CC BY
36
УДК 669.017:669.15
Д-р техн. наук И. А. Вакуленко1, канд. техн. наук О. Н. Перков2, Д. М. Болотова3
1 Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта
имени академика В. Лазаряна,
2 Институт черной металлургии НАН Украины, 3 Днепропетровский профессиональный железнодорожный лицей;
г. Днепропетровск
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ ОТПУСКЕ ЗАКАЛЕННОЙ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Рассмотрены вопросы изменения структуры и свойств при отпуске закаленной на мартенсит среднеуглеродистой стали. При отпуске от температур 250-300 °С эффекты разупрочнения в закаленной углеродистой стали превышают влияние от закрепления дислокаций атомами углерода и развития процессов дисперсионного упрочнения.
Ключевые слова: структура, мартенсит, цементит, сталь, закалка, отпуск.
Введение
В процессе термической и термомеханической обработки соотношение объемных долей структурных составляющих определяет уровень свойств проката [1, 2]. Формирование определенной структуры металла зависит от скорости охлаждения и стабильности аусте-нитной фазы [3]. На основании аддитивного вклада структурных составляющих углеродистой стали в общий уровень прочностных характеристик [4], различное сочетание степени горячей пластической деформации, величины паузы до начала интенсивного охлаждения позволяет комбинировать фазовый состав и структурную неоднородность металла [5]. Учитывая определенную зависимость устойчивости аустенита от соотношения легирующих химических элементов, незначительное изменение состава металла при неизменных условиях ускоренного охлаждения может существенно изменять фазовый состав и связанный с ним комплекс свойств [2, 3].
В процессе прерванной закалки, когда градиент структур по сечению зависит от температуры окончания принудительного охлаждения, отпуск металла за счет нагрева от тепла внутренних объемов может по разному оказывать влияние на качественно различные структуры [5]. Дополнительное изучение сруктурных превращений в процессе отпуска термомеханически упрочненного проката по технологии прерванной закалки представляет определенный научный интерес в направлении уточнения характера развития эффектов разупрочнения.
Цель работы
Целью работы являлся анализ процессов структу-рообразования при отпуске закаленной среднеуглеро-дистой стали.
Материал и методика исследований
Материалом для исследования служил проволочный прокат диаметром 5 мм из стали с содержанием
0,31 %С, 0,08 0,45 %Mn, 0,0029 %£, 0,014 %Р, 0,11 %Сг. Образцы закаливали от нормальных температур нагрева, далее следовал отпуск при температурах 200-450 °С.
Структура исследовалась с использованием методик световой и электронной микроскопии [1, 6]. Оценку количества остаточного аустенита и плотности дислокаций осуществляли используя методики рентгеновского структурного анализа [7].
Механические характеристики: временное сопротивление разрушению (сть), относительные удлинение (5) и сужение (у) определяли при растяжении со скоростью деформации 10-3 с .
Микротвердость структурных составляющих измерялась микротвердомером ПМТ-3.
Результаты и их обсуждение
Исследования внутреннего строения термически упрочненного проката из среднеуглеродистой стали показали качественное совпадение с ранее известными экспериментальными данными [1, 2, 5].
В результате закалки от нормальных температур нагрева структура исследуемой стали представляет собой реечный мартенсит с высокой плотностью дислокаций (рис. 1).
Рис. 1. Структура стали после закалки х 18000
© И. А. Вакуленко, О. Н. Перков, Д. М. Болотова, 2014
Наблюдаемая ширина реек изменялась в интервале значений от долей до 1 мкм. В отдельных мартенситных кристаллах обнаруживаются тонкие двойниковые прослойки. В случае совпадения большей грани рейки с плоскостью исследования (плоскость фольги) наблюдаются случайно ориентированные выделения цементита, высокой степени дисперсности. Анализ полученных результатов с учетом известных экспериментальных данных [8, 9] указывает, что формирование выделений карбидной фазы обусловлено развитием процессов самоотпуска мартенсита при относительно высокой температуре превращения, которая для стали с 0,31 % С составляет около 400-450 °С. На основании этого можно полагать, что уже в процессе формирования самого мартенситного кристалла на определенном этапе должно неизбежно начаться выделение высокодисперсных цементитных частиц [2, 5]. Проведение элек-тронномикроскопических исследований позволило обнаружить качественные изменения внутреннего строения металла при низкотемпературном отпуске после закалки и объяснить характер изменения прочностных и пластических свойств при отпуске (рис. 2).
стб, МПа
Температура отпуска, I, ° С а
8,%
Температура отпуска, I, ° С б
Температура отпуска, I, ° С в
Рис. 2. Влияние температуры отпуска на временное сопротивление (а), относительные удлинение (б) и сужение (в)
Из анализа зависимостей следует, что в процессе отпуска при температурах начиная от 200 °С должно происходить непрерывное выделение атомов углерода из твердого раствора, что подтверждается значениями микротвердости (рис. 3). На основании этого, снижение степени пересыщения твердого раствора атомами углерода приведет к неизбежному разпрочнению стали [9]. С другой стороны, сам процесс выделения атомов углерода обладает двойственным характером влияния на свойства. Во-первых, выделение атомов углерода из октаэдрических положений кристаллической решетки феррита на дислокации будет способствовать дальнешему их закреплению [8, 9]. По эффекту на прочностные свойства указанный процесс относится к упрочнению [2]. С другой стороны, выделение атомов углерода на дефектах кристаллического строения должно способствовать появлению в металле дополнительного количества карбидных частиц (рис. 4).
Н ,кг/ 2
/мм2
100 200 300 400 500
Температура отпуска, ^ ° С
Рис. 3. Изменение микротвердости феррита в зависисмости от температуры отпуска закаленной стали
Рис. 4. Структура закаленной стали после отпуска 200 °С х18000
Подтверждением приведенных положений являются формируемые карбидные частицы, располагаемые не только на границах раздела, но и во внутренних объемах кристаллитов и двойников. Одновременно с этим происходит сфероидизация частиц цементита, приводя к увеличению количества более равноосных глобу-лей, которые, по-видимому, начали выделяться еще на стадии самоотпуска при мартенситном превращении.
Процессы перехода атомов углерода из твердого раствора сопровождаются снижением внутренних напряжений, о чем свидетельствует уменьшение размытия рефлексов на микродифракционных фотографиях [1] и снижение уширения рентгеновских интерферен-ций (рис. 5).
Р(110), мрад
Температура отпуска, ^ ° С
Рис. 5. Влияние температуры отпуска на уширение рентгеновской интерференции (110) феррита
При температурах отпуска до 400 °С обнаруживаются признаки начала перераспределения дислокаций и незначительное снижение их количества. Совместное развитие указанных процессов объясняет наблюдаемое разупрочнение стали при температурах отпуска в интервале 200-450 °С.
Рис. 6. Структура закаленной стали после отпуска 400 °С х18000
Полученные результаты свидетельствуют о суммарном вкладе в эффект разупрочнения от снижения степени пересыщения твердого раствора атомами углерода, уменьшения плотности дислокаций и коалесцен-ции цементитных частиц. Источником упрочнения являются процессы старения закаленной стали от взаи-
модействия дислокации с атомами углерода при распаде твердого раствора и дисперсионного упрочнения от формирования дополнительных частиц цементита.
Анализ полученных результатов показывает, что начиная от температур отпуска 250-300 °С эффекты разупрочнения в закаленной углеродистой стали начинают превышать над упрочнением от закрепления дислокаций атомами углерода и развития дисперсионного твердения от карбидных частиц.
Выводы
1. Эффект упрочнения при отпуске закаленной стали обусловлен закалочным старением и дисперсионным упрочнением от выделяющихся частиц цементита.
2. При температурах отпуска выше 300 °С темп снижения прочностных свойств определяется превышением суммарного эффекта разупрочнения от распада твердого раствора, ускорения сфероидизации и коалес-ценции цементитных частиц над закалочным старением и дисперсионным твердением.
Список литературы
1. Большаков В. И. Атлас структур металлов и сплавов / Большаков В. И., Сухомлин Г. Д., Погребная Н. Э. -Дн-ск : Gaudeamus, 2001. - 113c.
2. Бабич В. К. Деформационное старение стали / Бабич В. К., Гуль Ю. П., Долженков И. Е. - М. : Металлургия, 1972. -320 с.
3. Кинетика превращения аустенита в рельсовых сталях марок М74 и 75ХГСМ при непрерывном охлаждении /
B. Г. Ефременко, Ф. К. Ткаченко, С. О. Кузьмин и др. // Вюник ДНУЗТ : Дншропетровськ, 2009. - № 29. -
C. 198-201.
4. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей. - М. : Металлургия, 1982. - 184 с.
5. Вакуленко И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали / Вакуленко И. А., Большаков В. И. - Дн-ск : Маковецкий, 2008. - 196 с.
6. Вакуленко I. О. Структурний аналз в матерiалознавствi. -Дн-ск : Маковецький, 2010. - 124 с.
7. Гинье А. Рентгенография кристаллов. - М. : ГИФ-МЛ, 1961. - 604 с.
8. Бернштейн М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. - М. : Металлургия, 1968. - 1171 с.
9. Курдюмов Г. В. Превращения в железе и стали / Кур-дюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р.И. - М. : Металлургия, 1977. - 236 с.
Одержано 19.03.2015
Вакуленко 1.О., Перков О.М., Болотова Д.М. Змша структури i властивостей при ввдпуску загартованоТ середьовуглецевоТ cr^i
Розглянутi питання змгни структури i властивостей при вгдпуску загартованог на мартенсит середньовуглецевог стали При температурах eid/пуску eid 250-300°С ефекти пом 'якшення в загартоватй вуглецевш mcmi перевищують вплив eid закр^ення дислокацш атомами вуглецю iрозвитку процеав дисперайного змщнення.
Ключовi слова: структура, мартенсит, цементит, сталь, гартування, вiдпуск.
Vakulenko I., Perkov O., Bolotova D. Change of structure and properties at tempering of quenched medium -carbon steel
The questions change of structure and properties are considered at tempering of quenched on martensite mediumcarbon steel are considered. At the temperatures of tempering from 250-300°C effects of softening in quenching carbon steel exceed influence from block of dislocations with atoms of carbon and development ofprocesses dispertion hardening.
Key words: structure, martensite, cementite, steel, quenching, tempering.
