Abstract

Abstract

Определены числовые характеристики упрочнения низкоуглеродистых мартенситных сталей, имеющих реечную структуру, легированных сильными карбидообразующими элементами. Исследована микро- и тонкая структура сталей, определены значения показателей прочности, пластичности и вязкости. Построены истинные кривые «деформация – напряжение». Рассчитаны показатели упрочнения для стадии равномерной деформации. Показано хорошее согласие экспериментальных данных с уравнением Людвика – Холломона.

Full Text

Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) [1] содержат менее 0,12 % С, легированы 1–3 % Cr, 1–2 % Mn, 1 % Ni и часто сильными карбидообразующими элементами. Добавки V, Nb и/или Ti обеспечивают рост отпускоустойчивости и проявление структурной наследственности [2]. НМС, при равной со среднеуглеродистыми сталями прочности, обладают вдвое более высокими характеристиками надежности [3]. Повышение содержания углерода в исследованных НМС более 0,12 % C продиктовано потребностью современной промышленности в высокопрочных сталях. Важной характеристикой стали является деформационное упрочнение. Оценить упрочнение материала позволяет показатель деформационного упрочнения n уравнения Людвика – Холломона [4]: (1) где σW – истинное напряжение; KL – коэффициент упрочнения; e – истинная деформация. Показатель деформационного упрочнения n зависит от предыдущей деформации [5], состава стали, температуры испытаний, скорости нагружения, количества, размеров и морфологии характерных элементов структуры (табл. 1). Таблица 1 Сравнительные характеристики упрочнения материалов на стадии равномерной деформации [4, 6–9] МатериалКристаллическая решетка / структураn Сталь 10ОЦК0,3 Сплав алюминия Д1ГЦК0,5 Сплав алюминия А85 (d = 50 мкм)ГЦК0,5 Сплав алюминия А85 (d = 0,5 мкм)ГЦК0,07 Сплав цирконияГПУ0,2 Титан ВТ1-00 (d < 0,1 мкм)ГПУ0,06 Сталь 10Феррит0,3 Сталь X70 (12Г2СФТБ)Феррит + сорбит0,2 Сталь 42CrMo4 (40ХМ)Феррит + сорбит0,1 Сталь X2CrNiMo18.12 (02Х18Н12М)Аустенит + мартенсит (деформационное γ–a-превращение)0,36 Примечание: скорость деформации в интервале 0,25–5 мм/мин. Для оценки поведения материала в реальных условиях нагружения с учетом упрочнения строят истинные диаграммы «деформация – напряжение». Цель работы – исследование деформационного упрочнения отпускоустойчивых НМС на стадии равномерной деформации. Методика эксперимента и исследования. Исследовали НМС системы Fe – Cr – Mn – Ni – Mo – V – Nb с различным содержанием углерода (табл. 2). Образцы для исследований изготовлены из проката диаметром 110 мм (сталь 15Х2Г2НМФБА) и диаметром 90 мм (сталь 19Х2Г2НМФБА). Таблица 2 Химический состав исследуемых сталей, % СтальCSiMnCrNiMoVCuAlNH, ppmNb 15Х2Г2НМФБА0,150,262,072,101,230,420,090,200,0150,0111,40,063 19Х2Г2НМФБА0,190,212,022,161,220,410,090,170,0190,0111,50,056 Примечание: суммарное содержание серы и фосфора не превышало 0,025 %. Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497–84 на машине Instron 300 LX. Использовали цилиндрические образцы типа III, номер 7. Ударную вязкость определяли согласно ГОСТ 9454–78, на маятниковом копре ИО 5003-0,3, образцы типа 11 с V-образным надрезом. Значения KCV, σв, σт, δ, ψ получали как среднее арифметическое по результатам испытаний не менее трех образцов, твердость определена по Бринеллю на твердомере ТШ-2 (табл. 3). Таблица 3 Механические свойства исследуемых сталей Стальσ0,2, МПаσв, МПаδ, %Ψ, %KCV, Дж/см2Твердость, HB 15Х2Г2НМФБА1092134714,565,0134400 19Х2Г2НМФБА1152144217,761,0100420 Микроструктуру (рис. 1, а, б) исследовали на микроскопе Neophot-32 при увеличении от 100 до 1000 крат, тонкую структуру (рис. 1, в, г) – используя просвечивающий электронный микроскоп JEM 200CX (ускоряющее напряжение до 200 кВ). Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на модернизированном дифрактометре ДРОН-3 при ускоряющем напряжении 30 кВ, силе тока 5 мА, использовали железное Кa-излучение. Окончательная термообработка включала закалку от температуры 980 °С (охлаждение в воде) и отпуск при 250 °С. Такой режим обеспечивает ускоренное охлаждение и высокие механические свойства [10]. Результаты и их обсуждение. Структура обеих сталей – низкоуглеродистый пакетно-реечный мартенсит (рис. 1), с соответствующими такой структуре механическими свойствами (рис. 2, табл. 3). Рентгеноструктурным анализом остаточного аустенита не обнаружено. а б в г Рис. 1. Микроструктура (а – 15Х2Г2НМФБА; б – 19Х2Г2НМФБА) и реечная структура (в – 15Х2Г2НМФБА; г – 19Х2Г2НМФБА) исследуемых сталей Размер зерна в сталях составлял 15–20 мкм, в каждом зерне обнаруживали 4–6 пакетов мартенсита (см. рис. 1, а, б). Ширина рейки (см. рис. 1, в, г) составляет 200–300 нм. Отношение наибольшей и наименьшей полуосей рейки соответствует отношению a:c = от 1:7 до 1:35 [11, 12]. Истинную диаграмму «деформация – напряжение» на стадии равномерной деформации НМС (см. рис. 2) аппроксимировали уравнением (1) [4]. Истинные напряжения определяли по формуле (2), а истинные деформации – по формуле (3): (2) (3) где σ – условное напряжение; ε – условная деформация. Значения коэффициента KL и показателя деформационного упрочнения n, полученные в результате аппроксимации, представлены в табл. 4 и на рис. 2. Рис. 2. Условные и истинные диаграммы деформации исследованных сталей на стадии равномерной деформации: ––– условная диаграмма; – – – истинная диаграмма; 1 – 15ХГ2НМФБА; 2 – 19Х2ГНМФБА; ––– аппроксимация Таблица 4 Работа равномерной деформации Ae и коэффициенты уравнения Людвика – Холломона Обозначение сталиAeРавномерная деформация РасчетЭкспериментKLn 15Х2Г2НМФБА40,340,119120,087 19Х2Г2НМФБА48,648,420450,089 Работу равномерной деформации Ae находили по площади, ограниченной кривой «деформация – напряжение» (эксперимент), и для проверки возможности расчетной оценки вычисляли по формуле полученной Ю.И. Рагозиным исходя из предположения о дискретности поглощения энергии при разрушении [13] (расчет): εв – условная деформация при достижении предела прочности; σ0,2 – предел текучести; σв – предел прочности. Резкое повышение напряжений в области 0,005 % деформации вызвано увеличением скорости деформирования образца в 9 раз, что разрешает ГОСТ 1497–84. Показатель n на стадии равномерной деформации во многом характеризует релаксационную способность стали. Полученные значения n на этой стадии отпускоустойчивых НМС лежат в интервале значений n НМС без сильных карбидообразующих элементов [14], что указывает на их высокую релаксационную способность. Сделаем следующие выводы: 1. Установлена возможность расчета работы равномерной деформации для отпускоустойчивых НМС на базе методики, предполагающей дискретный характер разрушения. 2. Введение в низкоуглеродистую сталь с мартенситной структурой сильных карбидообразующих элементов не привело к значительному изменению показателя упрочнения по сравнению с НМС без сильных карбидообразующих элементов. 3. Низкие значения n на стадии равномерной деформации обеспечивают повышенную релаксационную способность НМС.