Диаграммы структур, формирующихся в рельсовой стали после электронно-пучковой обработки Текст научной статьи по специальности «Физика»

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

УДК 669.04:53.097:539.376:539.388

В.А. Гришунин, А.Б. Юрьев

Сибирский государственный индустриальный университет

ДИАГРАММЫ СТРУКТУР, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ*

В последние годы одним из перспективных методов преобразования поверхностного слоя металлов и сплавов без существенного изменения структуры и свойств объема в целом является электронно-пучковая обработка (ЭПО), значительно повышающая усталостную долговечность стали [1 - 4]. Это во многом определяется уникальными свойствами электронного пучка как инструмента обработки - значительными (до 10 см2) размерами отпечатка электронного пучка на обрабатываемой поверхности, высокими (более 106 Вт/см2) плотностями мощности [5, 6]. Для установления оптимальных режимов ЭПО необходимо знание закономерностей и физических механизмов формирования структуры и фазовых состояний поверхностных слоев при электронно-пучковом облучении.

В настоящей работе проанализированы диаграммы структур, формирующихся в рельсовой стали на различном расстоянии от поверхности после облучения высокоинтенсивным электронным пучком.

В качестве материала исследования использована рельсовая сталь Э76Ф, элементный состав которой, согласно ГОСТ Р 51685 - 2000, следующий: 0,71 - 0,82 % С; 0,03 - 0,15 % V;

0,25 - 0,60 % Si; 0,75 - 1,15 % Мп; до 0,025 % S; до 0,025 % Р; до 0,02 % А1; остальное железо. В исходном состоянии сталь имеет перлитную структуру. Образцы облучали на установке «СОЛО» [6, 7] при следующих параметрах: плотность энергии пучка электронов (Е) 10, 20 и 30 Дж/см2; длительность т воздействия импульса пучка электронов 50 мкс; количество N импульсов воздействия 3; частота f следования импульсов 0,3 с-1; давление остаточного газа (аргона) в рабочей камере приблизительно 0,02 Па.

Фазовый состав и дефектную субструктуру стали анализировали методами просвечивающей электронной дифракционной микроско-

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 гг.» (Соглашение № 14.В37.11. 0071).

пии (ПЭМ) [8 - 10]. Фольги для электронной дифракционной микроскопии готовили односторонним электролитическим утонением пластинок, вырезанных параллельно поверхности облучения на различном расстоянии от поверхности воздействия (приблизительно 10, 40, 100 мкм, а также включая саму поверхность).

Электронно-пучковая обработка поверхности стали приводит к образованию структуры ячеистой кристаллизации, что свидетельствует о плавлении поверхностного слоя и последующей высокоскоростной кристаллизации со скоростями порядка 106 К/с [4, 6, 7]. Толщина расплавленного слоя при Е5 = 10 Дж/см2 составляет единицы микрометра, при Е$ = = 30 Дж/см2 достигает порядка 20 мкм. Такое высокоскоростное охлаждение стали приводит к закалке поверхностного слоя. В объеме ячеек кристаллизации формируется мартенситная структура преимущественно пакетной морфологии.

При Е5 =10 Дж/см2 в поверхностном слое формируется крайне неоднородная структура. Наряду со структурой ячеистой кристаллизации, содержащей наноразмерные кристаллы мартенсита, в поверхностном слое выявляются зерна со структурой пакетного мартенсита, поперечные размеры кристаллитов которых изменяются в пределах 85 - 220 нм. Одновременно с этим выявляются зерна, в объеме которых присутствуют области микронных размеров, границы которых окружены по контуру кристаллами мартенсита. Условно назовем такие образования «мартенситом зеренного типа». Диаграмма структур, формирующихся в поверхностном слое рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком с различной плотностью энергии пучка электронов, приведена на рисунке, поз. а. Обработка стали высокоинтенсивным электронным пучком вследствие сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения приводит к формированию в поверхностном слое образца гра-

Диаграмма структур, формирующихся при обработке высокоинтенсивным электронным пучком при различной плотности пучка электронов в поверхностном слое стали (а), на глубине 10 мкм (б) и 40 мкм (в):

1 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя кристаллов мартенсита, поперечные размеры

которых менее 100 нм (наноразмерный мартенсит);

2 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя кристаллов мартенсита, поперечные размеры которых более 100 нм; 3 - относительное содержание в структуре поверхностного слоя мартенсита зеренного типа; 4 - относительное содержание в структуре слоя зерен, в объеме которых выявлены частицы цементита

глобулярной морфологии; 5 - относительное содержание в структуре слоя зерен с «феррито-цементитной структурой»; 6 - относительное содержание в структуре слоя зерен перлита

диентов структуры и фазовых состояний. В слое, расположенном на глубине порядка 10 мкм, при ES = 10 Дж/см2 формируется многофазная структура, представленная мартенситом пакетной и пластинчатой морфологии, остаточным аустенитом и цементитом. Присутствие мартенсита и остаточного аустенита указывает на протекание в этом слое стали полиморфного а ^ у ^ а-превращения.

При обработке поверхности стали электронным пучком при ES = 30 Дж/см2 в этом слое формируется структура, основой которой является а-фаза, характеризующаяся малым (0,8 - 1,5 мкм) размером зерен. В объеме зерен выявляется мартенситная структура, представленная кристаллами пакетного и пластинчато-

го мартенсита, что может быть обусловлено нахождением этого слоя в зоне контакта расплава с твердым телом (область дна ванны расплава). Наряду с а-фазой в исследуемом объеме в незначительном количестве присутствуют у-фаза (остаточный аустенит) и карбид железа (цементит), рефлексы которых выявляются на микроэлектронограммах. Диаграмма структур, формирующихся в рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком с различной плотностью энергии пучка электронов, в слое, расположенном на глубине приблизительно 10 мкм, приведена на поз. б рисунка.

На расстоянии приблизительно 40 мкм от поверхности облучения (зона термического влияния) при ES = 30 Дж/см2 формируется многофазная морфологически разнообразная структура, образующаяся в температурном интервале сосуществования трех фаз: а-фазы, у-фазы и карбида железа. Основной фазой этого слоя является а-фаза. Преимущественной морфологической формой а-фазы являются зерна, в которых прошло мартенситное превращение с образованием кристаллов пакетного мартенсита и кристаллов пластинчатого мартенсита. В незначительном количестве обнаруживаются зерна структурно свободного феррита, которые были выявлены и в структуре исходного состояния стали. Это позволяет считать, что мартенситная структура формировалась в зернах перлита и «псевдоперлита», т.е. в зернах, обогащенных углеродом.

На глубине приблизительно 40 мкм выявляются зерна перлита, в объеме которых фиксируются различные стадии термического разрушения пластин цементита и реализации процесса а ^ у ^ а-превращения (далее их будем называть зернами с феррито-цементитной структурой). В объеме зерен присутствуют кристаллы мартенсита, прослойки или/и островки остаточного аустенита и частицы цементита пластинчатой или глобулярной формы. Термическое преобразование зерен псевдоперлита в отдельных случаях приводит к формированию структуры зеренно-субзеренного типа. В объеме таких зерен и субзерен присутствуют кристаллы пакетного мартенсита, поперечные размеры которых изменяются в пределах 30 - 50 нм. Диаграмма структур, формирующихся в рельсовой стали, облученной высокоинтенсивным электронным пучком с различной плотностью энергии пучка электронов, в слое, расположенном на глубине приблизительно 40 мкм, приведена на поз. в рисунка.

Как уже ранее отмечалось в работе [4], электронно-пучковая обработка по указанным выше режимам не приводит к значимому изменению фазового состава и дефектной субструктуры слоя стали, расположенного на расстоянии приблизительно 100 мкм от поверхности облучения.

Выводы. Облучение рельсовой стали высокоинтенсивным электронным пучком с плотностью энергии 10-30 Дж/см2, длительностью воздействия 50 мкс и частотой следования пучка электронов 0,3 с-1, при количестве импульсов воздействия 3 (среда облучения -инертный газ аргон при остаточном давлении приблизительно 0,02 Па) сопровождается плавлением поверхностного слоя на различную глубину и формированием структуры ячеистой кристаллизации. Высокоскоростная закалка рельсовой стали после воздействия высокоинтенсивным электронным пучком сопровождается формированием наноразмерного мартенсита. Выявлен градиентный характер структур, формирующихся на расстоянии до 100 мкм от поверхности облучения.

Автор выражает благодарность проф. Ю.Ф. Иванову за помощь в проведении электронномикроскопических экспериментов и обсуждении результатов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Физические основы повышения усталостной долговечности нержавеющих сталей / Ю.Ф. Иванов, С.В. Воробьев, С.В. Конова-

лов и др. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2011. - 302 с.

2. Г р о м о в В.Е., Г о р б у н о в С.В., И в а н о в Ю.Ф. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2011. № 10. С. 62 - 67.

3. И в а н о в Ю.Ф., Г о р б у н о в СВ., Г р о м о в В.Е. и др. // Материаловедение. 2011. № 5. С. 43 - 47.

4. Г р о м о в В.Е., Г р и ш у н и н В.А., И в а н о в Ю.Ф. и др. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2012. № 3. С. 37 - 41.

5. R o t s h t e i n V.P., P r o s k u r o v s k y D.I., O z u r G.E. et al. // Surface & Coatings Technology. 2004. № 180-181. Р. 377 - 381.

6. К о в а л ь Н.Н., И в а н о в Ю.Ф. // Изв.

вуз. Физика. 2008. № 5. С. 60 - 70.

7. D e v y a t k o v V.N., K o v a l N.N.,

S c h a n i n P.M. et al. // Laser and Particle

Beams. 2003. Vol. 21. P. 243 - 248.

8. У т е в с к и й Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. -М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

9. Э н д р ю с К., Д а й с о н Д., К и о у н С. Электронограммы и их интерпретация. -М.: Мир, 1971. - 256 с.

10. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон и др. - М.: Мир, 1968. - 574 с.

© 2013 г. В.А. Гришунин, А.Б. Юрьев Поступила 31 октября 2012 г.