CC BY
109
УДК 621.785.616.2:669.15
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ ИНТЕНСИВНОЙ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
© 2012 С.С. Югай, М.Г. Закирова, Т.Р. Абляз
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Поступила в редакцию 24.10.2012
Рассмотрена возможность диспергирования высокопрочной низкоуглеродистой мартенситной стали 10Х3ГНМФТ с целью повышения конструкционной прочности. Исследовано влияние интенсивной термической обработки на эволюцию структуры в результате реализации структурной наследственности и динамической рекристаллизации аустенита.
Ключевые слова: термоциклическая обработка, диспергирование, структурная наследственность, динамическая рекристаллизация, блочный мартенсит
В настоящее время большой интерес проявляется к конструкционным материалам со структурой низкоуглеродистого мартенсита, образование которого позволяет получать высокий комплекс характеристик механических свойств. Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС), разработанные в 70-80-ых гг. также обладают высоким комплексом свойств и гарантируют уровень прочности (ов) более 1400 МПа с высокими характеристиками надежности [1]. Принципиальными преимуществами НМС являются возможность использовать в горячекатаном состоянии, хорошая свариваемость и возможность упрочнения методами химико-термической обработки. Известно, что повышение прочностных и вязко-пластических характеристик возможно путем измельчения зерна [2]. Среди многообразия методов диспергирования структуры больший научный интерес представляют методы интенсивной пластической деформации, однако перспективным и технологичным является применение термоциклической обработки (ТЦО) без использования высокоэнергетического воздействия. Высокая релаксационная способность низкоуглеродистого мартенсита позволит измельчить структуру до нанометрических размеров и повысить характеристики механических свойств НМС путем проведения ТЦО с нагревом в аустенитную область выше температуры рекристаллизации [3]. Исследования, проводимые на стали 12Х2Г2НМФТ показали возможность
Югай Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected]
Закирова Мария Германовна, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected] Абляз Тимур Ризович, аспирант
существенного измельчения зерна. После ТЦО (пятикратное повторение аустенитизации 930°С с охлаждением в воде) независимо от режима обработки получали ультрамелкое зерно со средним размером 1,6 мкм, что мельче 14 номера по ГОСТ 5639-82, причем пакетно-реечное строение мартенсита при использовании светового микроскопа не разрешается. Формирующаяся ультрамелкозернистая структура обеспечивает получение предела прочности более 1300 МПа в сочетании с ударной вязкости более 1 МДж/м2.
Одной из перспективных сталей класса НМС является сталь 10Х3ГНМФТ [4], которую возможно использовать для изготовления тяже-лонагруженных конструкций, деталей, подвергаемых химико-термическому упрочнению, изготовлению штампового инструмента и др. Принципиальным отличием от ранее исследованной стали 12Х2Г2НМФТ данная НМС содержит более высокое содержание ванадия, обеспечивающего повышенную теплостойкость. Однако выделение в процессе термической обработки карбидов ванадия приводит к охрупчиванию структуры, что существенно сужает область применения стали 10Х3ГНМФТ. Поэтому исследование диспергирования этой стали с целью повышения вязкости методом ТЦО представляет научный и практический интерес.
Цель работы: исследование формирования структуры и свойств стали 10Х3ГНМФТ при интенсивной термоциклической обработке.
Материалы и методики исследования. Исследованию подвергалась НМС марки 10Х3ГНМФТ, химический состав которой приведен в табл. 1.
Таблица 1. Химический состав стали, % по массе
Марка стали C Mn Si Cr Ni Mo V Ti
10Х3ГНМФТ 0,11 1,37 0,20 3,21 1,28 0,38 0,46 0,05
Исходными заготовками служили прутки квадратного сечения. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы 10^10x55 мм. Объемную термическую обработку проводили в промышленных соляных ваннах со скоростью нагрева более 100 град/сек. Для исследования влияния размера зерна аустенита на структуру и свойства НМС 10Х3ГНМФТ использовали образцы в закаленном состоянии с прокатного нагрева и после термоциклической обработки по режиму: ^агр =950°C, Т = 60 сек, охлаждение -вода, 3,5 и 7 циклов. Электронно-микроскопические исследования проводили на электронном микроскопе Phillips СМ-12 с ускоряющим напряжением 120 кВ. Тонкие фольги готовили электроэрозионной резкой, механическим шлифованием и последующей электрополировкой с использованием плоских электродов из нержавеющей стали в электролите при напряжении 1530 В. Для проведения сканирующей микроскопии образцы исследовали при 1000...30000-кратном увеличении, на сканирующем электронном микроскопе Hitachi P-3400N при ускоряющем напряжении 20 кВ.
Испытания на одноосное растяжение и расчет характеристик прочности и пластичности проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на пятикратных цилиндрических образцах типа Ш № 7 на разрывной машине Р-5 с предельной нагрузкой 2 тонны. Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре МК-30 в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с U-образным надрезом. С целью определения микронапряжений и размеров блоков проводили рентгеноструктурный анализ на установке «ДРОН-2» в моно-хроматическом излучении железа при напряжении 30 кВ и силе тока 15 цА. Определение размеров блоков мартенсита осуществлялось методом аппроксимации. Для проведения анализа производили съемку двух рентгеновских линий (110) и (220), на малых и больших углах отражения.
Результаты эксперимента и их обсуждение. В исходном горячекатаном состоянии сталь 10Х3ГНМФТ имеет структуру типичного низкоуглеродистого мартенсита (рис. 1). Размер зерен аустенита находится в интервале 5-15 мкм, толщина реек составляет примерно 100-300 нм. Внутри реек наблюдаются дислокационные скопления. Плотность дислокаций составляет примерно 10-11 см2.
Термоциклическая обработка при температуре 950°С уже после трех циклов обеспечивала
получение размера аустенитного зерна 3-5 мкм (рис. 2а).
чФ '-«• ."><8 ■■ «оЛ<»' &а>а •г-
щтм
ттшшш
тШтАШЬ ••• ш
ш
шшш
мкм .
Рис. 1. Микроструктура стали 10Х3ГНМФТ в горячекатаном состоянии: а - изображение, полученное методом сканирующей микроскопии, б - светлопольное изображение
Основной причиной измельчения зерна при интенсивном термическом воздействии является реализация одновременно двух явлений: структурной наследственности и динамической рекристаллизации аустенита. В материале возникают структурные и термические напряжения, которые инициируют появление, перераспределение и взаимодействие дефектов кристаллического строения. Реализация структурной наследственности позволяет получить и сохранить эти изменения в аустенитом состоянии, а дальнейшие процессы динамической рекристаллизации такого аустенита приводят к измельчению зерна, причем новые зерна формируются с новой кристаллографической ориентировкой и отделены друг от друга высокоугловыми границами, что подтверждается исследованием остаточного аустенита в матрице (рис. 3).
а
Рис. 2. Микроструктура стали 10Х3ГНМФТ после 3 (а), 5 (б) и 7 (в) циклов
Минимальный размер зерна 0,5-2 мкм и максимальная однородность были получены после пяти циклов, при которых достигается формирование наибольшего количества зародышей аустенита с кристаллографической ориентировкой, отличающейся от первоначальной после фазового превращения. Последующее увеличение количества циклов приводит к незначительному росту зерна, связанного с процессами собирательной рекристаллизации, поскольку энергия образования новых зародышей превосходит энергию роста кристаллов. Просвечивающая электронная микроскопия показывает, что внут-ризеренная структура представляет собой сочетание реек и блоков мартенсита, разделенных мало- и большеугловыми границами (рис. 4). Ширина некоторых реек составляет 50-100 нм, а длина 300-400 нм, размеры блоков составляют 150-200 нм. Плотность дислокаций по данным РСА составляет примерно 1011 см-2. Рентгено-структурный анализ показал, что размер блоков не превышает 200 нм после пятикратного термо-циклирования: в среднем в одном зерне сконцентрировано 5-10 блоков различной кристаллографической ориентировки с высокой плотностью дислокаций.
Рис. 3. Остаточный аустенит (темные участки) в фольге термоциклированной стали 10Х3ГНМФТ
Рис. 4. Тонкая структура стали 10Х3ГНМФТ после ТЦО 950°С, 5циклов
Характеристики механических свойств, представленные в табл. 2, показали, что диспергирование приводит к некоторому повышению характеристик прочности и пластичности и существенно увеличивает вязкость стали.
Таким образом, проведение термоциклической обработки с охлаждением в воде стали 10Х3ГНМФТ приводит к диспергированию бывшего зерна аустенита в сравнении с исходной структурой, и размер зерна полученного при 950°С составляет в среднем 0,5-2 мкм с хорошо развитым внутренним блочно-реечным строением, обеспечивающим высокие характеристики надежности.
Таблица 2. Характеристики механических свойств стали 10Х3ГНМФТ
Режим ТО МПа МПа 5, % V, % HRC KCU, МДж/м2
охлаждение на воздухе с прокатного нагрева 1370 1130 12 58 37 0,7
ТЦО 950 °С, 5 циклов (нагрев со скоростью 100 °С/сек, охлаждение в воде) 1420 1180 11 61 41 1,3
1.
Выводы:
1. Термоциклическая многократная обработка стали 10Х3ГНМФТ, заключающаяся в ускоренном нагреве с последующим быстрым охлаждением, обеспечивает формирование структуры 2. блочно-реечного мартенсита с размером зерна 0,5-2 мкм и размером блоков до 200 нм.
2. Диспергирование структуры обеспечивается путем интенсивной динамической рекристаллизации строения зерен вследствие реализации 3 структурной наследственности. Новый комплекс ультрамелких зерен имеет отличающуюся от начальной кристаллографическую ориентировку.
3. Термоциклирование стали 10Х3ГНМФТ приводит к повышению прочностных характе- 4. ристик с одновременным существенным увеличением ударной вязкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Клейнер, Л.М. Свойства низкоуглеродистого легированного мартенсита / Л.М. Клейнер, Л.И. Коган, Р.И. Энтин // ФММ. 1972. Т. 33, № 4. С. 824-830. Заяц, Л.Ц. Диспергирование структуры сталей в условиях интенсивного термического воздействия. Часть 2. Исследование влияния системы легирования на эволюцию структуры при аустенитизации / Л.Ц. Заяц, Д.О. Панов, Ю.Н. Симонов // МиТОМ. 2010. №11. С. 20-25.
Ряпсов, И.В. Формирование зеренной и реечной структуры в низкоуглеродистых мартенситных сталях термоциклированием / И.В. Ряпсов, Л.М. Клейнер, АА. Шацов и др. // МиТОМ. 2008. № 9. С. 33-39.
Митрохович, Н.Н. Термическая усталость низкоуглеродистой мартенситной стали // МиТОМ. 2007. №5. С. 36-41.
DISPERSION OF LOW-CARBONACEOUS MARTENSITE STEEL BY THE METHOD OF INTENSIVE THERMAL-CYCLE
PROCESSING
© 2012 S.S. Yugay, M.G. Zakirova, T.R. Ablyaz
Perm National Research Polytechnical University
Possibility of dispersion the high-strength low-carbon martensite steel 10X3rHM®T for the purpose of increase the constructional durability is considered. Influence of intensive heat treatment on structure evolution as a result of realization the structural heredity and dynamic recrystallization of austenite is investigated.
Key words: thermal-cycle processing, dispersion, structural heredity, dynamic recrystallization, martensite block
Sergey Yugay, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: [email protected]
Maria Zakirova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: [email protected] Timur Ablyaz, Post-graduate Student
