CC BY
92
The unit parameters of quality of public water supply, defined methodology for their calculation and shows the steps for calculating the complex index of the quality of the water supply system are considered.
Key words: water, unit parameters of quality, a comprehensive indicator of quality, the method of calculation.
Belov Dmitry Borisovich, candidate of technical sciences, docent, imsbelov@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Masenkov Evgeny Vyacheslavovich, postgraduate, masenkov-evgeny@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК669.017.3; 669.017.3:620.18
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ НА УРОВЕНЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В АУСТЕНИТЕ И МАРТЕНСИТЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Е.М. Гринберг, А.А. Алексеев, Е.Ю. Новикова, А.А. Яровицкая, А.Ф. Галкин
Изучено влияние скорости охлаждения при закалке науровень остаточных напряжений мартенсита после закалки сталей 40Х, 40Х13 и 40Н14. Показано, что факторы, способствующие увеличению возможного диффузионного пути углерода, приводят к формированию более неоднородного распределения углерода после закалки. Превалирующий вклад в перераспределение углерода в ходе закалочного охлаждения вносит сегрегация его на дефектах кристаллической решеткиаустенита в температурном интервале, предшествующем мартенситному превращению.
Ключевые слова: мартенситное превращение, скорость охлаждения, остаточные напряжения, перераспределение углерода, диффузионный путь, распад мартенсита.
В переохлажденном аустените в период охлаждения до точки Мн происходит перераспределение углерода в решетке аустенита с адсорбцией его на дефектах кристаллической структуры. Учитывая высокую подвижность углерода в аустените в интервале Тз -Мн, где Тз - температура нагрева стали под закалку, можно полагать, что подобное перераспределение должно приводить к заметному изменению первоначального распределения углерода.
С другой стороны, в мартенсите, образующемся в углеродистых сталях, процессы перераспределения углерода также получают заметное развитие. Результат этих процессов зависит от возможной протяженности
диффузионного пути атомов углерода. При этом в углеродистых и легированных сталях с содержанием углерода менее 0,6 % ввиду того, что точка Мн находится при сравнительно высоких температурах, процессы распада мартенсита могут получить существенное развитие уже во время охлаждения в мартенситном интервале [1].
Целью данной работы являлось исследование влияния скорости охлаждения при закалке на уровень остаточных напряжений, а также оценка роли и относительной величины вкладов от перераспределения углерода в переохлажденном аустените и в свежеобразованном мартенсите в изменение свойств и кинетики последующего распада мартенсита в среднеуглеро-дистых сталях.
В качестве объектов исследования приняты среднеуглеродистые стали 40Х, 40Х13 и 40Н14, химический состав которых представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сталей
Марка стали Содержание элементов, % (масс.)
С Сг Со Мо 81 Мп N1 Си 8 Р
40Х 0,44 0,92 - - 0,30 0,71 0,30 0,30 0,035 0,035
40Х13 0,40 13,0 - - 0,8 0,8 0,60 0,30 0,025 0,030
40Н14 0,36 0,07 0,02 0,01 0,30 0,47 14,47 0,06 0,001 0,013
Скорость охлаждения при закалке варьировалась путем использования двух различных закалочных сред: 10 %-ный водный раствор №С1 (далее соль) и минеральное масло (далее масло) или их комбинаций. Режим нагрева под закалку выбирали из расчета получения равномерного распределения углерода в аустените. Температура нагрева под закалку составила: для стали 40Х - 860 °С, 40Х13 - 1050 °С, 40Н14 - 830 °С. Продолжительность изотермической выдержки при температуре нагрева под закалку - 20 мин.
Металлографический анализ образцов проводили на оптическом микроскопе "ОЬвегуег.Б1ш" при увеличении 500 крат. Измерения макротвердости проводили на приборе ТК-2. В качестве оценки ИЯС принимали среднее арифметическое из серии 5 параллельных измерений. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н на нетравленных шлифах. Для удаления наклепанного поверхностного слоя применяли трехкратную переполировку с промежуточными травлениями. За результат измерения принимали среднее из 50 измерений.
Уровень остаточных макронапряжений определяли рентгенострук-турным методом на дифрактометре ДРОН-2 с использованием кобальтового Ка-излучения. Макронапряжения определяли по смещению рентгенов-
ской линии 211 на угол ДЭщь. Съёмку дифрактограмм проводили при шаговом сканировании (шаг 0,1о), обработку - с помощью прикладной программы для 1ВМРС «Анализ профиля рентгеновской линии методом моментов».
Учитывая методические особенности проведения экспериментов (удаление обезуглероженного приповерхностного слоя, измерения макротвердости, подготовка образцов к проведению измерений), первые измерения микротвердостипроизводились через 1,5-2 ч после завершения соответствующей термической обработки.
Закалочные среды, использованные при проведении исследования, обеспечивают скорости охлаждения, превышающие критические скорости закалки для исследуемых сталей. Микроструктурный анализ и результаты измерения макротвердостиподтверждают, что основной структурной составляющей в закаленных образцах всех исследованных сталей является мартенсит.
На рис. 1, а представлены результаты измерений уровня остаточных макронапряжений (о), а на рис.1, б - микротвердости (ИУ) образцов исследованных сталей после закалки в различных средах. Уменьшение скорости охлаждения при закалке в масле (по сравнению с закалкой в соли) увеличивает временной промежуток существования переохлажденного аустени-та и продолжительностьсамоотпускасвежеобразованного мартенсита. Это способствует повышению полноты перераспределения углерода, как в переохлажденном аустените, так и в образующемся мартенсите, что приводит к существенному снижению уровня остаточных напряжений и микротвердости для всех исследованных сталей.
800
Ч :оо
■ Закалка в соли
■ Закалка в масле
1.1.1.
40X13
■ Закалка в солп
ШЗакалка в масле
I
а
б
Рис. 1. Уровень остаточных макронапряжений (а) и микротвердость (б) закаленных сталей
Наличие высокого содержания хрома, снижающего диффузионную подвижность углерода, в стали 40Х13 обусловливает минимальную (для исследованных сталей) степень перераспределения углерода (несмотря на
106
существенно более высокую температуру нагрева под закалку). В результате для стали 40Х13 фиксируются максимальный уровень остаточных напряжений при закалке в обеих средах и минимальная разница в величине остаточных напряжений До = ос - ом, связанная с уменьшением скорости
закалочного охлаждения.
Для стали 40Н14 с высоким содержанием никеля, увеличивающим диффузионную подвижность углерода, наблюдается прямо противоположная картина. Величина остаточных напряжений в закаленных образцах этой стали (осиом) минимальна для каждой охлаждающей среды, а величина До максимальна. Для стали 40Х наблюдаются промежуточные значения этих параметров.
Уровень остаточных напряжений в свежезакаленных образцах среднеуглеродистых сталей обусловлен как степенью пересыщения твердого раствора углерода в ОЦК-железе (мартенсита), так и равномерностью распределения углерода. Размеры и форма образцов, использованных для исследований, позволяют пренебречь вкладом термических напряжений, связанных с неравномерностью охлаждения по сечению образца. Следовательно, различия в уровнях остаточных макронапряжений, обусловленные разной скоростью охлаждения при закалке, можно связать с различной степенью перераспределения углерода как в переохлажденном аустените (в процессе охлаждения до точки начала мартенситного превращения), так и в образующемся мартенсите при его охлаждении до комнатной температуры и выдержке при этой температуре до начала измерений.
Оценка возможного диффузионного пути атомов углерода 1д, выполненная с использованием данных работ [2, 3] по влиянию Сг и N1 на параметры диффузии углерода, показала следующее. Для стали 40Х13 в аустените при закалочном охлаждении от температуры нагрева под закалку до точки Мн/дв 1,5 раза меньше, чем в стали 40Х, и в 3,5 раза меньше, чем в стали 40Н14. При охлаждении от точки Мн до комнатной температуры (т.е. в мартенсите) /д имеет примерно равные значения для сталей 40Х и 40Н14, которые в два раза превосходят аналогичную величину для стали 40Х13. Это хорошо согласуется с представленными выше результатами по уровню остаточных напряжений и микротвердости.
Таким образом, в ходе охлаждения при непрерывной закалке, несмотря на его кратковременность, имеет место заметное перераспределение углерода как в аустените, так и в свежеобразованном мартенсите. Поскольку это перераспределение имеет диффузионную природу, то факторы, способствующие увеличению возможного диффузионного пути атомов углерода в у- и а-модификациях железа должны приводить к повышению полноты этого перераспределения, т.е. к увеличению степени неоднородности распределения углерода в закаленной стали.
Так, повышение скорости закалочного охлаждения и легирование карбидообразующими элементами при прочих равных условиях способствуют созданию более равномерного и, таким образом, менее термодинамически стабильного распределения углерода в мартенсите.
Для ответа на вопрос, какова доля вкладов в суммарное перераспределение углерода при закалочном охлаждении в аустенитном и мартен-ситном интервалах, использовали закалку образцов стали 40Х в двух средах. Закалку производили как через масло в соли, так и через соль в масле. Изменение последовательности закалочных сред обеспечивало различие скоростей прохождения соответствующих температурных интервалов в ходе охлаждения. В качестве контрольных режимов проводили непрерывную закалку в масле и в соли.
При использовании закалки в двух средах выбор времени пребывания в первой среде в соответствии с целью эксперимента должен был бы обеспечивать достижение температуры Мн, после чего образец как можно быстрее переносится во вторую охлаждающую среду. В связи с этим предварительно проводили оценку продолжительности выдержки, необходимой для достижения температуры Мн, для каждой из закалочных сред с использованием нескольких расчетных моделей. Время охлаждения образцов от 860 °С до точки Мн по формуле Френча [4] составило для масла 5,7 с, для соли - 1,7 с. Расчеты, выполненные с использованием данных, представленных в работах [2, 3], дали для масла 4,1 с, для соли - 0,8 с.
Учитывая различие результатов расчетов, высокие скорости охлаждения и, следовательно, узкие рамки варьирования времени пребывания в первой закалочной среде, нахождение образца на воздухе во время переноса его из одной закалочной среды в другую и другие факторы, было решено применить следующую схему проведения эксперимента (рис.2).
Т.*С [
1 ч ^ч. 1 ч 1 N X | 4 X / N. / | х X 1 1 ч ^ ^^ ■ 4 ч - с(}лъ 1 сЛцсло\ 1 ч ^Ч. > ч х ч 4 , ч . ч ч
1 Ч 1 \
1 ч 6 соль 2 с. масло % р ^ 7 с1>л£ 3 с. маело ^ 3 масл VI , 2 холь пЦг с. соль ¡.гэс^к^б с. соль
к \ 1
8 1 ^ X соль + IX масло
Рис.2. Схема эксперимента по закалке в двух средах
Были реализованы режимы охлаждения, при которых перенос из первой охлаждающей среды во вторую производился при температурах: выше точки Мн (режимы 4 и 5 на рис.2); приближенных к точке Мн(режимы 3 и 6); ниже точки Мн (режимы 2 и 7). Кроме того, как указывалось выше, для сравнения использовали непрерывную закалку в масле (режим 1) и в соли (режим 8).
Результаты измерений макротведости после термической обработки по указанным режимам представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерения твердости закаленной стали 40Х
Режим HRC Режим HRC
1 47,8 5 47,8
2 46,9 6 50,7
3 45,9 7 53,7
4 46,4 8 51,3
Как отмечалось в работах [5 - 8], различие в значениях макротвердости при закалке в различных средах не позволяет прийти к однозначным заключениям. В отличие от макротвердости, изменение микротвердости при тех же условиях демонстрирует более значимые различия в зависимости от использованных режимов охлаждения (рис. 3).
700 г
12345678 Режим охлаждения
Рис.3. Влияние режима охлаждения при закалке на микротвердость стали 40Х
Как и следовало ожидать, непрерывная закалка в масле (режим 1) обеспечивает максимальную продолжительность пребывания образцов в обоих интересующих температурных интервалах («Тз - Мн» и «Мн- 20
°С»), что обеспечивает наибольшую полноту перераспределения углерода и, как следствие этого, минимальные значения микротвердости. Напротив, непрерывная закалка в соли (режим 8) дает максимальную (из использованных) скорость прохождения этих температурных интервалов и соответственно минимальную степень перераспределения углерода и максимальную микротвердость.
При охлаждении по режимам 2, 3 и 4, при которых охлаждение в масле заканчивается вблизи точки Мн, а мартенситный интервал проходится с гораздо более высокой скоростью, микротвердость возрастает (по сравнению с непрерывной закалкой в масле), главным образом, за счет уменьшения полноты протекания самоотпуска свежеобразованного мартенсита в ходе превращения (или при последующей выдержке при комнатной температуре до начала измерений).
Существенно большие различия наблюдаются при использовании в качестве первой закалочной среды раствора №С1. Выдержка в соли в течение 1 с (режим 5), очевидно, не обеспечивает существенного снижения температуры закаливаемого образца перед переносом его в масло. В результате его микротвердость оказывается промежуточной между непрерывной закалкой в масле и закалкой по режимам 2, 3, 4. Увеличение времени пребывания в соли до 2 с (режим 6) приводит к существенному сокращению продолжительности перераспределения углерода в переохлажденном аустените при сохранении минимальной скорости прохождения мартенситного интервала. Это приводит к значительному повышению твердости по сравнению с закалкой в масле. Выдержка в соли в течение 3 с (режим 7), по-видимому, обеспечивает охлаждение с максимальной скоростью как в интервале существования переохлажденного аустенита, так и в части интервала «Мн- 20 °С». В результате значение микротвердости образцов, закаленных по этому режиму, оказывается почти таким же, как и при непрерывной закалке в соли.
Таким образом, уменьшение скорости охлаждения при непрерывной закалке способствует повышению полноты перераспределения углерода и связанному с этим снижению микротвердости, прежде всего, за счет увеличения временного промежутка существования переохлажденного аустенита. Вклад в суммарный эффект от перераспределения углерода в интервале охлаждения от точки Мн до комнатной температуры оказывается значительно меньшим.
Выводы
1. Различие в уровне остаточных макронапряжений, обусловленное разной скоростью охлаждения при закалке среднеуглеродистых сталей, определяется степенью перераспределения углерода как в переохлажденном аустените (в процессе охлаждения до точки начала мартенситного превращения), так и в образующемся мартенсите при его охлаждении до комнатной температуры и выдержке при этой температуре до начала измерений.
2. Степень перераспределения углерода определяется, главным образом, продолжительностью пребывания в температурном интервале, предшествующем мартенситному превращению, то есть в аустенитной фазе. Вклад процессов перераспределения углерода в мартенсите оказывается значительно меньше. Таким образом, различное состояние мартенсита закаленной стали, связанное с различием скоростей закалочного охлаждения, обусловлено тем, что собственно мартенситное превращение в одной и той же стали начинается при различающемся исходном распределении углерода в переохлажденном аустените.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Тульской области в рамках научного проекта № 15-4803237 «р_центр_а.
Список литературы
1. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 495 с.
2. Криштал М.А. Диффузионные процессы в железных сплавах. М.: Наука, 1963. 278 с.
3. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 248
с.
4. Люты В. Закалочные среды: справочное издание, / под ред. Мас-ленкова С.Б.; пер. с пол. Челябинск: Металлургия, 1990. 192 с.
5. Гринберг Е.М., Кондаурова Е.Ю. Влияние скорости охлаждения при закалке на структуру и физико-механические свойства сталей // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2000. Вып. 1. С. 156 - 160.
6. Гринберг Е.М., Варюк Т.С. Влияние скорости охлаждения при закалке на структуру и твердость сталей // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2003. Вып.4. С. 143 - 148.
7. Влияние скорости охлаждения при закалке на уровень остаточных напряжений в сталях / Е.М. Гринберг, С.С. Гончаров, Е.Ю. Кондаурова, Е.С. Жарикова // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2006. Вып.6. С. 6 - 16.
8. Влияние карбидо- и некарбидообразующих легирующих элементов на превращения метастабильных структур при отпуске среднеуглеро-дистых сталей / Е.М. Гринберг, С.С. Гончаров, Е.Ю. Кондаурова, Т.А. Кузина // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2006. Вып. 6. С. 33 - 42.
Гринберг Евгений Маркусович, д-р техн. наук, проф., emgrinhergamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Алексеев Антон Анатольевич, асп., ant.suvorovamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Новикова Елена Юрьевна, канд. техн. наук, доц., kondaurovae@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яровицкая Алина Александровна, студент, ladycat95@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Галкин Андрей Федорович, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE EFFECT OF THE COOLING CONDITIONS ON THELEVEL OFRESIDUAL STRESSES AND REDISTRIBUTIONCARBON IN THE AUSTENITE AND MARTENSITE UPON HARDENINGIN MEDIUM-CARBON STEELS
E.M. Grinberg, A.A. Alekseev, E.Y. Novikova, A.A. Yarovitskaya, A.F. Galkin
The effect of the cooling rate upon hardening on the level of residual stresses of martensiteafter hardening steels 40Х, 40Х13 and 40Н14has been studied.It is shown that the factors contributing to a possible increase in the diffusion path of carbon, lead to the formation of morenonhomogeneous distribution of carbon after hardening. The prevailing contribution to the redistribution of carbon in the course of hardened cooling brings its segregation at crystal lattice defects in the austenite, which is present at temperaturesabove the martensitic transformation temperature.
Key words:martensitic transformation, cooling rate, residual stresses, redistribution of carbon,diffusionpath, decomposition of martensite.
Grinberg Evgeniy Markusovich, candidate of technical science, docent, emgrin-berg@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Alekseev Anton Anatolevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Novikova Elena Yurievna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yarovitskaya Alina Alexandrovna, student, ladycat95@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Galkin Andrey Fedorovich, student, anfgalkinamail. ru, Russia, Tula, Tula State University
