Full Text

Ведение Исследования кинетики превращения, структуры и характеристик механических свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС) показали, что эти стали имеют высокие прочность, пластичность и вязкость в широких интервалах варьирования температуры и скорости охлаждения, в том числе после охлаждения от температуры горячего формообразования [1-6]. Высокие механические свойства в «свежезакаленном» состоянии НМС обусловлены формированием пакетно-реечной структуры a-фазы и низкой концентрацией углерода в твердом растворе. Применение сталей со структурой пакетного мартенсита эффективно при производстве проката, труб, сварных конструкций и др. [7, 8]. Методики экспериментов и исследований Прутки из сталей 15Х2Г2НМФБ и 07Х3ГНМ в исходном состоянии получали после закалки с деформационного нагрева. Образцы нагревали в камерной лабораторной печи и закаливали по двум схемам: изотермически и из МКИ. В случае закалки из МКИ аустенитизация происходила при температуре 810 °С, изотермическую закалку проводили от температуры 950 °С, выдержка - 30 мин, охлаждение в воде или на воздухе. Микроструктуру изучали на микроскопе Neophot-32 при увеличении от 100 до 1000 крат с помощью цифровой камеры Levenhuk C800 (разрешение камеры 1280´1024 пикселей). Для выявления микроструктуры поверхность шлифа травили 4%-ной азотной кислотой. Ударную вязкость KCV определяли согласно ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре ИО 5003-0,3 на образцах (исходные размеры образца 10´10 мм) с V-образным надрезом. Данные по ДСК были получены с помощью прибора STA Jupiter 449 фирмы Netzsch. Образцы сплава 15Х2Г2НМФБ представляли собой шайбы диаметром ~4 мм и высотой ~3 мм. Измерение твердости образцов проводили на приборе ТК-24М (Роквелл) по шкале HRC (ГОСТ 9013-59). Доверительный интервал составил ±2 единицы. На одноосное растяжение образцы испытывали в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине МИ-40 КУ. Исследовали НМС, легированную ванадием и ниобием 15Х2Г2НМФБ и сталь бессильных карбидообразующих элементов 07Х3ГНМ (табл. 1). Таблица 1 Химический состав сталей Марка стали Содержание элементов, % C Si Mn Cr Ni V Nb Mo Cu S P 15Х2Г2НМФБ 0,15 0,31 2,07 2,39 1,48 0,14 0,07 0,53 0,19 0,008 0,016 07Х3ГНМ 0,07 0,27 0,93 3,25 1,06 0,10 - 0,2 - 0,025 0,025 В исходном состоянии образцы имели твердость на уровне 40 HRC и средний размер зерна аустенита 12,5 мкм 15Х2Г2НМФБ и 23 мкм 07Х3ГНМ (табл. 2); распределение зерен по размеру представлено на рис. 1. Таблица 2 Средний размер зерна и твердость сталей в исходном горячекатаном состоянии Марка стали Размер зерна dср, мкм Твердость HRC 15Х2Г2НМФБ 12,5 42 07Х3ГНМ 23 38 а б Рис. 1. Распределение зерен по размеру: а - 07Х3ГНМ; б - 15Х2Г2НМФБ Мелкозернистая структура в НМС 15Х2Г2НМФБ обусловлена присутствием сильных карбидообразующих элементов - карбидов V и Nb (рис. 2). Дисперсная структура аустенита, которая формируется внутри зерен, обеспечивает малые размеры реек и пакетов [9]. а б Рис. 2. Исходная зеренная структура: а - 15Х2Г2НМФБ; б - 07Х3ГНМ Сохранение дисперсной структуры мартенсита и мелкозернистого аустенита при нагреве до относительно высоких температур связывают с особым видом структурной наследственности в НМС [1]. Сохранение пакетной структуры обеспечивает высокие механические свойства a-фазы (рис. 3, 4), что позволяет проводить закалку из верхнего температурного интервала межфазной области НМС 15Х2Г2НМФБ. а б Рис. 3. Влияние температуры нагрева на твердость НМС: а - 15Х2Г2НМФБ; б - 07Х3ГНМ а б Рис. 4. Закалка из верхней части межкритического интервала температур (810 °С, 30 мин, НМС 15Х2Г2НМФБ): а - закалка в воду; б - закалка на воздухе При нагреве под закалку в МКИ стали 07Х3ГНМ мартенсит частично распадается на феррито-карбидную смесь [10], о чем свидетельствуют два пика на кривой ДСК (рис. 8), поэтому значения свойств стали существенно ниже, чем после закалки от 950 °С (табл. 3) [10]. После закалки из МКИ, независимо от охлаждающей среды, структура стали 15Х2Г2НМФБ включает главным образом пакетный мартенсит (рис. 4). Повышенная плотность дислокаций в пакетном мартенсите и дисперсность характерных элементов структуры - реек обусловливают высокий уровень прочности, а подвижность дислокаций - пластичность и релаксационную способность [2]. Закалка из МКИ на воздухе обеспечивала лучшие характеристики механических свойств по сравнению с аналогичной закалкой в воду, что, по-видимому, связанно с уменьшением концентраии напряжений на опасных дефектах. Такую интерпретацию результатов подтверждает одновременное заметное повышение ударной вязкости (табл. 3). Таблица 3 Значения показателей механических свойств НМС после закалки Условное обозначение стали Режим термообработки σ0,2, МПа σB, МПа δ, % ψ, % KCV, МДж/м2 15Х2Г2НМФБ Закалка из МКИ в воду 1190 1490 12 48 0,75 Закалка из МКИ на воздухе 1250 1570 14 51 0,90 Изотермическая закалка (360 °С) 980 1270 15 56 1,0 07Х3ГНМ Закалка из МКИ на воздухе 810 1050 14 60 1,3 Изотермическая закалка (360 °С) 815 1100 16 65 1,4 В случае образования смеси полиэдрической и пакетной морфологий a-фазы НМС 07Х3ГНМ прочность закаленных из МКИ образцов уменьшается, вязкость и пластичность сохраняют высокие значения (KCV = 1,3 МДж/м2, δ = 14 %). Уровень прочности, пластичности и вязкости после изотермической закалки зависит от присутствия в структуре продуктов перлитного превращения и верхнего бейнита. Относительно небольшое количество нижнего бейнита вносит аддитивный вклад в прочность и не влияет на вязкость [11]. Повышенная вязкость структур «мартенсит - нижний бейнит» может быть обусловлена большими углами разориентации границ, что приводит к затруднению распространения трещины [12]. В процессе технологической обработки детали могут длительное время находиться при повышенных температурах (например, сварка), выше температуры конца мартенситного превращения, кроме того, представляет интерес исследование изотермической закалки НМС, так как в данном случае возможно получение бейнито-мартенситной структуры. Ясно, что температура выдержки должна быть ниже возможного нормального превращения и образования структур верхнего бейнита (весьма длительные выдержки), и вместе с тем для образования бейнита необходимо сохранение диффузионной подвижности углерода. Температура должна быть на уровне 360 °С, т.е. ниже границы образования верхнего бейнита [13]. Сталь 07Х3ГНМ не содержит сильных карбидообразующих элементов, весь углерод растворен в аустените. Легированный переохлажденный аустенит имеет высокую устойчивость. При охлаждении до температуры 500 °С образуется порция a-фазы по атермическому механизму. После достижения температуры изотермы (360 °С) нераспавшийся аустенит в изотермических условиях превращается в мартенсит. Структура образцов представляет собой смесь атермического и изотермического пакетного мартенсита (рис. 5). а б Рис. 5. Микроструктура сталей после изотермической выдержки при температуре 360 °С: а - 07Х3ГНМ; б - 15Х2Г2НМФБ После закалки из МКИ мартенсит сталей 15Х2Г2НМФБ и 07Х3ГНМ имел реечную структуру (рис. 6). а б Рис. 6. Реечная структура НМС: а - 15Х2Г2НМФБ; б - 07Х3ГНМ Значения температуры начала мартенситного превращения в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении могут не совпадать. Зависимость количества образовавшегося мартенсита от продолжительности выдержки при температуре 360 °С для стали 07Х3ГНМ и 15Х2Г2НМФБ представлена на рис. 7. Рис. 7. Зависимость доли изотермического превращения от времени при температуре 360 °С Аустенит стали 15Х2Г2НМФБ термодинамически более устойчив по сравнению с НМС 07Х3ГНМ. Длительное пребывание на температуре 360 °С может привести к образованию структур нижнего бейнита [13]. Однако механические свойства стали со структурой нижнего бейнита мало отличаются от свойств стали с мартенситной структурой. В НМС 07Х3ГНМ нижнего бейнита не образуется, так как превращение практически завершается примерно за 3 мин. Более высокие показатели надежности после закалки на воздухе связаны с частичной релаксацией напряжений, что понижает величину напряжений в местах их наибольшей концентрации. В структуре НМС 15Х2Г2НМФБ при закалке были выявлены участки, по форме напоминающие глобулы. В работе [9] показано, что при закалке на воздухе этой стали возможно образование участков мартенсита с «глобулярной» (бесструктурной) морфологией. Если исходить из того, что причиной разрушения являются образование и рост трещин в местах с наибольшей концентрации напряжений, то уменьшение концентрации напряжений может привести к повышению не только пластичности, вязкости, но и прочности, поэтому образование небольшого количества глобулярного мартенсита не приводит к ухудшению свойств НМС. В целом после закалки из МКИ на воздухе достигнуты механические свойства, примерно соответствующие верхнему интервалу значений показателей после закалки от температуры 980 °С и отпуска. Исследования методом ДСК-нагрева стали позволили определить критические точки (табл. 4). Наличие двух пиков на кривой ДСК, а также двух максимумов первой производной указывает на двухстадийное образование аустенита. Известно, что первым этапом превращения может являться обратное мартенситное превращение, а затем оставшаяся a-фаза превращается в аустенит по диффузионному механизму [5]. Таблица 4 Температура критических точек НМС 15Х2Г2НМФБ и 07Х3ГНМ Обозначение стали Температура критических точек t, °C Ac1 Ac3 Mн Mк 15Х2Г2НМФБ 710 840 375 320 07Х3ГНМ 758 832 527 303 Сопоставляя ДСК и учитывая малое различие в составах ранее изученной стали 12Х2Г2НМФБ и 15Х2Г2НМФБ, можно утверждать, что в НМС 15Х2Г2НМФБ также наблюдали двухстадийное образование аустенита (рис. 8, а). а б в Рис. 8. ДСК-диаграммы нагрева (а, в) и охлаждения (б, г, д) НМС: а, б - 15Х2Г2НМФБ; в, г, д - 07Х3ГНМ; г - охлаждение 10 град/мин; д - охлаждение 40 град/мин (см. также с. 192) г д Рис. 8. Окончание На кривой ДСК-нагрева 07Х3ГНМ имеется два пика, которые соответствуют образованию аустенита по сдвиговому и диффузионному механизмам [5]. При медленном охлаждении со скоростью 10 град/мин в температурных интервалах от ~720 до ~590 °С наблюдали нормальное превращение аустенита. Дальнейшее понижение температуры прерывало превращение по нормальному механизму, и в интервале температур 527-303 °С фазовый переход завершался по сдвиговому механизму с образованием пакетного мартенсита. При высоких скоростях охлаждения перлитное превращение в стали 07Х3ГНМ не наблюдали (cм. рис. 8). При охлаждении НМС 15Х2Г2НМФБ распад низкоуглеродистого аустенита сопровождался образованием только одного локального экстремума, площадь под локальным экстремумом ДСК позволяет определить характер превращения (рис. 8, б). На основании данных о выделившейся теплоте превращение является сдвиговым [14]. Металлографические исследования подтверждают образование главным образом пакетного мартенсита. Перегиб в интервале температур 380-470 °C и расширение площади под кривой позволяют предположить возможность выделения и иной морфологической формы a-фазы в НМС (см. рис. 8, б). В работах [9, 15] показано, что вторая высокотемпературная форма мартенсита может иметь пластинчатую или глобулярную морфологию, но возможно и образование нижнего бейнита. Электронная микроскопия не позволяет идентифицировать по размерам реек и ориентации карбидов нижний бейнит. Образование небольшого количества нижнего бейнита не оказывает заметного влияния на механические свойства НМС. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. При нагреве образцов из НМС 15Х2Г2НМФБ со скоростью 10-40 град/мин наблюдали двухстадийный характер превращения, свидетельствующий о возможности образования аустенита сдвиговым и диффузионным способами. 2. Сохранение исходной структуры после нагрева в межфазную область позволяет получать реечную структуру a-фазы у НМС, содержащей сильные карбидообразующие элементы. Независимо от охлаждающей среды после закалки стали 15Х2Г2НМФБ структура включала главным образом пакетный мартенсит. 3. Достигнутое сочетание прочности, пластичности и вязкости у заклеенной из МКИ стали 15Х2Г2НМФБ свидетельствует о возможности замены полной закалки (980 °C) закалкой из верхнего температурного интервала МКИ (810 °C).

About the authors

S. K Berezin

Perm National Research Polytechnic University

Email: Semka-ya@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 48

PDF (Russian) - 33

Refbacks

• There are currently no refbacks.