Full Text

Введение В современном машиностроении существует потребность в материалах с высоким комплексом характеристик механических свойств, которых достигают с помощью изменения химического состава и структуры. Базовым параметром структуры является размер аустенитного зерна, определение которого является одной из основных задач при исследовании новых сталей [1]. Кроме того, особое влияние на размер зерна могут оказывать температура нагрева и время выдержки, поэтому, чтобы не допустить перегрева стали в процессе термической обработки, необходимо знать параметры нагрева, при которых происходит значительный рост зерна. Крупное зерно отрицательно влияет на характеристики прочности, пластичности и надежности [2, 3]. Основным документом, которым руководствуются при оценке зеренной структуры, является ГОСТ 5639. Однако расширение рынка, создание нового и совершенствование уже имеющегося металлографического оборудования приводит к тому, что методики количественной оценки зеренной структуры модернизируют. Для этого активно используют такие программные комплексы, как SIAMS 700 [4], SIAMS 800 [5] и Thixomet [6]. Однако для автоматизированной оценки размера зерна необходимо качественное изображение (границы зерен на светлом фоне), которое не всегда удается получить. В связи с этим для оптимизации процесса расчета среднего размера зерна необходим поиск новых методов, позволяющих анализировать зерно, если даже произошло вытравливание основной структуры. В настоящее время активно ведутся работы по разработке и исследованию сталей с бейнитной структурой [7-13]. На кафедре «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ были разработаны стали с системами легирования Х3Г3С2МФ [14, 15] и Х2Г2С2МФ [15-17]. Однако на сталях системы легирования Х3Г3С2МФ количественная оценка зеренной структуры в зависимости от температуры нагрева проводилась [18], а на сталях типа Х2Г2С2МФ нет. Помимо температуры нагрева на рост аустенитного зерна может оказывать время выдержки, что также не исследовали на сталях с подобной системой легирования. Кроме того, по данным литературных источников, в настоящее время исследования в данной области проводят как в России [18, 19], так и за рубежом [20, 21], что показывает актуальность данной темы. В связи с этим целью работы является определение с помощью современных анализаторов изображений склонности сталей системы легирования Х2Г2С2МФ к перегреву. Материалы и методики В качестве материалов были использованы среднеуглеродистые конструкционные экономно-легированные стали 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ. Химический состав приведен в табл. 1. Для определения склонности сталей 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ к перегреву использовали модифицированный метод окисления [22]. Для этого сначала изготавливали микрошлиф по стандартной методике. Далее в камерных лабораторных печах сопротивления с окислительной атмосферой типа накал проводили нагрев на температуру от 900 до 1200 °С с шагом 50 °С и различным временем выдержки, которое составляло 15, 30 и 60 мин при каждом значении температуры. После выдержки охлаждение образцов проводили на воздухе. Затем с помощью полирования на сукне с использованием алмазной пасты (3 мкм) постепенно снимали окалину. Зерно наблюдали в зоне перехода от окалины к полированным участкам. При значениях температуры нагрева 900 и 950 °С после частичного снятия окалины микрошлиф подтравливали 4%-ным спиртовым раствором пикриновой кислоты для лучшего выявления границ зерен. Таблица 1 Химический состав сталей № Марка стали Содержание химических элементов, мас. % С Cr Mn Si Mо V S P Ni Cu 1 29Х2Г2С2МФ 0,29 2,2 1,7 1,53 0,36 0,09 0,011 0,015 0,32 0,16 2 44Х2Г2С2МФ 0,44 2,31 2,19 2,18 0,36 0,09 0,012 0,015 0,31 0,16 Фиксацию изображений зеренной структуры осуществляли с помощью светового микроскопа Olympus GX-51 при увеличении от 100 до 500 крат. Расчет среднего размера зерна сталей после каждого режима термической обработки проводили с использованием анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел SIAMS 700 и с помощью программы Olympus Stream Motion 1.8. При использовании анализатора SIAMS 700 выделяли вручную видимые границы зерен не менее чем на 10 полях зрения при увеличении ´500, а далее программа анализировала выделенные зерна в автоматическом режиме, рассчитывая средний размер действительного зерна. Методика расчета среднего размера зерна в анализаторе SIAMS 700 заключается в следующем: вычисляется площадь каждого зерна, затем рассчитывается диаметр каждого зерна (как корень квадратный площади зерна), подсчитывается количество зерен, находится сумма всех значений диаметра зерен, делится на общее количество зерен и таким образом находится средний размер зерна. Пример зеренной структуры, проанализированной в SIAMS 700, показан на рис. 1, а. Зерна, выделенные синим цветом, анализатор не учитывает, так как они являются приграничными и незавершенными. Остальные зерна выделены в зависимости от размера. Одним цветом выделяются зерна близкого размера. В рамках использования компьютерной программы Olympus Stream Motion 1.8 измерение проводили на тех же самых изображениях зеренной структуры в четырех направлениях каждого видимого зерна при увеличении ´500 не менее чем на 10 полях зрения. Затем суммировали все значения длины отрезков и делили на общее количество замеров. Таким образом вычисляли средний диаметр зерна. а б Рис. 1. Зеренная структура стали 29Х2Г2С2МФ после термической обработки при температуре 1150 °С в течение 15 мин: а - определение размера зерна с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел SIAMS 700; б - определение размера зерна с помощью программы Olympus Stream Motion 1.8 Результаты и их обсуждение После применения методики, позволяющей выявлять границы зерен за счет получения на поверхности зоны внутреннего окисления [22], получили изображения зеренной структуры для двух исследуемых сталей 29Х2Г2С2МФ (рис. 2) и 44Х2Г2С2МФ (рис. 3). На изображениях видны тонкие границы зерен, а также некоторые участки черной несполированной окалины. Очевидно, что размер зерна при нагреве на минимальную температуру 900 °С и максимальную температуру 1200 °С отличается как в стали 29Х2Г2С2МФ (см. рис. 2), так и в стали 44Х2Г2С2МФ (см. рис. 3). Результаты анализа зеренной структуры c помощью программы SIAMS 700 показывают, что в стали 29Х2Г2С2МФ после нагрева на температуру 900 °С и выдержки в течение 15, 30 и 60 мин формируется зерно со средним размером от 18 до 19 мкм (см. рис. 2, а, ж, к, табл. 2 и рис. 4, а). Стоит отметить, что в данном случае длительность выдержки при температуре нагрева 900 °С не влияет на действительный размер бывшего зерна аустенита. Дальнейшее увеличение температуры нагрева вплоть до 1050 °С не приводит к росту зерна, а средние значения размера зерна не выходят за пределы доверительных интервалов (см. рис. 2, б-г, з, л, табл. 2 и рис. 4, а). Время выдержки при значениях температуры нагрева 900-1050 °С не оказывает существенного влияния на изменение размера зерна. Заметный рост зерна начинается только с температуры нагрева 1100 °С и достигает 25-29 мкм (см. рис. 2, д, табл. 2 и рис. 4, а). При температуре нагрева 1150 °С наблюдается некоторое снижение и средний диаметр зерна уменьшается, что соответствует температуре рекристаллизации, которая находится в интервале значений температуры 1100-1150 °С (см. табл. 2 и рис. 4, а). В значительной степени рост зерна происходит тогда, когда температура нагрева достигает 1200 °С. Средний диаметр зерна может достигать 40-60 мкм в зависимости от времени выдержки (см. табл. 2 и рис. 4, а). Результаты количественной оценки зеренной структуры стали 44Х2Г2С2МФ c помощью анализатора SIAMS 700 показали качественно подобную зависимость размера зерна от температуры нагрева для каждого времени выдержки (рис. 4, б). Однако есть существенное отличие, которое соответствует значениям температуры нагрева 950-1000 °С. При температуре нагрева 950 °С и выдержках 30 и 60 мин размер зерна больше по сравнению с выдержкой 15 мин. При нагреве на 1000 °С картина меняется и размер зерна становится меньше после выдержки 30 и 60 мин. Данные перепады связаны с разной температурой рекристаллизации. При выдержке 15 мин температура рекристаллизации находится в пределах 1000-1050 °С, при выдержке 30 и 60 мин - 950-1000 °С (см. рис. 4, б). Результаты анализа зеренной структуры с помощью программы Olympus Stream Motion 1.8 в сталях 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ представлены в табл. 2 и на рис. 4, в, г. В целом результаты оценки двумя методами весьма близки. Зависимости размера аустенитного зерна от температуры нагрева и времени выдержки в сталях 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ аналогичны. Методика с использованием программного обеспечения Olympus Stream Motion 1.8 является альтернативным способом расчета среднего размера зерна по сравнению с широко используемым анализатором твердых тел SIAMS 700. Когда на фоне границ зерен присутствует частично сохранившаяся окалина или вытравившаяся структура, создающая помехи для автоматического определения среднего размера зерна на анализаторе твердых тел SIAMS 700, тогда все границы зерен требуется выделять вручную. Однако практическое использование двух методик показало, что время обработки одного и того же изображения с использованием первой и второй методики практически одинаково. Замечено, что в обеих сталях наблюдается разнозернистая структура: встречаются мелкие размером 5-10 мкм и достаточно крупные зерна размером не менее 50-60 мкм (см. рис. 2 и 3). Необходимо отметить, что исследуемые стали легированы ванадием, который является сильным карбидообразователем и сдерживает рост зерна аустенита [23, 24]. Кроме того, по результатам исследований на сталях системы Х3Г3С2МФ [18] было показано, что кремний в количестве 2 % уменьшает склонность к перегреву. К тому же в стали 29Х2Г2С2МФ пониженное содержание марганца (см. табл. 1), что также поспособствовало уменьшению склонности к перегреву. В итоге в сталях системы легирования Х2Г2С2МФ существенного роста зерна не происходит вплоть до 1100-1150 °С, а средний размер зерна даже при нагреве на 1200 °С не превышает 50-60 мкм. Это дает право отнести стали 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ к наследственно-мелкозернистым, работоспособность которых при ударных нагрузках, вероятнее всего, не снизится [25], если даже нагреть их выше Ас3 [26, 27] на 100-150 °С. Однако укрупнение зерна аустенита все-таки нежелательно, так как повышает температуру охрупчивания и склонность к закалочным трещинам и деформации. 100 мкм а 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 200 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм б в г д е ж з и к л м Рис. 2. Зеренная структура стали 29Х2Г2С2МФ: а, ж, к - Тнагр = 900 °C; б, з, л - Тнагр = 950 °C; в - Тнагр = 1000 °C; г - Тнагр = 1050 °C; д - Тнагр = 1100 °C; е, и, м - Тнагр = 1200 °C; а-е - выдержка 15 мин; ж-и - выдержка 30 мин; к-м - выдержка 60 мин 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 100 мкм 200 мкм а б в г д е ж з и к л м Рис. 3. Зеренная структура стали 44Х2Г2С2МФ: а, ж, к - Тнагр = 900 °C; б, з, л - Тнагр = 950 °C; в - Тнагр = 1000 °C; г - Тнагр = 1050 °C; д - Тнагр = 1100 °C; е, и, м - Тнагр = 1200 °C; а-е - выдержка 15 мин; ж-и - выдержка 30 мин; к-м - выдержка 60 мин Таблица 2 Средние размеры зерен аустенита исследуемых сталей после расчета с использованием анализатора твердых тел SIAMS 700 и программы Olympus Stream Motion 1.8, мкм Тнагр, °С τв, мин 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 29Х2Г2С2МФ (SIAMS 700) 15 18,5±2,0 23,0±1,0 18,0±1,0 23,0±2,0 29,4±2,0 21,0±1,0 47,7±3,0 30 18,8±1,5 21,0±2,0 19,3±2,0 20,5±1,0 25,0±1,5 27,5±3,0 60,0±3,0 60 19,0±1,0 20,2±1,0 19,0±1,0 21,2±1,0 29,0±1,0 24,3±2,0 56,8±4,0 29Х2Г2С2МФ (Olympus Stream Motion 1.8) 15 17,7±3,0 22,9±2,0 16,1±1,0 21,8±1,5 27,6±2,0 24,9±1,0 43,4±4,0 30 17,8±1,0 19,8±2,0 19,4±1,0 20,7±1,5 25,4±1,0 26,5±1,0 58,8±6,0 60 18,2±1,0 18,4±2,0 18,1±1,0 19,5±1,0 31,1±2,0 27,3±3,0 59,0±5,5 44Х2Г2С2МФ (SIAMS 700) 15 18,0±2,0 18,4±1,5 40,6±3,0 25,6±2,0 27,0±2,0 30,7±1,0 43,0±3,0 30 16,2±3,0 30,0±2,0 22,0±2,0 24,2±1,0 28,0±2,0 31,0±1,0 40,3±3,0 60 22,0±2,0 31,1±3,0 23,0±1,0 28,0±1,0 34,1±1,0 29,4±1,5 56,5±3,0 44Х2Г2С2МФ (Olympus Stream Motion 1.8) 15 14,7±6,0 19,5±1,5 36,9±3,0 24,0±3,0 25,2±2,5 29,8±1,0 39,8±6,0 30 13,3±4,5 34,0±2,5 23,5±2,0 23,8±2,0 28,2±2,0 29,6±1,5 42,4±4,5 60 21,4±2,0 29,8±7,0 21,8±1,0 26,9±3,5 35,0±2,0 30,6±1,5 54,7± 5,5 а б в г Рис. 4. Зависимость среднего размера зерна от температуры нагрева и времени выдержки сталей 29Х2Г2С2МФ (а, в) и 44Х2Г2С2МФ (б, г): а-б - расчет с использованием анализатора твердых тел SIAMS 700, в-г - расчет с использованием программы Olympus Stream Motion 1.8; 15, 30, 60 - время выдержки в минутах Выводы 1. Показано, что в сталях с системой легирования Х2Г2С2МФ с повышением содержания углерода температура рекристаллизации аустенита снижается. В стали 29Х2Г2С2МФ температура рекристаллизации при любой выдержке находится в интервале значений 1100-1150 °С, а в стали 44Х2Г2С2МФ с увеличением времени выдержки до 30 и 60 мин температура рекристаллизации смещается в область меньших значений (950-1000 °С) по сравнению с выдержкой 15 мин (1000-1050 °С). 2. Сравнение средних размеров зерен аустенита, полученных с помощью анализатора твердых тел SIAMS 700 и программного комплекса Olympus Stream Motion 1.8, показало, что результаты аналогичны. Таким образом, использование программного комплекса Olympus Stream Motion 1.8 может быть задействовано для вычисления среднего размера зерна наравне с анализатором твердых тел SIAMS 700. 3. Установлено, что стали 29Х2Г2С2МФ и 44Х2Г2С2МФ являются наследственно-мелкозернистыми, так как до температуры 1100-1150 °С зерно аустенита практически не растет, оставаясь на уровне 25-30 мкм. При нагреве обеих сталей на температуру 1200 °С средний размер зерна находится в пределах от 50 до 60 мкм.

About the authors

A. N Iurchenko

Perm National Research Polytechnic University

R. D Grebenkin

Perm National Research Polytechnic University

N. S Menlysheva

Perm National Research Polytechnic University

Iu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 67

PDF (Russian) - 28

Refbacks

• There are currently no refbacks.