автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с температуры горячей деформации

На правах рукописи

Романов Илья Дмитриевич

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ, ЗАКАЛЕННОЙ С ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ЛЕК 2013 005542351

Нижний Новгород - 2013

005542351

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (г. Пермь)

Научный доктор технических наук, профессор кафедры

руководитель: «Металловедение, термическая и лазерная

обработка металлов» Шацов Александр Аронович ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (г. Пермь)

Официальные доктор технических наук, профессор кафедры

оппоненты: «Металловедение, термическая и пластическая

обработка металлов» Глинер Роман Ефимович

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (г. Нижний Новгород)

кандидат технических наук, заместитель директора Пряничников Владислав Александрович ООО «ВолгаСтальПроект» (г. Нижний Новгород)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (г. Магнитогорск)

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева Автореферат разослан « S G» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Современные материалы для тяжелонагруженных деталей функционирующих в условиях многоосного напряженного состояния, знакопеременных статических и динамических нагрузок должны обеспечивать рост всех показателей конструкционной прочности.

Структура реечного мартенсита позволяет реализовать сочетание высоких прочностных характеристик и показателей надежности. Такая структура формируется при закалке низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС), обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в области нормального и промежуточного превращений.

Работа направлена на изучение макро, микро и реечной структуры НМС, произведенных с применением непрерывной разливки, определение показателей прочности, надежности, долговечности и эксплуатационные характеристики деталей. Возможность устранения дефектов макроструктуры и формирование особой микроструктуры при температурно-деформационном воздействии позволяет повысить конструкционную прочность изделий, сократить технологический процесс термоупрочнения, за счет проведения закалки непосредственно с температуры конца горячей деформации. Темпера-турно-деформационное воздействие улучшает металлургическое качество и повышает дисперсность характерных элементов структуры заготовок.

Полученные результаты стали составной частью работ, выполненных по программам: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" 2012 - 2013 очередь 1.2.1 мероприятие XVI, лот 1. контракт 14.В37.21.1068; НИР на выполнение исследований в НИЧ ПНИПУ по заказ -наряду № 1.20.11 на 2012-2014 гг. в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданиям Министерства образования и науки РФ; грант РФФИ 09-08-99001-р_офи, 2008-2010 гг.

Цель работы:

Создание совмещенного процесса горячей деформации и закалки для повышения технологичности и работоспособности деталей винтовых забойных двигателей из стали со структурой низкоуглеродистого реечного мартенсита.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Исследовать исходную макроструктуру проката из НМС, полученного из непрерывнолитой заготовки.

2. Изучить формирование структуры НМС в результате температурно-деформационного воздействия.

3. Изучить влияние скорости охлаждения после горячей деформации на структуру и комплекс характеристик механических свойств.

4. Исследовать связь размеров структурных элементов и характеристик механических свойств НМС с реечной структурой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что последеформационное охлаждение НМС с различными скоростями позволяет управлять комплексом механических свойств. Так после закалки в воде с температуры конца горячей деформации формируется структура пакетного мартенсита со средним размером зерен 39 мкм, предел прочности которой составляет более 1400 МПа, ударная вязкость KCV более 0,7 МДж/м2, а после медленного охлаждения с печью (Уохл=0,015°С/с) формируется мартенситная структура со средним размером зерна 17 мкм, при этом значения ударной вязкости увеличиваются почти в два раза и достигают значений более 1,2 МДж/м2.

2. Установлено, что структура реечного мартенсита низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА обеспечивает вдвое более высокие показатели ограниченной долговечности при испытаниях в условиях повторяющихся ударных нагрузок по сравнению со структурой сорбита отпуска сталей 40ХН2МА и Э8ХНЗМФА при равной прочности.

3. Экспериментально доказано, что в процессе деформационно-термического воздействия уменьшаются размеры структурных элементов и одновременно увеличивается ударная вязкость, но при достижении ударной вязкости KCV=1,2 МДж/м2 её дальнейший рост замедляется.

4. Обнаружено, что разнозернистость с коэффициентом R до 4, полученная после закалки с деформационного нагрева, слабо влияет на характеристики механических свойств, благодаря реечной структуре низкоуглеродистого мартенсита.

Практическая значимость

1. Разработан режим упрочнения НМС, включающий деформацию со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на воздухе и отпуск при 250°С с последующим охлаждением на воздухе. Предложенный режим позволяет сократить технологический процесс за счет исключения дополнительной закалки и гарантирует получение комплекса свойств: Сто.2 > Ю50 МПа, ов > 1350 МПа, 5 > 15 %, \|/ > 60 %, KCV > 0,75 МДж/м2.

2. На основании исследования металлургического качества, характеристик механических свойств и работоспособности деталей из НМС, полученных из непрерывнолитых заготовок, установлено, что для изготовления ответственных деталей винтовых забойных двигателей металлургическое качество заготовок должно соответствовать категории «высококачественная».

3. Достигнутые значения показателей прочности, надежности и долговечности позволят повысить в 1,5 раза ресурс работы винтовых забойных двигателей и обеспечить возможность получения экономического эффекта в размере 3,5 млн. руб. в год.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты

1. НМС 15Х2Г2НМФБА позволяет проводить закалку с температур конца горячей деформации охлаждением на воздухе, в результате которой в поковке формируется структура реечного мартенсита.

2. Применение горячей деформации НМС радиальной ковкой позволяет получать металлургические заготовки высокого качества при степени деформации не менее 70%, наибольшее значение ударной вязкости получены при степени деформации 79% и выше. В интервале степеней деформации от 60% до 87% диспергируется зерно с 45 до 22 мкм и размер пакета с 9 до 7 мкм.

3. Формирование структуры реечного мартенсита в широком интервале степеней деформации и скоростей охлаждения заготовок с температур конца горячей деформации позволяет получить повышенный комплекс характеристик прочности, пластичности и вязкости.

4. Уменьшение размеров зерен с ростом степени деформации ведет к уменьшению расстояния между непроницаемыми для дислокаций границами, что приводит к замедлению роста значений характеристик пластичности и ударной вязкости даже приуменьшении размеров реек.

5. Параметры технологического процесса упрочнения НМС, разработанные на основании исследования влияния горячей деформации на макро-, микро, реечную структуру и характеристики механических свойств: горячая деформация со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на воздухе, отпуск при 250°С, охлаждение на воздухе.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях: "Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'11), г. Санкт-Петербург, 22-24 июня 2011 г; "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 26 - 28 октября 2011 г.; "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов": материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов, Магнитогорск, 06 - 10 февраля 2012 г; Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2012, Москва, МИСиС, 2012.

Личный вклад автора

Состоит в формировании цели и задач исследования, анализе литературных источников, проведении эксперимента, обработке полученных результатов.

Публикации

По материалам исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы; изложена на 140 страницах, включает 114 рисунков, 37 таблиц; список литературы содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Обоснована актуальность, изложены цели и задачи, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы, представлены положения, выносимые на защиту.

Первая глава. «Современные низколегированные стали и формирование структуры и свойств в процессе пластической деформации». Рассмотрены современные составы низколегированных сталей, применяемых в различных областях промышленности, влияние структуры материала на процесс пластической деформации. Глава завершается постановкой задачи. Вторая глава «Материалы и методики»

В качестве основного исследуемого материала выбрана НМС 15Х2Г2НМФБА (С - 0.154%, Si - 0.26%, Мп - 2.0%, Сг - 2.1%, Ni - 1.2%, Mo - 0.43, V - 0.09%, Nb - 0.07%, Си - 0.19%, A1 - 0.014%, Са - 0.0006%, N -0.0123%, О - 0.0012%, Р - 0.009%, S - 0.007%). Критические температуры стали: Aci = 710°С, Ас3 = 840°С, Мн = 340°С, Мк = 170°С.

Сталь 15Х2Г2НМФБА относится к группе НМС повышенной прочности. Определенное сочетание углерода и легирующих элементов обеспечивают высокую устойчивость переохлажденного аустенита и, соответственно, большую прокаливаем ость. Комплексное легирование сильными карбидо-образующими элементами, ванадием и титаном, позволяет увеличить отпус-коустойчивость и сохранить при нагреве мелкое зерно.

Исходное состояние стали - выплавка в печи-ковше, непрерывная разливка, прокатка 1200°-850°С, отпуск 660°С, 8 часов. Во время эксперимента сталь нагревали до температуры 1150°С, подвергали горячей деформации (радиальной ковке), затем проводили закалку с температур конца горячей деформации с различными скоростями охлаждения. Степень деформации определяли по формуле £=(l-FKOH/FHa4)xl00%. Схема режимов обработки приведена на рис. 1.

Основные исследовательские методы включали макроструктурный анализ, металлографический (Axio Observer.Dlm) и электронно-микроскопический анализ (JEM 200СХ) структуры. Рентгеноструктурный анализ проводили на приборе ДРОН-ЗМ. Испытания на ограниченную долговечность проводили на универсальном копре повторного удара КПУ-2. Испы-Рисунок1. Схема режимов обработки тания на одноосное раСтяжение проводили в соответствии с ГОСТ 149784 на машине INSTRON 300 LX. Ударную вязкость (KCV) определяли согласно ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре ИО 5003-0.3. Статическую тре-щиностойкость определяли в соответствии с ГОСТ 25.506 - 85, приложение 3 по результатам испытаний на статический изгиб образцов с трещиной, тип 4.

Испытания проводили на машине УМЭ-10Т. Дюрометрические исследования — на твердомере Бринелля Integral 5 фирмы AFFRI.

Третья глава «Металлургическое качество НМС»

Требуемый комплекс механических свойств деталей и заготовок из НМС возможно обеспечить совмещенным процессом горячего формообразования с закалкой охлаждением на воздухе. В связи с этим важно знать исходное металлургическое качество прутков НМС, изготовленных из непрерыв-нолитых заготовок, обладающих, как известно, специфичной макроструктурой.

Для выявления зависимости механических свойств стали 15Х2Г2НМФБА от технологических параметров проведен анализ качества прутков в состоянии поставки и термоупрочненных заготовок деталей. Изготовлено 5 плавок (табл. 1) согласно технической спецификации № OVK/R-S/1 «Прутки из конструкционной стали 15Х2Г2НМФБА». Установлено влияние химического состава, размера заготовки, параметров термической обработки (скорости охлаждения, температуры отпуска) на комплекс характеристик механических свойств (ств, сто.2, 5, ц/, KCV).

Таблица 1 - Химический состав произведенных плавок

№ плавки Fe | С | Si | Мп | Р | S | Сг | № | Мо | Си | N | V | Nb

%, масс

75452 ОСИ 0,154 0,259 2,003 0,009 0,007 2,06 1,23 0,426 0,192 0,0123 0,0881 0,0712

77380 осн 0,159 0,231 2,041 0,014 0,006 2,09 1,28 0,412 0,210 0,0117 0,088 0,0670

78084 ОСИ 0,16 0,25 2,11 0,01 0,009 2,13 1,24 0,43 0,18 0,011 0,1 0,078

78588 осн 0,19 0,21 2,02 0,012 0,012 2,16 1,22 0,41 0,17 0,011 0,09 0,056

79565 осн 0,15 0,26 2,07 0,014 0,007 2,1 1.23 0,42 0,2 0,011 0,09 0,063

По результатам проведенных исследований структуры в зависимости от режимов термообработки, фазовых превращений при нагреве и охлаждении, влияния химического состава на механические свойства внесены уточнения в стандарт предприятия ООО «Фирма «Радиус-Сервис» СТП 006-2010 «Прутки из конструкционной стали 115-01» для использования НМС в качестве материала для производства деталей винтовых забойных двигателей (ВЗД). Стандартом предприятия установлены следующие требования по характеристикам механических свойств: о0,2>Ю20 МПа, ав>1300 МПа, 5>12 %, \у>50 %, КСУ>0,7 МДж/м2.

Контроль макроструктуры проводили согласно ГОСТ 10243-75. Макро-структурный анализ показал, что во всех плавках НМС присутствует зона бездефектного металла, расположенная ближе к поверхности проката, и зона с повышенной пористостью в центральной части прутков.

Стали плавок 75452, 77380, 78588, 79565 согласно ГОСТ 4543-71 соответствуют категории «высококачественная», сталь плавки 78084 соответствует категории «качественная».

Конструкционную прочность обеспечивает сочетание характеристик прочности, пластичности, вязкости и усталостной прочности. В связи с тем, что в условиях эксплуатации возможны циклические ударные нагрузки, про-

вели испытания на ограниченную долговечность в условиях повторяющихся ударных нагрузок.

Для сопоставления испытывали традиционные конструкционные стали (38ХНЭМФА, 40ХН2МА) и низкоуглеродистую мартенситную сталь 15Х2Г2НМФБА двух плавок, таблица 2. Стали испытывали в состоянии с примерно равной прочностью, при этом структура НМС - реечный мартенсит, структура среднеуглеродистых сталей - сорбит отпуска.

Таблица 2 - Результаты испытаний на ограниченную долговечность

Марка стали Плавка, охлаждающая среда Количество ударов на КПУ-2 до

(категория качества стали разрушения при энергии удара

ГОСТ 4543-71) Е = 1,2 Е = 2,0 Е = 2,5

Нхм Нхм Нхм

38ХНЭМФА Г572 г. Серов 4400 2300 1100

(высококачественная) 4700 2100 1100

40ХН2МА В27265 г. Донецк 4900 1900 1300

(высококачественная) 4200 1900 1100

Э85878 г. Челябинск 5600 2400 1200

(высококачественная) 5600 2100 1400

15Х2Г2НМФБА 78084, вода 7600 4000 2300

(качественная) 7700 3800 2200

78084, воздух 7200 3700 2000

(качественная) 6900 3900 1850

78588, вода 9700 3800 2300

(высококачественная) 7800 3700 2350

78588, воздух 8100 3900 2350

(высококаче ственная) 9100 4000 2400

Результаты испытаний показали, что низкоуглеродистая мартенситная сталь 15Х2Г2НМФБА обладает вдвое более высокой ограниченной долговечностью, чем традиционные конструкционные стали Э8ХНЗМФА и 40ХН2МА при всех исследованных энергиях удара, что обеспечивается структурой реечного мартенсита.

Четвертая глава «Структура и свойства низкоуглеродистой мартен-ситной стали, закаленной с деформационного нагрева».

Закалка сталей с температур конца горячей обработки давлением представляет интерес для производства термоупрочненных заготовок, поскольку позволяет сократить технологический процесс за счет исключения операции дополнительной закалки. Использование ВТМО ограничено для крупногабаритных деталей из-за необходимости обеспечивать узкие интервалы значений температур и степеней деформации и достаточно высокие скорости охлаждения, поскольку протекание процессов рекристаллизации и образование не-мартенситных структур при данной обработке недопустимо.

Низкоуглеродистые мартенситные стали обладают высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в области нормального и промежуточного превращений, что позволяет совместить горячую пластическую деформацию с закалкой на спокойном воздухе.

Структуру и свойства НМС, закаленной с деформационного нагрева исследовали на прокате стали 15Х2Г2НМФБА с диаметрами исходных заготовок 55 мм, 65 мм, 83 мм.

Структура стали в исходном состоянии - отпущенный реечный мартенсит. Структура речного мартенсита, формирующаяся после охлаждения НМС 15Х2Г2НМФБА на воздухе с температур конца горячей обработки давлением, представляет собой набор параллельных друг другу кристаллитов, (рис. 2).

Влияние степени деформации на структуру и комплекс механических свойств исследовали в интервале степеней деформации от 60 до 87%, таблица 3. Перед ковкой сталь нагревали до 1150°С, охлаждение после ковки проводили на воздухе.

Таблица 3 - Механические свойства НМС 15Х2Г2НМФБА в зависимости от степени деформации _______

Исх а, мм Кона, мм Уков (в^ЗД Относительная степень деформации, % МПа МПа 5,% ксу+2о МДж/м2

55 35 2,5 60 1058 1384 17 61 0,77

55 30 3,4 70 1014 1335 17 65 0,80

65 30 4,7 79 1010 1357 18 65 1,16

83 30 7,7 87 1036 1352 17 65 1,22

Степень деформации е в пределах от 60% до 87% мало влияла на характеристики прочности и пластичности, но существенно - на ударную вязкость. С увеличением б от 60% до 87% ударная вязкость возрастала с 0,77 до 1,22 МДж/м2.

С увеличением степени деформации происходило измельчение размера аустенитного зерна. После максимальной деформации наименьший средний размер зерна составил 22 мкм, таблица 4.

Таблица 4 - Статистические характеристики зеренной структуры кованой стали 15Х2Г2НМФБА

Степень деформации, % Средний размер зерна, мкм Наиболее вероятный размер зерна, мкм к

60 45 41 2,36

70 36 26 4

79 38 28 3,7

87 22 19 2,36

Я - коэффициент разнозернистости

Рисунок 2. Реечная структура НМС, х35000

При всех исследованных степенях деформации распределение размеров зерен было одномодальным с правой асимметрией.

Размеры блоков, значения микронапряжений и плотность дислокаций определены рентгеноструктурным анализом кованых образцов, таблица 5.

Таблица 5 - Результат ренттеноструктурного анализа

Степень деформации, % Размер блоков, мкм Микронапряжения, МПа Плотность дислокаций, см"2

60 0,07 198 6,3-Ю11

70 0,061 205 6,7-10и

79 0,062 206 7,0-Ю11

87 0,060 213 7,3-Ю11

Общая тенденция - небольшое увеличение плотности дислокаций и значений микронапряжений с увеличением степени деформации.

Для оценки влияния скорости охлаждения после ковки на структуру и комплекс характеристик механических свойств проводили охлаждение в различных условиях:

1. С печью (скорость охлаждения 0,015 °С/с)

2. На воздухе (скорость охлаждения 3 °С/с)

3. В воде (скорость охлаждения 90 °С/с)

С увеличением скорости, охлаждения после ковки происходит увеличение

предела прочности более чем на 140 МПа, относительное удлинение снижается на 2%, таблица 6.

Таблица 6 - Механические свойства в зависимости от скорости охлаждения после ковки при степени деформации 70%___

Интервал ковки Среда охлаждения/скорость охлаждения, °С/с МПа МПа 5,% у, % ксу+20 МДж/м2 Твердость НВ

ТН°С ТК°С

1150 915 Печь/0,015 930 1275 19 59 1,23 398

1150 870 Воздух/3 1014 1335 17 65 0,80 376

1150 870 Вода/90 1133 1423 17 62 0,81 423

Примечание: DHCX=55 мм; DmH=30MM; уков 3,4;

Значения ударной вязкости после медленного охлаждения с печью достигали 1,23 МДж/м2, ускоренное охлаждение обеспечивало ударную вязкость 0,8 МДж/м2 при более высокой прочности.

С уменьшением скорости охлаждения (таблица 7) происходит измельчение зеренной структуры материала, которое связано с протеканием процессов рекристаллизации аустенита в широких температурных интервалах.

Таблица 7 - Зависимость величины зерна от скорости охлаждения

Среда охлаждения/скорость охлаждения, °С/с Средний диаметр зерна, мкм

Печь/0,015 17

Воздух/3 36

Вода/90 39

Малая продолжительность пребывания при температурах выше начала рекристаллизации в случае охлаждения деформированных заготовок на воздухе и в воде не позволяет измельчить зерно. После охлаждения с печью размер зерна составил 17 мкм, что в 2 раза меньше, чем после охлаждения в воде и на воздухе.

Пребывание стали 15Х2Г2НМФБА в температурном интервале рекристаллизации деформированного аустенита обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, а мартенситное превращение мелкозернистого аустенита обеспечивает получение структуры с высокой прочностью и ударной вязкостью.

Оценку влияния температуры отпуска на характеристики механических свойств кованой стали 15Х2Г2НМФБА проводили при температуре 250°С и при температуре 500°С.

Характеристики прочности и пластичности слабо зависят от температуры отпуска до 500°С, поскольку до этой температуры сохраняется структура мартенсита. Значения ударной вязкости изменяются в зависимости от температуры отпуска, так после отпуска при 250°С происходит увеличение ударной вязкости в результате релаксации остаточных напряжений, а после отпуска при 500°С ударная вязкость понижается, в связи с проявлением необратимой отпускной хрупкости. Предпочтительной температурой отпуска после ковки является температура 250°С, поскольку прочность после такого отпуска не снижается, а ударная вязкость увеличивается в среднем на 17%.

Полученные результаты - высокая прочность в сочетании с высокой ударной вязкостью в широком интервале величин деформации, обусловлены особенностями структуры реечного мартенсита и отсутствием продуктов промежуточного превращения.

Исследования влияния степени деформации при радиальной ковке на макроструктуру показали, что после ковки со степенью деформации 60% сохраняется незначительная неоднородность в центре заготовки. После ковки со степенью деформации 70% и более устраняется исходная центральная пористость и точечная неоднородность непрерывно-литой заготовки.

Пятая глава «Прочность и трещиностойкость горячедеформированной стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита».

Границы раздела между рейками в пакетно-реечном мартенсите являются элементом структуры, ответственным за механические свойства, поэтому модель разрушения НМС должна учитывать морфологию и размеры реек. Границы рейки создают наибольшую концентрацию напряжений (отношение размеров а/с = 1/7 или а/с = 1/35). Для размеров пакетов характерно соотно-

шение осей а=Ь<с (1:1:2). Границы зерен аустенита из-за полиэдрической формы не являются опасным концентратором напряжений, если только они не ослаблены какими-либо выделениями.

Переход от микроскопического дефекта, границ реек, к макроскопическому (трещине) возможен, если исходить из дислокационного строения (малоугловых) границ реек. В процессе деформирования вязкого материала формируется ячеистая структура с малым углами разориентировки, которой предшествует образование скоплений (клубков) дислокаций. Дальнейшая эволюция дислокационной структуры приводит к образованию микротрещин, а затем и трещин. Это означает; что границы реек вполне могут играть роль наиболее опасного концентратора.

Поскольку рейка имеет форму эллипсоида, то для определения коэффициента концентрации напряжений использовали выражение, принятое для эллиптического концентратора:

Кр = 1 + 2х- (1)

а

где с и а - соответственно большая и малая полуоси эллипса.

Роль границ реек в процессе разрушения определяли из модели В. Вейса, вытекающей из суперпозиции полей напряжений вблизи концентраторов напряжений.

(1 + 4 х —У -1

£_= , (2)

" К,*к, 6х£* к р

где К,— коэффициент концентрации напряжений в вершине бокового надреза, К, - коэффициент концентрации напряжений на границе дефекта, с/ - расстояние между дефектами, р- радиус в вершине надреза.

Коэффициент интенсивности напряжений связан с предельным значением коэффициента концентрации напряжений в окрестности вершины надреза:

к, = 0.5х4ж хКхсгяом х^[р (3)

где р- радиус в вершине металлургического дефекта. В качестве дефекта принимали неметаллические включения, радиус в вершине металлургического дефекта исследованных сталей имел значение порядка 10 мкм. Коэффициент концентрации напряжений в вершине дефекта, вычисленный по данным металлографических исследований, составил примерно К4 = 4. Подобный тип неметаллических включений с близким отношением размеров при анализе разрушения использован и другими исследователями.

Непреодолимыми, а значит не допускающими релаксации напряжений в вершине дефектов, являются только непроницаемые для дислокаций границы. Такими границами могут быть как высокоугловые так и малоугловые границы, если угол разориентировки границы и плоскости скольжения дислокации велик. Количество проницаемых для дислокаций границ в пакетном

мартенсите обычно составляет 1/3, что позволяет вычислить расстояние между непроницаемыми барьерами по известным характеристикам структуры.

Принимали, что расстояние между дефектами составляет А. Размер с! можно выразить через диаметр зерна аустенита с15 и количество п зерен между непроницаемыми границами: й=с1з*п.

Наиболее значимыми концентраторами напряжений являются границы самых крупных реек (кристаллитов). Известные соотношения полуосей реек, определенные на монокристаллах, составляют а:Ь:с = 1:3:15. Диаграммы распределения реек по размерам, полученные статистической обработкой данных электронно-микроскопического анализа (рис. 3), использовали для расчета значения коэффициента интенсивности напряжений. Результаты вычислений и экспериментально определенные значения 1с хорошо согласуются, таблица 8.

Рисунок 3. Реечная структура горячедеформированной НМС 15Х2Г2НМФБА а,- 8=70%, хЗОООО; б,- 8=79%, хЗОООО; в.- 8=87%, хЗОООО

Таблица 8 - Характеристики структуры и механических свойств деформированной ковкой НМС15Х2Г2НМФБА_

е, % Оо.2> МПа мкм К Ь, нм н.в./макс. 1с, МПа*мш

расч экспер

60 1046 45 28 103/993 72 97

70 1059 31 33 97/917 87 117

79 1093 20 36 79/707 110 115

87 1054 15 40 67/621 121 125

Примечание: и.в. - наиболее вероятный размер, макс. - максимальный.

Итак, уменьшение размера зерна и связанное с ним уменьшение размеров реек обеспечивает рост характеристик ударной вязкости, однако после достижения определенной величины реек и зерен дальнейший рост вязкости замедляется.

Шестая глава «Работоспособность деталей из НМС и реализация результатов исследований».

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) предназначены для бурения наклонно-направленных, глубоких, вертикальных, горизонтальных и других скважин. Детали ВЗД работают в условиях высоких ударных и циклических нагрузок.

Конструкционная улучшаемая сталь марки 40ХН2МА является одной из применяемых для деталей ВЗД. К материалу деталей, изготовленных из стали 40ХН2МА, предъявляют, согласно серийной конструкторской документации, следующие требования по механическим свойствам: а0,2 > 780 МПа, ов > 930 МПа, 8 > 12 %, \|/ > 45 %, КШ > 0,7 МДж/м2. Переход к изготовлению деталей из низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА позволил значительно повысить характеристики: о0;2 > 1020 МПа, <тв > 1200 МПа, 5 > 12 %, у > 50 %, КСУ > 0,7 МДж/м2, другое преимущество - возможность создания более производительных и надежных ВЗД.

Низкоуглеродистая мартенситная сталь 15Х2Г2НМФБА обладает высокой работоспособностью при различных условиях нагружения, что подтверждается стандартными испытаниями на растяжение, ударный изгиб образцов с У-образным надрезом и испытаниями на ограниченную долговечность. При эксплуатации деталей из проката НМС произошло несколько отказов. Выяснение причин отказов приведено в диссертации. Сводные данные приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Причины разрушения деталей

Шифр детали Причина разрушения Способ устранения причины разрушения

Вал ДРУ2-172РС.207 Дефекты металлургического происхождения (плавка 78084) 1. Исключение образования дефектов на этапе выплавки и прокатки стали. 2. Горячая деформация (например ковка) готового проката с дефектами

Полумуфта ДРУ-210РС.017 Усадочная рыхлота металлургического происхождения

Основной причиной разрушения деталей являются дефекты металлургического происхождения. В настоящей работе показано, что для повышения металлургического качества особо ответственных деталей винтовых забойных двигателей целесообразно применять закалку на воздухе с деформационного нагрева (радиальную ковку).

С применением закалки с деформационного нагрева были изготовлены следующие детали: вал кардана ДРУ2-172РС.218; вал кардана ДРУ-240РС.057, вал кардана ДРУЗ-106РС.082

Ресурсные испытания проведены на двигателях ДРУ2-172РС №507, №2789; ДРУ-240РС №3704, №3666; ДРУ-240РС №1167, №1148. Двигатели с опытными деталями из НМС, закаленными с температуры конца горячей деформации полностью выдержали ресурсные испытания (17 млн. циклов, 360 об/мин, ресурс 800 ч).

Положительные результаты испытаний валов кардана из НМС 15Х2Г2НМФБА, закаленной с температуры конца горячей деформации, позволили рекомендовать их серийное производство. Экономическая эффективность будет достигнута в результате увеличения ресурса двигателя и сокращения производственных расходов при использовании разработанной технологии закалки с деформационного нагрева, исключающей операцию закалки после горячей деформации, и составит не менее 3,5 млн. руб. в год.

ВЫВОДЫ

1. Высокая устойчивость переохлажденного аустенита НМС 15Х2Г2НМФБА обеспечивает возможность закалки крупногабаритных заготовок сложной формы с деформационного нагрева. После горячей радиальной ковки и охлаждения на воздухе в заготовке формируется структура пакетного мартенсита, обеспечивающая высокие характеристики прочности, пластичности и вязкости. Свойства стали можно варьировать в широких интервалах изменением температуры ковки, степени деформации и скорости последеформационного охлаждения. В результате обеспечиваются заданные для деталей винтовых забойных двигателей механические свойства.

2. Сравнительные испытания НМС 15Х2Г2НМФБА со структурой реечного мартенсита и конструкционных улучшаемых сталей 40ХН2МА, 38ХНЗМФА со структурой сорбита отпуска на ограниченную долговечность

показали, что при равной прочности реечный мартенсит обеспечивает вдвое более высокие значения ограниченной долговечности, чем сорбит отпуска.

3. В кованых со степенью деформации 60-87% заготовках НМС 15Х2Г2НМФБА после охлаждения на спокойном воздухе формируется струюура пакетного мартенсита. При степени деформации 87% ударная вязкость достигает значений КСУ >1,2 МДж/м2 и временное сопротивление - более 1300 МПа. Причиной роста вязкости является диспергирование элементов структуры НМС с повышением степени деформации.

4. Увеличение продолжительности выдержки при температурах рекристаллизации за счет изменения условий охлаждения заготовок после ковки приводит к уменьшению размеров зерен. После охлаждения с печью (Уохл=0,015°С/с) с температуры конца горячей деформации, вследствие более длительного пребывания в интервале температур рекристаллизации ау-стенита формируется дисперсная зеренная структура, а по достижении Мн - реечная структура мартенсита с пределом прочности более 1200 МПа и ударной вязкостью КСУ более 1,2 МДж/м2.

5. Рост характеристик ударной вязкости в интервале температур ковки 1150-850°С с повышением степени деформации от 60% до 87% обеспечивает диспергирование размера зерна и других элементов структуры. После достижения ударной вязкости КСУ=1,2 МДж/м2 её дальнейший рост замедляется.

6. Совмещенный режим горячего формообразования с закалкой существенно повышает металлургическое качество заготовок, полученных с применением непрерывной разливки, уменьшая центральную пористость и точечную неоднородность. Применяя совмещенный режим можно получать термоупрочненные заготовки непосредственно от металлургических предприятий, а также в металлургическом производстве машиностроительных предприятий

7. По разработанному режиму изготовлены детали ВЗД. Двигатели с валами кардана, изготовленными из НМС 15Х2Г2НМФБА, закаленной с температуры конца горячей деформации, выдержали ресурсные испытания (17 млн. циклов, 360 об/мин, ресурс 800 ч.). Валы кардана, упрочненные по разработанному режиму, рекомендованы в серийное производство.

Основные публикации по теме диссертации:

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Романов, И.Д. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенсит-ных наносталей, закаленных с деформационного нагрева / И.Д. Романов, Л.М. Клейнер // Материаловедение. - 2013. - №5. - С. 15-19.

2. Романов, И.Д. Прочность и трещиностойкость горячедеформирован-ной стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита / И.Д. Романов, А.А. Шацов, Л.М. Клейнер // Физика металлов и металловедение. — 2013. — Том 114. - №10. С. 936-943.

3. Ряпосов, И.В. Низкоуглеродистая мартенситная сталь 15Х2Г2НМФБ после охлаждения с деформационного нагрева / И.В. Ряпосов, JIM. Клейнер, A.A. Шацов , И.Д. Романов, К.А. Кобелев // Металлургия машиностроения. -2011.-№6.-С. 42.

Материалы международных и всероссийских конференций

4. Клейнер, JIM. Структура низкоуглеродистого мартенсита и конструкционная прочность сталей / Л.М. Клейнер, A.A. Шацов, Д.М. Ларинин, И.Д. Романов, М.Г. Закирова, П.О. Быкова // Труды Современные металлические материалы и технологии [СММТ'11], Санкт-Петербург, 2011. - С. 344-345.

5. Романов, И.Д. Влияние температурно-деформационных параметров обработки на структуру и свойства низкоутлеродистых мартенситных сталей / И.Д. Романов, Л.М. Клейнер // Материалы конференции «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». - Москва: НИТУ МИСиС, 2011. - С. 90.

6. Мамонова, Ю.М. Влияние исходной структуры на устойчивость ау-стенита низкоуглеродистой мартенситной стали 22Х2Г2НМ1 / Ю.М. Мамонова, М.Г. Закирова, И.Д. Романов // Молодые ученые Прикамья - 2011: Материалы I Международной научно-практической конференции, Пермь, ПНИПУ, 2011.-С.

7. Романов, И.Д. Исследование зависимости характеристик механических свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей от температурно-деформационных параметров / И.Д. Романов, Л.М. Клейнер // Материалы международной конференции XXI Уральской Школы металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", Магнитогорск, 2012. - С. 55.

8. Романов, И.Д. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных наносталей, закалённых с деформационного нагрева / И.Д. Романов, Л.М. Клейнер, И.В. Ряпосов // Сб. трудов VI Евразийской научно-практ. конф. «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2012, Москва, МИСиС, 2012. -С. 118.

Научные статьи, опубликованные в российских и региональных периодических изданиях и вузовских сборниках

9. Клейнер, Л.М. Превращения в сплавах железа с нано- и субмикронным размером характерных элементов структуры при отпуске и старении / Л.М. Клейнер, A.A. Шацов, И.В. Ряпосов, Д.М. Ларинин, П.О. Быкова, С.К. Гребеньков, К.А. Кобелев, И.Д. Романов // Вестник Пермского научного центра. - 2011. - №3, С. 24-36.

Подписано в печать 25.11.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 1918/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.

Пермский национальный исследовательский политехнический

университет

На правах рукописи

04201456593

Романов Илья Дмитриевич

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ, ЗАКАЛЕННОЙ С ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЯЧЕЙ

ДЕФОРМАЦИИ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шацов Александр Аронович

Пермь - 2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................5

1. Современные низколегированные стали и формирование структуры и свойств в процессе пластической деформации........................................................10

1.1. Легированные низко- и среднеуглеродистые стали.........................................10

1.2. Низкоуглеродистые мартенситные стали. Преимущества и недостатки........16

1.3. Металлургическое качество стали....................................................................18

1.4. Структурные факторы, влияющие на механические свойства........................19

1.4.1. Структура и свойства мартенсита.............................................................19

1.4.2. Границы зерен в сталях..............................................................................22

1.5. Влияние границ зерен на процесс деформации и модель неоднородного твердого тела, содержащего равномерно расположенные дефекты.......................24

1.6. Особенности структуры мартенсита, образованного из горячедеформированного аустенита.........................................................................29

1.7. Особенности применения ВТМО при производстве упрочненных заготовок низко и среднеуглеродистых сталей.........................................................................30

1.8. Постановка задачи..........................................................................................32

2. Материалы и методики......................................................................................34

2.1. Материалы исследования...................................................................................34

2.2. Методики исследований....................................................................................35

2.2.1. Горячая деформация низкоуглеродистой мартенситной стали...............35

2.2.2. Анализ химического состава.....................................................................36

2.2.3. Макроструктурный анализ.........................................................................36

2.2.4. Металлографический анализ.....................................................................36

2.2.5. Определение закона распределения элементов структуры......................37

2.2.6. Методика определения степени разнозернистости (Я)............................38

2.2.7. Рентгеноструктурный анализ.....................................................................38

2.2.8. Выявление структуры методами электронной микроскопии..................42

2.2.9. Испытания на ограниченную долговечность............................................43

2.2.10. Испытания на растяжение..........................................................................44

2.2.11. Испытания на ударную вязкость...............................................................45

2.2.12. Статическая трещиностойкость.................................................................45

2.2.13. Дюрометрические исследования...............................................................46

Выводы по главе 2......................................................................................................46

3. Металлургическое качество НМС.....................................................................47

3.1. Характеристика отпускоустойчивых НМС опытно-промышленных плавок. 47

3.2 Результаты исследований макроструктуры НМС............................................55

3.3. Механические свойства проката НМС..............................................................63

Выводы по главе 3......................................................................................................67

4. Структура и свойства низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с деформационного нагрева.........................................................................................68

4.1 Влияние температуры нагрева под ковку на структуру и характеристики механических свойств................................................................................................70

4.2 Влияние степени деформации на структуру и характеристики механических свойств........................................................................................................................74

4.3. Структура и механические свойства кованой стали охлажденной в различных средах..........................................................................................................................81

4.4. Влияние температуры отпуска на характеристики механических свойств.....86

4.5. Влияние степени деформации на макроструктуру............................................95

Выводы по главе 4......................................................................................................96

5. Прочность и трещиностойкость горячедеформированной стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита...............................................................................98

Выводы по главе 5....................................................................................................110

6. Оценка работоспособности деталей из НМС и практическая реализация исследований............................................................................................................112

6.1. Работоспособность и причины разрушения деталей из НМС.......................112

6.2. Проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с деформационного нагрева ...................................................................................................................................126

Выводы.....................................................................................................................128

Список использованных источников

130

Введение

Основной задачей металловедения в машиностроении является повышение конструкционной прочности и технологичности материалов. Конструкционная прочность зависит от химического состава и структуры материала. Получение требуемой структуры материала обеспечивает работоспособность изделий в условиях сложнонапряженного состояния, динамических и циклических нагрузок. Современные стали работают в узком диапазоне условий, в результате чего существует множество марок для конкретных условий. Современные среднелегированные стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,40% обладают рядом недостатков, устранение которых обеспечивается усложнением технологических процессов обработки. Ограниченная прокаливаемость таких сталей затрудняет получение требуемой структуры в крупногабаритных деталях при закалке с температур конца горячей деформации вследствие образования продуктов промежуточного и диффузионного превращений, а так же невозможно избежать разнозернистости.

В конце двадцатого века был создан новый класс низкоуглеродистых мартенситных сталей [1], основное преимущество которых - высокая устойчивость переохлажденного аустенита и образование после закалки (в т.ч. на спокойном воздухе) структуры низкоуглеродистого реечного мартенсита. В настоящей работе использовано это преимущество для реализации совмещенного технологического процесса горячего формообразования и закалки охлаждением на воздухе. Работа посвящена исследованию формирования структуры отпускоустойчивой низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА в результате закалки с температур конца горячей деформации. В работе показано, что низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает комплекс характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости необходимый для реализации конструкционной прочности в различных условиях нагружения.

Актуальность работы

Работа направлена на изучение макро, микро и реечной структуры НМС, полученных из непрерывнолитой заготовки, определение показателей прочности, надежности, долговечности и эксплуатационные характеристики деталей. Возможность устранения дефектов макроструктуры и формирование особой микроструктуры при температурно-деформационном воздействии позволяет повысить конструкционную прочность изделий, сократить технологический процесс термоупрочнения, за счет проведения закалки непосредственно с температуры конца горячей деформации. Температурно-деформационное воздействие улучшает металлургическое качество и повышает дисперсность характерных элементов структуры заготовок.

Высокая конструкционная прочность и стабильность свойств стали позволяет улучшить существующие и создать новые машины и конструкции.

Полученные результаты стали составной частью работ, выполненных по программам: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" 2012 - 2013 очередь 1.2.1 мероприятие XVI, лот 1. контракт 14.В37.21.1068; НИР на выполнение исследований в НИЧ ПНИПУ по заказ - наряду № 1.20.11 на 20122014 гг. в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданиям Министерства образования и науки РФ; грант РФФИ 09-08-99001-р_офи, 20082010 гг.

Цель работы; Создание совмещенного процесса горячей деформации и закалки для повышения технологичности и работоспособности деталей винтовых забойных двигателей из стали со структурой низкоуглеродистого реечного мартенсита.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Исследовать исходную макроструктуру проката из НМС, полученного из непрерывнолитой заготовки.

2. Изучить формирование структуры НМС в результате температурно-деформационного воздействия.

3. Изучить влияние скорости охлаждения после горячей деформации на структуру и комплекс характеристик механических свойств.

4. Исследовать связь размеров структурных элементов и характеристик механических свойств НМС с реечной структурой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что последеформационное охлаждение НМС с различными скоростями позволяет управлять комплексом механических свойств. Так после закалки в воде с температуры конца горячей деформации формируется структура пакетного мартенсита со средним размером зерен 39 мкм, предел прочности которой составляет более 1400 МПа, ударная вязкость KCV более 70 Дж/см2, а после медленного охлаждения с печью (УОХл=0,015°С/с) формируется мартенситная структура со средним размером зерна 17 мкм, при этом значения ударной вязкости увеличиваются почти в два раза и достигают значений более 120 Дж/см2.

2. Установлено, что структура реечного мартенсита низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА обеспечивает вдвое более высокие показатели ограниченной долговечности при испытаниях в условиях повторяющихся ударных нагрузок по сравнению со структурой сорбита отпуска сталей 40ХН2МА и 38ХНЗМФА при равной прочности.

3. Экспериментально доказано, что в процессе деформационно-термического воздействия непрерывно уменьшаются размеры структурных элементов и одновременно увеличивается ударная вязкость, но при достижении ударной вязкости KCV=120 Дж/см её дальнейший рост замедляется.

4. Обнаружено, что разнозернистость с коэффициентом R до 4, полученная после закалки с деформационного нагрева, слабо влияет на характеристики механических свойств, благодаря реечной структуре низкоуглеродистого мартенсита.

Практическая значимость

1. Разработан режим упрочнения НМС, включающий деформацию со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на

воздухе и отпуск при 250°С с последующим охлаждением на воздухе. Предложенный режим позволяет сократить технологический процесс за счет исключения дополнительной закалки и гарантирует получение комплекса свойств: а0,2 > 1050 МПа, ав > 1350 МПа, 5 > 15 %, \|/ > 60 %, КСУ > 75 Дж/см2. 2. На основании исследования металлургического качества, характеристик механических свойств и работоспособности деталей из НМС, полученных с применением непрерывной разливки, установлено, что для изготовления ответственных деталей винтовых забойных двигателей металлургическое качество заготовок должно соответствовать категории «высококачественная». Достигнутые значения показателей прочности, надежности и долговечности позволят существенно повысить ресурс работы винтовых забойных двигателей. На защиту выносятся следующие основные положения и результаты

1. НМС 15Х2Г2НМФБА позволяет проводить закалку с температур конца горячей деформации охлаждением на воздухе, в результате которой в поковке формируется структура реечного мартенсита.

2. Применение горячей деформации НМС радиальной ковкой позволяет получать металлургические заготовки высокого качества при степени деформации не менее 70%, наибольшее значение ударной вязкости получены при степени деформации 79% и выше. В интервале степеней деформации от 60% до 87% диспергируется зерно с 45 до 22 мкм и размер пакета с 9 до 7 мкм.

3. Формирование структуры реечного мартенсита в широком интервале степеней деформации и скоростей охлаждения заготовок с температур конца горячей деформации позволяет получить повышенный комплекс характеристик прочности, пластичности и вязкости.

4. Уменьшение размеров зерен с ростом степени деформации ведет к уменьшению расстояния между непроницаемыми для дислокаций границами, что приводит к замедлению роста значений характеристик пластичности и ударной вязкости даже при уменьшении размеров реек.

5. Параметры технологического процесса упрочнения НМС, разработанные на основании исследования влияния горячей деформации на макро-, микро, реечную

структуру и характеристики механических свойств: горячая деформация со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на воздухе, отпуск при 250°С, охлаждение на воздухе.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях:

"Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'11), г. Санкт-Петербург, 22-24 июня 2011 г; "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 26 - 28 октября 2011 г.; "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов": материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов, Магнитогорск, 06 -10 февраля 2012 г; Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2012, Москва, МИСиС, 2012. Публикации

По материалам исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список работ, отражающих основное содержание диссертации, представлен в автореферате.

1. Современные низколегированные стали и формирование структуры и свойств в процессе пластической деформации Литературный обзор

1.1. Легированные низко- и среднеуглеродистые стали

В различных отраслях машиностроения используется множество марок низко-

и среднеуглеродистых легированных сталей. Большое количество марок сталей обусловлено тем, что их составы рассчитаны на работу в узких интервалах условий. Рассмотрим стали с содержанием углерода 0,10-0,45%, с легированием в пределах 6,5 % элементами обеспечивающие необходимую устойчивость аустенита для технически возможной закалки.

В строительстве стальных конструкций и судостроении используют стали с содержанием углерода 0,10-0,25%. Стали ферритно-перлитного класса 12Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД после закалки имеют предел прочности 900 МПа, а стали бейнитного класса 12ГН2МФАЮ, 14ГСМФР до 1500 МПа. Однако такой прокат неприменим к использованию в высокопрочном состоянии в металлических конструкциях из-за низкого сопротивления хрупким разрушениям. Сопротивление хрупким разрушениям закаленного проката повышается при отпуске. Изменение основных механических свойств сложнолегированной стали 12ГН2МФАЮ при отпуске приведено на рис. 1.1 [2]

Рисунок 1.1 Зависимость механических свойств от температуры отпуска

стали 12ГН2МФАЮ

и

Благоприятное изменение механических свойств при отпуске связано с формированием более равновесной микроструктуры проката. В процессе превращения при высоких температурах образуются относительно равновесные кристаллиты. Основные стадии процесса включают: а) полигонизацию а-фазы с перераспределением дислокаций, расположенных неравномерно; б) перераспределение углерода с выделением карбидов по субграницам и границам а-фазы; в) образование мелких рекристаллизованных зерен а-фазы и превращения в карбидной фазе.

Авторы [3] полагают, что основное влияние на поведение термически упрочненной строительной стали оказывает один из двух следующих механизмов упрочнения:

• дислокационный механизм (закаленные, а так же низкоотпущенные стали);

• зернограничный, субструктурный механизм (термически улучшенные стали).

Увеличение предела текучести строительных сталей с повышением плотности дислокаций (при снижении температуры отпуска в процессе термического упрочнения), приводит к снижению сопротивления материала хрупкому разрушению. Но если повышать прочность проката за счет зернограничного и особенно субзернограничного механизма упрочнения, то сопротивление хрупкому разрушению возрастает. [3]

Азотсодержащие стали производятся в промышленных масштабах как обычными методами (с применением азотированных ферросплавов), так и специальными способами, позволяющими получить сплавы со сверхравновесным содержанием азота [4], [5]. Азот в этих сталях может быть использован в качестве заменителя дорогостоящих легирующих элементов (никель, молибден и т.д.). Как и углерод, азот образует с железом твердый раствор внедрения и способствует стабилизации аустенита. Различное поведение углерода и азота в твердых растворах сплавов на основе железа определяет разное их влияние на свойства сталей [6], [7]:

- атомный и ионный радиусы азота меньше радиусов углерода, следователь�