CC BY
7ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ МАТЕРИАЛОВЕ,
УДК 669.1
ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ КОНСТРУКЦИОННОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ОТ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ ПО СЕЧЕНИЮ*
А.Н. БАЛАХНИН, аспирант Д.О. ПАНОВ, ст. преп.
Ю.Н.СИМОНОВ, доктор техн. наук, профессор (ПНИПУ, г. Пермь)
А.А.НИКУЛИНА, канд. техн. наук, доцент (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 20 ноября 2012 года
Балахнин А.Н. - 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
e-mail: [email protected]
Исследована взаимосвязь распределения микротвердости по сечению прутков стали 15Х3Г3МФ после различных режимов обработки и уровня ударной вязкости, а также макрорельефа излома образцов после испытаний на КСТ.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь, пакетный мартенсит, микротвердость, ударная вязкость, радиальная ковка.
Введение Материалы и методики
_ проведения исследований
Диспергирование структуры стали является самым распространенным способом улуч- Материалом для исследования выбрана низ-шения эксплуатационных свойств стали, так коуглеродистая системнолегированная сталь как реализуемый при этом зерногранично- 15Х3Г3МФ со следующим химическим соста-субстуруктурный механизм упрочнения - един- вом, % (масс.): 0,09 С; 2,75 Mn; 2,76 Cr; 0,41 Mo; ственный из известных приводит к повышению 0,37 Si; 0,19 Ni; 0,12 V; 0,002 Ti; 0,011 S; 0,021P. как характеристик прочности, так и характери- Вследствие высокой устойчивости пере-стик пластичности материалов. охлажденного аустенита в исследуемой стали
Перспективным промышленным способом при охлаждении на воздухе с температур горячей
диспергирования структуры низкоуглеродистых ковки по всему сечению сформирована структу-
мартенситных сталей является совмещение хо- ра пакетного мартенсита (далее по тексту - «ис-
лодной пластической деформации (ХПД) мето- ходно закаленное состояние»).
дом радиальной ковки (РК) и последующей тер- Далее сталь 15Х3Г3МФ со структурой
мической обработки. пакетного мартенсита подвергали ХПД на
Целью данной работы является установление радиально-ковочной машине SХР 16 с круга
взаимосвязи между характером распределения диаметром 19 мм на круг 12 мм, что составило
микротвердости по сечению и уровнем ударной 60 % деформации (далее по тексту - «холод-
вязкости стали 10Х3Г3МФ после различных ре- нодеформированное состояние»). В качестве
жимов деформационно-термической обработки. степени пластической деформации принимали
* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1638 «Разработка технологии получения высокопрочных наноструктурных конструкционных низкоуглеродистых сталей с износостойкими наноструктурированными покрытиями».
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
величину укова 8, определяемую по результатам изменения площади поперечного сечения образца до и после ковки.
Термическую обработку хо-лоднодеформированной (РК 60 %) стали 15Х3Г3МФ проводили по следующим режимам:
- рекристаллизационный отжиг 550 оС, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе («РК60 % + отжиг 550оС»);
- интенсивная термическая обработка - нагрев со скоростью
80.. .90 оС/с в соляной ванне до температур 900 и 1000 оС, выдержка 35 с, охлаждение в воде (обозначение «РК60 %+нагрев 900 оС», «РК60 %+на-грев 1000 оС» соответственно).
Микродюрометрические исследования проводили в соответствии с ГОСТ 9450-76 на автоматическом микротвердомере для проведения испытаний по Виккерсу DuraScan 70 по методу восстановленного отпечатка вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с квадратным основанием при нагрузке 2Н. Измерения на каждом образце проводили по двум взаимно перпендикулярным диаметрам от края до края образца. Шаг между точками измерений составлял 0,3 мм.
Испытания на ударный изгиб осуществляли на маятниковом копре МК-30 в соответствии с ГОСТ 9454 - 78 на образцах с усталостной трещиной типа 17. Усталостную трещину растили на вибраторе Дроздовского.
Электронно-фрактографические исследования велись на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EV050 при увеличениях до 15 000 крат и ускоряющем напряжении 30 кВ.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты анализа структуры стали 15Х3Г3МФ в исходно закаленном состоянии и после ХПД методом РК [1] показали, что распределение микротвердости по сечению исходно закаленного прутка однородно и находится на уровне около 390 HV. Ударная вязкость КСТ исходного горячекованного прутка составляет 0,21 МДж/м (см. таблицу), а макрорельеф изло-
350 400 450 500 550 Твердость, HV
Рис. 1. Излом стали 15Х3Г3МФ после испытаний на КСТ и распределение микротвердости по сечению образца в исходно закаленном состоянии (а) и после ХПД 60 % методом РК (б), *8
ма характеризуется наличием областей боковой утяжки и развитой плоской однородной по всему сечению центральной областью (рис. 1, а).
Холодная пластическая деформация 60 % методом РК приводит к повышению общего уровня твердости (рис. 1, б), но при этом меняется характер её распределения по сечению образца: формируются две области материала - сердцевина и периферия. Сердцевина отличается высоким и однородным уровнем твердости порядка 510 НУ. На периферии микротвердость неоднородна и плавно снижается в направлении от центра к краям образца. В сравнении с исходно закаленным состоянием ударная вязкость после РК 60 % возрастает более чем в 2,5 раза и достигает значений 0,55 МДж/м (см. таблицу).
Значения ударной вязкости после различных режимов деформационно-термической обработки
Режим обработки стали 15Х3Г3МФ KCT, МДж/м2
Исходное закаленное состояние 0,21
ХПД 60 % методом РК 0,55
ХПД 60 % методом РК + отжиг 550 оС 0,63
ХПД 60 % методом РК + нагрев 900 °С 0,91
ХПД 60 % методом РК + нагрев 1000 °С 1,15
Фрактографический анализ показал, что при разрушении в условиях динамических испытаний стали 15Х3Г3МФ, подвергнутой ХПД 60 % методом РК, трещина изменяет направление движения в пограничных местах между сердцевиной и периферией. В результате такого движения трещина формирует развитый макрорельеф поверхности разрушения образца, повторяющий
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
профиль распределения микротвердости по сечению (рис. 1, б), а боковая утяжка при этом не проявляется. Все это приводит к увеличению работы уровня ударной вязкости (КСТ) по сравнении с исходным закаленным состоянием (см. таблицу).
Для повышения уровня свойств стали 15Х3Г3МФ была предложена комплексная деформационно-термическая обработка, сочетающая в себе ХПД 60 % методом РК и последующую термическую обработку по различным режимам. По результатам ранее проведенных исследований [2, 3] было установлено, что оптимальными, с точки зрения получения наиболее дисперсной структуры, являются следующие режимы термической обработки холоднодеформи-рованной стали 15Х3Г3МФ: отжиг 550 оС (выдержка 1 ч), интенсивная термическая обработка на температуры 900 и 1000 оС.
Микродюрометрический анализ показал, что при отжиге 550 оС холодно-деформированной стали 15Х3Г3МФ, несмотря на релаксацию остаточных напряжений и развитие процессов полигонизации и рекристаллизации, в материале сохраняется неоднородный характер распределения твердости по сечению (рис. 2). Следует отметить, что уровень твердости после отжига 550 оС значительно снижается по сравнению с исходным холоднодеформированным состоянием: твердость сердцевины находится на уровне 410 НУ, что сопоставимо со значениями твер-
Рис. 2. Излом после испытаний на КСТ и распределение микротвердости по сечению образца стали 15Х3Г3МФ, подвергнутой ХПД 60 % методом РК и рекристаллизационному отжигу при 550 оС, х8
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
дости исходного закаленного недеформирован-ного прутка (390 НУ), тогда как твердость периферии снижается сильнее - до 360 НУ (у края образца).
Ударная вязкость (КСТ), обработанных по режиму РК60 % + отжиг 550 оС образцов, увеличивается до значений 0,63 МДж/м , что выше значений холоднодеформированных образцов (см. таблицу).
Анализ поверхности разрушения стали 15Х3Г3МФ после рекристаллизационного отжига показал, что на процесс разрушения в условиях динамических испытаний оказывает влияние неоднородное распределение твердости по сечению - трещина меняет направление распространения на границе между областями с повышенной (сердцевина) и пониженной твердостью (периферия). Это, наряду с большей пластичностью [3], приводит к формированию более развитого макрорельефа излома и большему уровню КСТ при отсутствии боковой утяжки.
Интенсивная термическая обработка с нагревом на 900 оС холоднодеформированных образцов вызывает изменение характера распределения твердости: твердость находится на одном уровне (порядка 460 НУ) и однородна по всему сечению образца (рис. 3, а). Благодаря формированию очень дисперсной структуры значения ударной вязкости стали 15Х3Г3МФ, обработанной по режиму «РК60 %+нагрев 900 оС», находятся на высоком уровне и достигают значения 0,91 МДж/м (см. таблицу). Излом образца отражает характер распределения микротвердости по сечению - однородный, плоский по всему сечению, с развитыми областями боковой утяжки.
Увеличение температуры скоростного нагрева холоднодеформированной стали 15Х3Г3МФ с 900 до 1000 оС вызывает более интенсивное протекание процессов собирательной рекристаллизации, что обусловливает некоторое снижение твердости (рис. 3, б) относительно нагрева на 900 оС. В результате развития процессов собирательной рекристаллизации твердость сердцевины прутка оказывается несколько ниже, чем твердость периферии: 415 и 435 НУ соответственно. Такой характер распределения микротвердости приводит к росту уровня ударной вязкости (КСТ) образцов,
Рис. 3. Излом после испытаний на КСТ и распределение микротвердости по сечению образцов стали 15Х3Г3МФ, подвергнутой ХПД 60 % методом РК и последующим однократным нагревам на 900 оС (а) и 1000 оС (б), ><8
обработанных по режиму «РК60 %+нагрев 1000 оС», до 1,15 МДж/м2 (см. таблицу). При этом неоднородность в распределении твердости по сечению образцов после интенсивной термической обработки на 1000 оС проявляется в строении излома - в центральной части плоского участка излома наблюдается более рыхлая поверхность.
Выводы
Установлено, что при формировании методом комплексной деформационно-термической обработки по сечению образца двух областей с различным уровнем твердости, т. е. создание деформационно-неоднородного материала по сечению, происходит изменение направления распространения трещины при испытаниях, что увеличивает работу разрушения трещины при динамических испытаниях.
Список литературы
1. Балахнин А.Н., Вагин Р.А., Панов Д.О., Смирнов А.И., Морева Н.А. Структурообразование конструкционной низкоуглеродистой стали при комплексной механико-термической обработке на этапе холодной пластической деформации методом радиальной ковки // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. - 2012. - № 3. - С. 92-94.
2. Панов Д.О., Балахнин А.Н., Титова М.Г., Орлова Е.Н., Смирнов А.И., Симонов Ю.Н. Эволюция структуры исвойствпри интенсивнойтермоцикличе-ской обработке холоднодеформированной системно-легированной стали 10Х3Г3МФ // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. -№ 11.- С. 17-22.
3. Балахнин А.Н., Панов Д.О., Титова М.Г., Перцев А.С., Смирнов А.И., Симонов Ю.Н. Влияние холодной пластической деформации методом радиальной ковки и последующей термической обработки на структуру и свойства стали 10Х3Г3МФ // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. -№ 11.- С. 22-28.
Dependence of level of impact strength constructional low-carbon steel from character of distribution of microhardness on cross section
A.N. Balakhnin, D.O. Panov, U.N. Simonov, A.A. Nikulina
The article presents the results of research of interconnection microhardness distribution over the cross section rods of steel 15H3G3MF and impact strength level after different treatment conditions. The relation microhardness distribution and fracture macro relief after impact strength test was also introduced.
Key words: low carbon steel, batch martensite, microhardness, impact strength, radial forging.
