított lemezek mechanikai tulajdonságairól, textúrájáról, de a köztes állapotokról kevés információ áll rendelkezésünkre, mivel ipari gyártás során a lemezekből nem szoktak mintákat kivágni, legfeljebb az elején és a végén. 19
1.5 Vizsgálati eljárások, használt eszközök: A mintalemezeket a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszéken, duó hengerállványon (hengerátmérő 209 mm) hengereltük. Vizsgálatok érdekében a különböző mértékű alakítások után a hengerlési iránynak megfelelően hossz-, keresztirányú illetve hengerelt felülettel párhuzamosan vágtuk ki a mintákat, majd ennek megfelelően az egyes mintákat kétkomponensű hidegbeágyazó, Duracryl Plus típusú, megszilárdulás után áttetsző anyagba ágyazva csiszolatokat készítettem. Csiszolatkészítéshez a mintáimat különböző fokozatú vízálló SiC-os papírokkal csiszoltam Wirtz típusú csiszológépen. A felület még finomabb előkészítéséhez a minták polírozását Buehler kézi polírozó géppel illetve Buehler automata csiszoló, polírozó géppel végeztem. Polírozó anyagként előbb 3 μm átmérőjű gyémántszemcséket tartalmazó vízbázisú szuszpenzió, majd 1 μm átmérőjű gyémántszemcséket tartalmazó Az akár EBSD vizsgálatokhoz is megfelelő felületminőség elérése érdekében 0,1 μ m átmérőjű gyémántszemcséket tartalmazó vízbázisú szuszpenziót és végül 0,05 μm átmérőjű γ aluminium-oxidos vízbázisú szuszpenziót használtam, a megfelelő polírozó kendőkkel. A minták előkészítéséhez a csiszolást, polírozást mintánként legalább 10 fokozatban végeztem. A karbidok mennyiségének vizsgálata érdekében a mintáimon láthatóvá, és tisztán elkülöníthetővé kellett tegyem a karbidszemcséket. Tehát szükségem volt egy olyan anyagra amely különböző filmréteget hoz létre az anyag karbidszemcséin illetve a ferritszemcséken. Az elektropotenciál a minta felületén mikroszerkezeti lépték során változik, így a szemcsék és a 15. ábra: A különböző orientációjú szemcséken másmás rétegvastagságban keletkezett filmréteg (karbidok vizsgálatához elégtelen maratási idő). 76. ábra: Megfelelően maródott felület homogén filmréteggel. Jól elkülöníthetők a karbidszemcsék fényesség alapján. 20
szemcsehatár között is változik. Ezt az elektrolitikus aktivitást, amely a filmképződést is eredményezi, a helyi fizikai vagy kémiai heterogenitások hozzák létre, amelyek a specifikus maratási körülmények között egyes fázisokat anódossá, másokat katódossá tesznek. Beraha aszerint csoportosította a színes marószereket, 17. ábra: Klemm's I. marószer használat közben. hogy a film a katódos (pl. karbidok, nitridek) vagy az anódos mikroszerkezeti elemeken (pl. ferrit, ausztenit) alakul-e ki. Gyakorlati tapasztalatok alapján levonható az a következtetés, hogy az anódos fázisokon könnyebb létrehozni az interferencia filmet. A kristálytani orientációnak befolyásoló szerepe van az anódos filmképződésre, azaz a különböző orientációjú szemcséken más-más rétegvastagságban alakul ki a filmréteg, így más színárnyalatok jönnek létre (15. ábra). A katódos fázisokat általában ez nem befolyásolja így azok homogénebbek. A marószer ph-ját úgy kell beállítani, hogy ne oldja fel a létrejött filmréteget, így a keletkező filmréteg megvédi az anyagunkat a további marástól. A legtöbb színes marószer Beraha és Klemm nevéhez fűződik. Ezek közül egy viszonylag könnyen alkalmazható szulfid filmet létrehozó anyagot használtam. A mintáimat Klemm I-es reagensel marattam. A marószer 50ml-es törzsoldatához szükség van 50ml desztillált vízben telített nátriummetabiszulfitra (Na2S2O3) és 1g kálium-metabiszulfitra (K2S2O5). A sókristályok a desztillált vízben feloldódnak és a fém felületével érintkezve SO2, H2S és H2 keletkezik. A marószer frissen előállítva 2-3 perc alatt létrehozta a szükséges film vastagságot, azonban a reakciónak köszönhetően a marószer 1-2 maratás után hígul így a későbbiekben 5-7 perces maratási időre volt szükség. Egy adag ˇ25ml marószer 5-7 maratásra volt elég. Az oldat készre keverés után körülbelül 12 órára besárgult, és még 1-2 napig használat közben visszafehéredett, amíg ez megtörtént a szer használható volt, ezután újat kellett csinálni. Maratás után a mintáimat fémmikroszkóppal vizsgáltam, képeket készítettem róla, majd képelemző szoftver segítségével meghatároztam a karbidok terület-arányát az adott felületeken (Kardos, 2006.) A vizsgálati minták zárványosságát polírozott állapotban, szövetszerkezetét nitállal való maratás után Olympus PMG3 típusú fénymikroszkóppal vizsgáltam. 21
A felpolírozott és maratott minták keménységét Buehler típusú mikrokeménység mérővel, 100g-os terheléssel mértem. Ahol a fénymikroszkóp felbontása nem bizonyult elegendőnek, ott pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatokat végeztem Philips XL30 típusú berendezéssel (SEM=Scanning Elektron Microscope). A pásztázó elektronmikroszkópban az elektronforrás vagy elektronágyú (benne többnyire izzó katód) állítja elő a vizsgálathoz szükséges elektronokat, amelyeket nagyfeszültség gyorsít a vizsgálandó minta felé, és egy elektromágnesekből álló lencserendszer (kondenzátor és objektív) fókuszál tűhegyű nyalábbá. Az elektronok a minta anyagával kölcsönhatásba lépve számos olyan jelet (szekunder elektronokat, visszaszórt elektronokat, röntgensugárzást, fényt stb.) hoznak létre, amelyek visszatükrözik a vizsgálandó minta valamilyen tulajdonságát az adott pontban. Ezen jelek detektálására különféle detektorokat alkalmaznak. A nyalábot a minta felületén pásztázva, a televíziós készülékben szokásos módon, a minta felületi tulajdonságai pontról pontra feltérképezhetők. Egy-egy detektorból vett jel megjelenítésére televíziós képernyő használható, amelyben az elektronnyaláb szinkronban mozog a pásztázó elektronmikroszkóp elektronnyalábjával. Kicsit leegyszerűsítve, a mintáról pontról pontra vett információt ugyanabban a sorrendben jeleníti meg egy TV-képernyőn és így áll elő a kép. A ferritszemcsék orientációjának, a kis és nagyszögű szemcsehatároknak a vizsgálata visszaszórt elektron-diffrakció (Electron Back Scattered Diffraction, EBSD) technikával történt. Az alkalmazott gyorsító feszültség 25kV volt. A visszaszórt elektron-diffrakció egy mikroszerkezet vizsgálati módszer, mellyel kristályos vagy polikristályos anyagok szemcséi tanulmányozhatók. Az elektronnyalábbal pontszerűen besugárzott mintáról visszaszóródó elektronok a helyi kristályszerkezetre jellemző diffrakciós mintázatot adnak, melyből az alapvető kristálytani jellemzők (a kristálytani rendszer, rácsállandók, orientáció) meghatározhatók. Ezek alapján az anyag homogenitására, a szemcsehatárokra, hibahelyekre, a fellépő feszültségekre vonatkozó további tulajdonságok számolhatók. Az elekt- 18. ábra: EBSD elvi vázlata. 22
ronsugarat pásztázva mindezek a jellemzők térképszerűen is megjeleníthetők. A módszer leggyakoribb megvalósítási formája a pásztázó elektronmikroszkópra szerelt EBSD detektor, a kiértékeléshez szükséges számítógépes és szoftveres háttérrel. Az orientációs térkép a minta felületi pontjainak orientációját egy jól definiált színkódolás segítségével teszi láthatóvá, így jól megfigyelhetőek az egyes szemcsék, szemcsehatárok, szemcsén belüli lokális orientáció-ingadozások. A képminőség térkép az egyes pontokban mért Kikuchi-ábrák jóságát számszerűsíti és ábrázolja szürkeségi skálán Ha adott mérési pontban a kristályrács ép, akkor a Kikuchi-vonalak élesek, tiszták, a ponthoz rendelhető pixel ilyenkor világos. Ha a mérési pontban a kristályrács torzult (pl. szemcsehatároknál, vagy erősen alakított tartományokban, nagy diszlokáció sűrűségnél), akkor a Kikuchi- vonalak életlenek, diffúzak lesznek, és a ponthoz rendelhető pixel ilyenkor sötétebb. Az EBSD vizsgálatokkal láthatóvá tehetők a kisszögű illetve a nagyszögű szemcsehatárok is.(pozsgai, 1994) 2 Kísérleti rész 2.1 Keménységmérés Hidegalakítás hatására bekövetkező keménység változás követése érdekében a mintáimat hideghengerléssel alakítottam, majd a hengerlés, és megfelelő előkészítés után mikrokeménység méréssel vizsgáltam meg. A keménységmérő vizsgálatot 100g terheléssel és 11s-osterhelési idővel vizsgáltam. Az alakítás hatására, a lemezünk felkeményedett. Melegenhengerelt állapotú minta keménysége az átlagos 119,4 HV0,1 ről több mint 220 HV0,1-re nőtt 70%-os mérnöki alakváltozás hatására A jelenség a diszlokációk sokszorozódásával hozható összefüggésbe. A melegen hengerelt lemezben 10 12 m -2 nagyságrendű a diszlokációk száma, hidegalakítás hatására ez a szám eléri a 10 14 m -2 nagyságrendet (Fábián R., 2012). 23
A mérések alapján a hideghengerlés következtében a lemez keménysége lineárisan nőtt a (6.) egyenlet szerint. " #,$ 1,34 ( ) 118,61 (6.) 19. ábra: Alakítás hatása az EK4 minőségű lemez keménységére. Ahogy azt a 19. ábrán is láthatjuk a melegen hengerelt lemez keménysége alig haladta meg a 100HV-t, 70%-os alakítottság után 217,9HV0,1 lett. A keménységmérési adatokból, jó közelítéssel meghatározható a lemez szakítószilárdsága (Prohászka): +, -. (7.) Prohászka szerint a k érték 0,34 24
Ehhez a szükséges a kapott eredményeinket Vickers-ből átváltani Brinell-be. A http://www.boehler.hu/hungarian/765.php honlapon hasonló elven kiszámolt adatok alapján a mért mikrokeménységi adatokból megállapítható a lemez szakítószilárdsága. Ezen összehasonlító táblázat adatai alapján láthatjuk, hogy a melegen hengerelt lemez szakítószilárdsága közelítőleg 38 MPa volt; ~71%-os mérnöki alakváltozás után meghaladja a 70 MPa-t (5. táblázat). 5. táblázat: EK4-es minőségű lemez szakítószilárdágának változása hideg alakítás hatására. 25
2.2 Szövetszerkezet Hideghengerlés hatására kialakuló szövetszerkezeti változásokat a DC04EK lemezek alapanyagául szolgáló melegen hengerelt, nagy hőmérsékleten csévélt (EK4-es minőségű) mintákban vizsgáltam. A vizsgálati minták szemcseméretét a korábban említett előkészítés és nitállal való maratás után az MSZ EN ISO 643: 2003 szabvány szerint határoztam meg. A melegen hengerelt acél szövetszerkezetét egyenlő tengelyű ferrit szemcsék alkotják (20.-22. ábra). A szemcseméret fokozatszám G7/8. A ferritszemcsék nyújtottságát először a hosszirányú metszeteken lehetett megfigyelni a további alakítások hatására a hosszirányú metszeteken a ferritszemcsék egyre nyújtottabbak, keresztirányú csiszolatokon is elveszítik ekviaxiális jellegüket, a lapcsiszolaton palacsintaszerű alakot öltenek (26-28.ábrák), de, 70%-os alakítás után minden irányban nyújtott szemcséket figyelhettünk meg, a nyújtottság aránya a hosszirányú csiszolaton (29-31. ábrák): 20. ábra: ɛ = 0,0% Hosszcsiszolat. 8. ábra: ɛ = 0,0% Keresztcsiszolat. 22. ábra: ɛ = 0,0% Lapcsiszolat. 9. ábra: ɛ = 28,9% Hosszcsiszolat. 10. ábra: ɛ = 28,9% Keresztcsiszolat. 25. ábra: ɛ = 28,9% Lapcsiszolat. 26
26. ábra: ɛ = 51,1% Hosszcsiszolat. 27. ábra: ɛ = 51,1% Keresztcsiszolat. 28. ábra: ɛ = 51,1% Lapcsiszolat. 29. ábra: ɛ = 70,8% Hosszcsiszolat. 30. ábra: ɛ = 70,8% Keresztcsiszolat. 40. ábra: ɛ = 70,8% Lapcsiszolat. A nyújtottság mértékét hosszirányú metszeteknél szokás megadni. Megfigyelhető, hogy melegenhengerelt állapotban a ferritszemcsék ekviaxiálisak, 20%-os alakváltozás után a hosszirányú metszeten, már néhány ferritszemcse nyújtottsága eléri az ½ arányt. ez a mérőszám a további alakítások hatására jelentősen nő: 41. ábra: Hosszirányú csiszolat, ɛ = 0,0%. 42. ábra: Hosszirányú csiszolat ɛ = 16,1%. 27
43. ábra: Hosszirányú csiszolat ɛ = 22,8%. 44. ábra: Hosszirányú csiszolat ɛ = 28,9%. 45. ábra: Hosszirányú csiszolat ɛ = 38,9%. 46. ábra: Hosszirányú csiszolat ɛ = 43,9%. 47. ábra: Hosszirányú csiszolat, ɛ = 51,1%. 48. ábra: Hosszirányú csiszolat, ɛ = 58,6%. 28
49. ábra: Hosszirányú csiszolat, ɛ = 63,6%. 50. ábra: Hosszirányú csiszolat, ɛ = 70,8%. Fémmikroszkópos vizsgálatok során, a hosszirányú csiszolatokon, már 51%-os fogyás után láthatóvá válnak a nyírási sávok: 11. ábra: Nyírási sávok a hosszirányú csiszolaton, ɛ = 51%. 29
12. ábra: Nyírási sávok a hosszirányú csiszolaton, ɛ = 70,8%. A vizsgált anyagminőségnél a ferrit mellett második fázisként megjelenő karbidok: nagy nagyításban már fénymikroszkópon is megfigyelhetőek. A még alakítatlan minta esetén a kar bidok a ferrit szemcsehatárokon helyezkednek el. A masszív karbidok hidegalakítás hatására a hengerlés irányára merőlegesen megrepednek, eltörnek. A karbidok töredezése során a karbidrészecskék között mikroüregek keletkeznek. 53. ábra: Karbidok a szemcsehatárokon, ɛ = 0,0%, N=500x. 54. ábra:töredezett karbidok. ɛ = 51,1%. 30
2.3 Karbidok Vizsgálata A szövetszerkezeti vizsgálatok során feltűnt a karbidok töredezése és mennyiségük növekedése. Ezen túl a karbidok egy részén, az alakítás hatására egy kismértékű nyújtottság is megfigyelhető volt, viszont nitállal való maratás után alig különböztethető meg a masszívkarbid a ferrites szövettől fémmikroszkópos vizsgálatokkal. Megfelelő előkészítés után pásztázó elektronmikroszkópos felvételeken már jól elkülönülnek a karbidok a ferrittől (55., 56. ábra). A karbidok nyújtottá válása és a korábbi, hasonló anyagokon végzett kísérletek felvetették a gondolatot, hogy talán nem csak mennyiségük, de a százalékos terület arányuk is megnőtt a karbidoknak. 55. ábra: Masszív karbidok SEM képe egy hasonló, de nagyobb C-tartalmú EK04-es acélnál. 56. ábra: Repedt, törött karbidok és mikroüregek egy hasonló,nagyobb C tartalmú alakított és lágyított EK04-es acélnál. 6. táblázat: Az előző két elektronmikroszkópos felvételen látható magasabb széntartalmú acél vegyi összetétele. A karbidok területarányának meghatározására a nitálos maratás utáni pásztázó elektronmikroszkóps felvételek sem elég kontrasztosak, ha képfeldolgozóval szeretnők ezt megvalósítani. Szakirodalmi adatok alapján a Klemm I marószer alkalmazása lehetővé teszi a karbidok területarányának mennyiségi meghatározását, mivel ez a reagens a ferrit szemcsék felületét elszínezi, a karbidot viszont nem. 31
57. ábra: Masszív karbid jelenléte melegenhengerelt acélban C=0,05%. 58. ábra: Töredezett karbidok egy C=0,05%.tartalmú erősen alakított acéllemezben. A mintáimat a Klemm s I. reagenssel történő maratás után, amennyiben megfelelő minőségű lett a filmképződés, a mintáimat fémmikroszkóppal 1000x-es nagyításban vizsgáltam. 1000xes nagyításban a kisebb karbidszemcsék is elegendően nagyok ahhoz, hogy megfelelő minőségű kép készítésekor több pixel nagyságúak legyenek, így feldolgozhatóak legyenek képelemző szoftver segítségével. Mivel az optimális maratási idő változó volt így igen nehéz volt megfelelő minőségű képeket készíteni, ugyanis a képelemző szoftver homogén filmrétegeket kezel a legkönnyebben. Mintánként minimum 28db jó minőségű képet készítettem átlagos területekről. A képek kiértése egyesével történik. 32
59. ábra: Hosszcsiszolat karbidjai, ɛ =0,00%. 60. ábra: Keresztcsiszolat karbidjai, ɛ =0,00%. 61. ábra: Lapcsiszolat karbidjai, ɛ =0,00%. 62. ábra: Hosszcsiszolat karbidjai, ɛ =38,9%. 63. ábra: Keresztcsiszolat karbidjai, ɛ =38,9%. 64. ábra: : Lapcsiszolat karbidjai, ɛ =38,9%. 65. ábra: Hosszcsiszolat karbidjai, ɛ =70,8%. 66. ábra: Keresztcsiszolat karbidjai, ɛ =70,8%. 67. ábra: Lapcsiszolat karbidjai, ɛ =38,9%. A maratott mintákon jól kivehető a karbidoknak a töredezése, illetve nyúlása. Hossz- illetve lapcsiszolaton megfigyelhető továbbá nem csupán mennyiségi, hanem százalékos területarányban is egy növekvő tendencia a karbidok javára. A keresztcsiszolaton ezek a nyújtottság alig vagy nem kivehető, azonban ez a vártnak megfelelő, ugyanis keresztirányú metszetben a szemcséink is sokkal kevésbé deformálódnak. A mintákról több mint 900 db felvétel készült, ezeket egyesével kiértékelve nagyon sok időt vettek volna igénybe. A folyamat gyorsítás érdekében mintánkén kiválasztottam a 25 legjobb 33
minőségű képet, ezeket Adobe Photoshop Lightroom segítségével azonos világosságra állítottam be, majd egy 5x5db-os 25db fényképből álló nagyfelbontású kollázst készítettem. 68. ábra: Nagyfelbontású 5x5-ös kollázs azonos világosságúra állítva. Így 750 képből csináltam 30db-ot. A képelemző szoftver pontosságát növelendő, a készített kollázsok színeit Lightroom segítségével tovább módosítottam, így elérve nagyobb kontrasztot és élességet a szemcsék és karbid darabok között 34
69. ábra: Nagyfelbontású 5x5-ös kollázs képjavítás előtt. Ezzel egyszerre tudtam le több kép kiértékelését, és a kapott eredmények átlagolását is. Az így elkészített képeket JMicroVision nevű képelemző szoftver segítségével értékeltem. A programmal képes elkülöníteni egy adott képben a világos és sötét foltok arányát, továbbá beállítható egy minimális méret amitől érzékelje a foltokat a hibák kiszűrése érdekében. 35
70. ábra: JMicroVision működés közben. Pirossal program által érzékelt világos területek (karbidok). Megfelelő beállításokkal a kapott arány egyenlő lesz a karbidszemcséink területarányával az adott mintán. 71. ábra: Láthatóan relatív kevés karbid az alakítatlan állapotban (k=0,80%). 36
72. ábra: Láthatóan relatív sok karbid az egyik legalakítottabb mintánál, ɛ = 63,6%. (k=1,08%) Az képek kiértékelése után a következő adatokat kaptam: 7. táblázat: Karbidok terület aránya. 37
Ezeket grafikonon ábrázolva, szemléletessé tehetjük az alakítás hatására létrejövő karbidnövekedést: 1.2 Karbidok területének százalékos arányváltozása az alakítás függvényében Karbidok százalékos terület aránya [%] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Alakítottsági fok, ε [%] Hossz csiszolat Kereszt csiszolat Lap csiszolat 73. ábra: Karbidok százalékos terület arányának változása a felületen alakítás hatására. A grafikonon láthatjuk, hogy az alakítás hatásra a karbidok nem csak hogy töredezetté válnak, így darabszámuk nő, hanem adott vizsgált felületeken a karbidok százalékos terület aránya is nőtt. A kapott értékek szórása igen nagy, azonban kivehető, hogy például a lapcsiszolaton a kezdeti karbid arányunk 0,4% alatti, majd a hideghengerlés hatására a legalakítottabb állapotban ez az arány a 0,8%-ot is meghaladja. A keresztcsiszolaton végzett méréseknél igen nagy szórást tapasztalhatunk és sem növekvő, sem csökkenő tendenciára nem következtethetünk, azonban ez azzal magyarázható, hogy az összetöredezett karbidok a ferrit szemcsék határán sorokba rendeződnek, és keresztirányban kevés masszív karbidot metszünk és így gyakorlatilag a nagyobb mértékű alakváltozások után sem tapasztalhatjuk a karbidok területarányának növekedését. 38
Karbidok területének százalékos arányváltozása az alakítás függvényében 1.2 Karbidok százalékos terület aránya [%] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Alakítottsági fok, ε [%] Hossz csiszolat 74. ábra: Karbidok százalékos terület arányának változása a lapcsiszolaton alakítás hatására. A hosszcsiszolatunkon végzett mérési eredményekre, a szemléletesség kedvéért egy görbét is illeszthetünk, amelyen jobban megfigyelhető a tendencia 39
2.4 EBSD mérés Amint az előzőekben bemutattam az orientáció meghatározó a mélyhúzhatóság szempontjából. A mintákat ezért ez után EBSD vizsgálatnak vettettem alá. Ehhez a vizsgálathoz a mintáknak igen precíz előkészítésére van szükség. A hagyományos metallográfiai vizsgálatokhoz elégséges előkészítés nagyon gyakran nem elegendő. Bár a finom szerkezeti részek, karbidok fénymikroszkópon történő megfigyeléséhez szükséges a csiszolatok többlépcsős polírozása (3μm, 1μm, és végül 0,1 μm-es finomságú polírozó szert alkalmaztam) illetve ezt követően a maratása. Az EBSD-s vizsgálatoknál, ha nem tökéletes a felület előkészítettsége, a Kikuchi- vonalak nem jönnek. A polírozás során esetenként még réteg maradhat a minta felületén mely problémára Beilby mutatott rá az 1920-as években. Beilby cáfolta a korábbi feltételezést, mely szerint a polírozás tulajdonképpen egy vágási eljárásnak tekinthető, ahol az anyagrészek úgy kerülnek eltávolításra, hogy a létrejövő felület apró barázdákból áll, és minél finomabb a polírozó szer, annál finomabban barázdált a minta, így végül tükörszerűen reflektáló felület kapható. Beilby arra a következtetésre jutott, hogy a mechanikai polírozás során a minta felületéről nem történik anyagleválasztás, ehelyett darab felső rétege szétkenődik, simítva ezzel a felületi egyenetlenségeket. Az elkent réteg eltávolítására megfelelő módszer a minta maratása, majd újbóli polírozása, és ennek a ciklusnak néhányszori megismétlése. A minta maratását 2%-os nitál oldattal végeztem. 2.4.1 Képminőség térkép Az EBSD mérés során a program minden egyes mérési pont minőségét értékeli egy számmal, mely az adott pontban a Kikuchi vonalak érékelhetőségének minőségét jellemzi. Ezeket a pontokat egy térképen ábrázolhatjuk, olya módon hogy minden egyes számoz egy adott szürkeségi fokot rendelünk. Ilyen módon minél világosabb a térképen egy pixel, annál jobb ott a felvétel minősége és fordítva. A felvételt nagyban rontják az anyagban lévő diszlokációk, melyek, mint ahogy már említettem, az alakítás során egyre szaporodnak. Így a felvételek sötétedésével a diszlokációk sűrűsödését láthatjuk. 40
75. ábra: Képminőség térkép, ɛ = 0,0%. 76. ábra: Képminőség térkép, ɛ = 22,8% 57. ábra: Képminőség térkép, ǫ = 22,8% 77. ábra: Képminőség térkép,ɛ = 43,9%. 78. ábra: Képminőség térkép,ɛ = 70,8%. 41
2.4.2 Kis- és nagyszögű szemcsehatárok A programmal lehetősségünk van a felületen a szemcsehatárok meghatározására, és akár elkülöníteni a kis és nagyszögű határokat is.a 79.-84. ábrákon zölddel a 2-5 közötti kisszögű, pirossal a 5-10 szemcsehatárokat, feketével pedig a 10 -nál nagyobb szögű szemcsehatárokat jelöltem 79. ábra: Szemcsehatár térkép, ɛ = 0,0%. 80. ábra: Szemcsehatár térkép,ɛ = 16,1%. 81. ábra: Szemcsehatár térkép,ɛ = 43,9% 82. ábra: Szemcsehatár térkép, ɛ = 58,6%. 83. ábra: Szemcsehatár térkép,ɛ = 63,6% 84. ábra: Szemcsehatár térkép, ɛ = 70,8 %. 42
A következő táblázatban a különböző szögű (2-5 ; 5-10 ; 10 < ) szemcsehatárok százalékos aránya van feltüntetve, az alakváltozások függvényében 8. táblázat: Szemcsehatárok százalékos eloszlása. A grafikonon az előbbi táblázat adatai szerepelnek szemléletesebben 84. ábra: Szemcsehatárok aránya. 43
A diagramon jól látszik, hogy az 5-10 -os szemcsehatárok a nyújtottság függvényében folyamatosan csökkennek. A 2-5 -os kisszögű szemcsehatárok száma pedig a 43,9%-os alakváltozás körül hirtelen megnő, míg a 10 fölötti szemcsehatárok mérete ugyanitt lecsökken. 2.4.3 Orientációs térkép A vizsgálat a visszaszórt elektrondiffrakción (Electron Back Scattering Diffraction, EBSD) alapul. A primer elektronnyaláb útjában elhelyezett mintában a primer elektronok rugalmatlan szóródást szenvednek, majd ezek a rugalmatlanul szórt elektronok az egyes kristálytani síkokon rugalmas, a Bragg-feltételnek megfelelő újabb szóródáson mennek keresztül. Ez utóbbi diffrakció eredményeképpen az elektronok a kristálytani síkról egy kúppalást mentén szóródnak, és ennek a kúppalástnak, valamint egy alkalmas helyen elhelyezett felfogó ernyőnek a metszéssíkjában egy jellegzetes vonalas rajzolat, az ún. Kikuchi-ábra alakul ki. A vonalak elhelyezkedéséből a vizsgált pont (illetve annak környezetének) kristálytani szerkezete és orientációja meghatározható, azaz a Kikuchi-ábra azonosítható és indexelhető. Az EBSD-vizsgálat laterális felbontóképessége kb. 0.5 µm. A mérés sebességére jellemző, hogy egy mérési pontról a Kikuchi-ábra felvétele, a vonalak azonosítása, majd az orientáció meghatározása (optimálisan előkészített minta esetén) kb. 0.1 másodperc alatt megtörténik. (Szapó P.J.) Az orientációs térképeken megfigyelhetjük, hogy az alakítás előrehaladtával a kék illetve piros színhez tartozó orientáció egyre határozottabbá válik. Az orientációs térképeken a hengerelt felület normálisa szerint az (111) orientációjú szemcsék kék színűek, az (100) orientációjúak pirosak, és az (110) orientációjúak zöldek. Az orientációs térképeken a hengerelt felület normálisa szerint az (111) orientációjú szemcsék kék színűek, az (100) orientációjúak pirosak, és az (110) orientációjúak zöldek. A különböző mértékű alakváltozások után készített orientációs térképeket a hengerelt felülettel párhuzamos mintákon (feltehetőleg a lemezvastagság felének közelében) a 69-77. ábrákon láthatjuk. A képeken jól látszik, hogy az alakítás előrehaladtával a kék illetve piros színhez tartozó orientáció egyre határozottabbá válik. 44
85. ábra: Orientációs térkép, ɛ = 0,0%. 86. ábra: Orientációs térkép, ɛ = 16,1%. 87. ábra: Orientációs térkép, ɛ = 22,8%. 88. ábra: Orientációs térkép, ɛ = 28,9%. 89. ábra: Orientációs térkép, ɛ = 38,9%. 90. ábra: Orientációs térkép,ɛ = 43,9%. 45
91. ábra: Orientációs térkép ɛ = 58,6%. 92. ábra: Orientációs térkép ɛ = 63,6%. 93. ábra: Orientációs térkép ɛ = 70,8%. A hengerelt minták orientációs vizsgálata során azt tapasztaltam, hogy a kezdeti alakváltozások hatására a hengerelt felülettel párhuzamos mintalemezek normálisa szerinti (111) orientációjú textúrák (<111>II NI) mennyisége nőtt, ám adott alakítások után az előbbi tendencia kissé megváltozott ami feltehetőleg az egyre nagyobb mennyiségű karbid töredezésével hozható öszszefüggésbe. Miután gyakorlatilag az összes karbid már töredezetté vált (56., 58. ábra) az <111>II NI jellegű texturáltság ismét egyre határozottabbá vált. Ez a jelenség az inverz pólusábrákon még szemléletesebben látszik. 46