CC BY
95
ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ
УДК 621.785.616:669.045
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПАДА МАРТЕНСИТА В СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
А.А. Алексеев, С.Н. Юдин, С.С. Гончаров
Рентгенографическое исследование распада мартенсита в стали 40Х показало, что в закаленной стали по мере протекания низкого отпуска, интенсифицируются процессы, приводящие к уходу атомов углерода из кристаллической решетки мартенсита.
Ключевые слова: мартенситное превращение, отпуск, низкотемпературный распад мартенсита, кинетика распада мартенсита, содержание углерода.
При охлаждении стали со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, по достижении температуры начала мартенситного превращения Мн и дальнейшем охлаждении переохлажденный аустенит претерпевает у^-а-превращение [1].
При этом происходит значительное пересыщение а-твердого раствора углеродом, что приводит к искажению кубической решетки железа и образованию тетрагональной структуры мартенсита с соотношением c/a > 1 [2]. При этом тетрагональная деформация неоднородна - атомы матрицы вблизи внедренного атома смещены из своих идеальных положений больше, чем удаленные от него (так называемые статические смещения) [3]. Сильная пересыщенность a-твердого раствора, неоднородность тетрагонального искажения решетки и относительно невысокая энергия активации диффузии атомов углерода в а-Fe (~ 82 кДж/моль [4]) обеспечивает высокую подвижность атомов углерода в решётке мартенсита даже при комнатной температуре.
Данная работа посвящена исследованию низкотемпературного распада мартенситной структуры среднеуглеродистой стали 40Х, используемой для нужд промышленного производства. Эту задачу решали путем
134
оценки изменения концентрации углерода в процессе низкого отпуска закаленной среднеуглеродистой стали.
Объектом исследования являлась конструкционная сталь 40Х промышленной выплавки с химическим составом, представленным в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав стали 40Х
Содержание элементов, % (по массе)
С 81 Мп Сг N1 Си 8 Р
0,40 0,25 0,64 0,92 0,30 0,30 0,035 0,035
Термическую обработку проводили по режиму: температура нагрева под закалку - 860 °С, охлаждение в 10 %-ом водном растворе №С1 (далее в соли), продолжительность изотермической выдержки - 30 мин. Отпуск проводили при температуре 155 °С.
Образцы, изготовленные из проката, имели цилиндрическую форму с диаметром и высотой 10 мм. После закалки на абразивном круге снимали слой металла толщиной ~ 1 мм для удаления обезуглероженного слоя. Чтобы избежать частичного распада мартенсита во время шлифовки, образцы через каждые 5.. .7 с охлаждали водой.
Рентгеноструктурный анализ проводили на установке ДРОН-2.0 с использованием Со Ка-излучения (0,179021 нм), в режиме непрерывной съёмки дифракционных максимумов и записью их на диаграммной ленте. Исследования проводили на образцах стали в свежезакаленном состоянии и после различных выдержек при температуре 155 °С. Регистрировали линию (110) рентгеновского спектра, при этом каждый дифракционный максимум записывали 2 раза для контроля воспроизводимости результатов.
В кристаллической решетке мартенсита параметр с > а, поэтому линии мартенсита должны расщепляться на дублеты. Это имеет место в сталях с содержанием углерода более 0,7-0,8 % [6]. В исследуемой средне-углеродистой стали фиксируется эффект уширения линий мартенсита. То есть дифракционные линии закаленной стали уширены по сравнению с отожженным состоянием. Уширение, связанное со структурными факторами, называется физическим уширением. Оно может быть обусловлено размером кристаллитов или их разбиением на малые разориентированные относительно друг друга блоки и микроискажениями кристаллитов. В исследуемых материалах основной вклад в физическое уширение вносит слияние линий дублета. Уширение, связанное с геометрическими факторами, называется геометрическим или инструментальным уширением.
Из анализа литературных данных [5-7] установили, что для расчета физического уширения среднеуглеродистой стали хорошо себя зарекомендовала формула
(1)
где в - физическое уширение линии, мин.; Вэ - ширина линии отожженного образца, мин.; В - ширина линии закаленного и отпущенного образца исследуемой стали, мин.
За величины Вэ и В принимали ширину кривой распределения интенсивности на половине высоты максимума (полуширина) исследуемого образца и эталона соответственно. За эталон принимали отожженный образец. Величина ширины линии отожженного образца стали 40Х составила 12 мин.
Как было указано [6] в низко- и среднеуглеродистых сталях дублет не разрешается, поэтому содержание углерода оценивали по величине физического уширения. При этом уменьшение количества растворенного в мартенсите углерода сопровождается уменьшением физического уширения линий дифрактограммы. В данной работе установлена математическая зависимость междублетного расстояния линии (110) В110-101 от содержания углерода С с учетом содержания в стали 0,92 мас. % Сг:
Так как Р = 0ПО-1О1, то Ь = 37,65С. Следовательно, измеряя изменение величины в, можно установить кинетику процесса уменьшения концентрации углерода в мартенсите. Данные по изменению концентрации углерода позволяют рассчитать параметры кристаллической решетки мартенсита (периоды а и с) и степень тетрагональности (с/а) по формулам (с учетом 0,92 мас. % Сг) [5]:
где а и с - периоды решетки мартенсита, А; Р - содержание углерода, мас. %.
При температуре отпуска 155 °С происходит обеднение мартенсита углеродом с одновременным образованием мелкодисперсных частиц карбида железа. В табл. 2 представлены данные по изменению в процессе отпуска физического уширения линии (110) мартенсита закаленной в соли стали 40Х и соответствующего изменения концентрации углерода в мартенсите.
Из табл. 2 видно, что концентрация углерода в свежезакаленной стали равна 0,46 мас. %, однако, по данным химического анализа, в стали 40Х содержится 0,39 мас. %. Напрашивается вывод, что в стали 40Х, закалённой в соли, вклад в физическое уширение линии (110) вносит не только содержание углерода в мартенсите, но и внутренние факторы, связанные с блочностью структуры мартенсита, плотностью дислокаций и микроскопическими и субмикроскопическими напряжениями (второго и третьего
10-101 = 37,65С ,
(2)
а = 2,8611 - 0,015Р; с = 2,8611 + 0,118Р,
(3)
рода) [8]. Отсюда следует, что физическое уширение разбивается на две составляющие: физическое уширение, связанное с содержанием атомов углерода в мартенсите - ругл, и физическое уширение, связанное с влиянием внутренних факторов - рвн.
Таблица 2
Изменение физического уширения линии (110) и концентрации углерода в мартенсите закаленной в соли стали 40Х
Время отпуска, мин. в, мин. С, мас. %
Свежезакаленное состояние 17,32 0,46
20 14,68 0,39
40 12,80 0,34
60 13,55 0,36
120 13,55 0,36
180 13,55 0,36
240 13,18 0,35
Установим величину вклада внутренних факторов на уширение линии (110). Из формулы (2) можно определить величину вклада в общее физическое уширение растворенного углерода в мартенсите, считая, что при столь высокой скорости охлаждения весь имеющийся в стали углерод (0,39 мас. %) фиксируется закалкой в пересыщенном твердом растворе - мартенсите: Ьугл = 37,65 • 0,39 = 14,68. Отсюда, можно определить рвн: Рвн = 17,32 -14,68 = 2,64 мин. Считаем, что при таких низких температурах (до 155 °С) плотность дислокаций, блочность структуры практически существенно изменяться не будут, а релаксации напряжений существенно не происходит. В этом случае вклад внутренних факторов в физическое уширение на протяжении всего времени отпуска при 155 °С остается постоянным. Тогда, вычитая из рассчитанных значений общего физического уширения (табл. 2) рвн, можно получить величину физического уширения, которое зависит только от содержания углерода в мартенсите, а по нему оценить концентрационную зависимость атомов углерода в мартенсите от времени отпуска (табл. 3).
Таблица 3
Изменение физического уширения линии (110) и концентрации углерода в мартенсите закаленной в соли стали 40Х с учетом _внутренних факторов__
Время отпуска, мин. ввн, мин. С, мас. %
Свежезакаленное состояние 14,68 0,39
20 12,04 0,32
40 10,16 0,27
60 10,91 0,29
120 10,91 0,29
180 10,91 0,29
240 10,54 0,28
Таким образом, в стали 40Х, закаленной в соли, вклад в физическое уширение линии (110) вносит не только содержание углерода в мартенсите, но и внутренние факторы, что необходимо принимать во внимание при оценке изменения содержания углерода в мартенсите в процессе низкотемпературного отпуска.
Список литературы
1. Блантер М.Е. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1984. 328 с.
2. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 238 с.
3. Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали. М.: Металлург-издат, 1960. 64 с.
4. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. 400 с.
5. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977.
480 с.
6. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронооптический анализ металлов. М.: МИСИС, 2002. 360 с.
7. Избранные методы исследования в металловедении / под ред. Хунгера Г.Й.: пер. с нем. М.: Металлургия, 1985. 416 с.
8. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я. Л. Физическое свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.
Алексеев Антон Анатольевич, асп., ant.suv-tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юдин Сергей Николаевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гончаров Сергей Стефанович, канд. техн. наук, доц., gss160154@,yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
X-RAY INVESTIGATION OF KINETICS OF THE LOW-TEMPERATURE
MARTENSITE DISSOLVING ON QUENCHED MEDIUM-CARBON STEEL
A.A. Alekseev, S.N. Udin, S.S. Goncharov
X-ray investigation has been carried out of the martensite dissolving in (0,4 % C, 1 % Cr) steel. It is shown that in quenched steel during low temperature aging there is an occurred processes which lead to the departure of carbon atoms from the crystal lattice of martensite.
Key words: the martensitic transformation, aging, low-temperature martensite dissolving, kinetics of martensite dissolving, carbon content.
Alekseev Anton Anatolevich, postgraduate, ant. suv-tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Udin Sergey Nikolaevich, postgraduate, Sergey- USN@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Goncharov Sergey Stefanovich, candidate of technical science, docent, gss160154@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.762.2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКА ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Nb3Al, ПОЛУЧЕННОГО ГИДРИДНО-КАЛЬЦИЕВЫМ МЕТОДОМ
А.В. Касимцев, С.Н. Юдин, Г.В. Маркова, Т. А. Свиридова, А.В. Шуйцев
В современной промышленности возникает потребность в жаропрочных материалах с рабочей температурой до 1600 °C. Интерметаллид Nb3Al и сплавы на его основе как раз относятся к такому классу материалов. Однако из-за сильно различных физико-химических свойств ниобия и алюминия возникают трудности в получении ин-терметаллида с заданными свойствами. Гидридно-кальциевым методом получены экспериментальные партии порошков интерметаллида Nb3Al с содержанием основной фазы близкой к 100 %, изучены их физико-химические и технологические свойства.
Ключевые слова: гидридно-кальциевый метод, получение, состав, Nb3Al, порошок интерметаллида, свойства.
Интерметаллид Nb3Al относится к классу тугоплавких материалов с температурой плавления ~ 2060 °C. Этот сплав является интерметаллическим соединением, что определяет прямую зависимость его свойств от со-
