автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств углеродистых конструкционных сталей при равноканальном угловом прессовании и последующем волочении

.трольный экземпляр

На правах рукописи

Ефимова Юлия Юрьевна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ

КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ ВОЛОЧЕНИИ

Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2009

003485004

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Копцева Наталья Васильевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Мирзаев Джалал Амин} лович

доктор технических наук, профессор Утяшев Фарид Зайнуллаевич

Ведущая организация

Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита состоится 15 декабря 2009 г в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова)).

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Л

Ученый секретарь диссертационного совета

ОД

/ Полякова М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка объемных наноструктурных и ультрамелкокристаллических материалов в последние годы становится одной из важнейших задач современного материаловедения, поскольку это открывает возможности разработки технологий получения различных стальных полуфабрикатов, обладающих уникальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В последние годы достигнуть; большие успехи б получении и исследовании материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нанок-ристаллической (НК) структурами, сформированными методами интенсивного пластического деформирования (ИПД). Одной из наиболее эффективных технологий деформационного получения объемных металлических материалов с размером зерна порядка сотен нанометров является технология равно-канального углового прессования (РКУП). Однако в настоящий момент получение изделий из таких материалов в объемах промышленного производства остается трудновыполнимой задачей. Использование конструкционных материалов в УМЗ и НК состояниях в металлургической отрасли ограничено слабым знанием их полного комплекса механических и эксплуатационных свойств.

Формирование УМЗ и НК структур методами ИДД оказывает значительное, а иногда коренное влияние на деформационное поведение и механические свойства металлов и сплавов, что позволяет считать ИПД весьма перспективным методом управления структурой и свойствами. Наибольший интерес к наноструктурированным материалам обусловлен не только их уникальными физико-химическим свойствами, но и весьма высокими механическими свойствами: прочностью, пластичностью, износостойкостью. В силу того, что УМЗ и НК материалы появились сравнительно недавно, их устойчивость к внешним воздействиям, в частности, к пластической деформации и нагреву изучено пока слабо. Еще недостаточно изучены процессы и способы обработки таких материалов. В особенности это касается конструкционных углеродистых сталей, которые широко используются для изготовления различных деталей и изделий в промышленности.

В этой связи весьма актуальной является проблема использования сталей с УМЗ структурой, полученной методом РКУП, для повышения механических свойств холоднотянутых низко- и среднеуглеродистых сталей, поскольку в таких сталях получение одновременно высокой прочности в сочетании с высокой пластичностью традиционными методами упрочнения весьма затруднительно.

Цель настоящей работы: исследование закономерностей формирования структуры и свойств феррито-перлитных углеродистых конструкционных сталей при обработке методом РКУП и последующим деформационным и термическим воздействием.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Установить влияние предварительной термической обработки на структуру и свойства феррито-перлитных углеродистых конструкционных сталей, подвергнутых обработке методом РКУП.

2. Выявить закономерности формирования структуры и свойств при волочении заготовок из УМЗ углеродистых конструкционных сталей, обработанных методом РКУП.

3. Определить влияние последующего нагрева на стабильность структуры и свойств холоднотянутых УМЗ углеродистых конструкционных сталей.

4. Оценить возможности промышленного использования УМЗ углеродистых конструкционных сталей, обработанных методом РКУП, при производстве метизной продукции.

Научная новизна.

1. Установлены особенности структурообразования и изменения твердости в зависимости от предварительной термической обработки и структуры, сформировавшейся перед РКУП.

2. Выявлено, что при РКУП феррито-перлитных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,20-0,45 %, подвергнутых обработке в различных исходных структурных состояниях, формируется специфическая микроструктура, отличительной особенностью которой является наличие ультрамелких зерен феррита размером до 200-500 нм с преимущественно большеугловыми границами. Сформированное структурное состояние приводит к повышенному уровню прочностных свойств.

3. Показано, что возможности достижения высокой прочности при наноструктурировании и последующем волочении в УМЗ конструкционной стали с более высоким содержанием углерода ограничиваются вследствие осложнения процесса диспергирования из-за присутствия большого количества равномерно распределенных цементитных частиц сферической формы и уменьшения объемов ферритных областей, способных к накоплению дефектов и образованию фрагментов с болыдеугловой разориентировкой.

4. Установлено, что сформированная в результате РКУП и последующего волочения УМЗ структура стали марок 20 и 45 имеет высокую термостабильность: УМЗ структура сохраняется при нагреве до 400°С, при этом происходит повышение пластических свойств при сохранении высокой прочности.

Практическая значимость и реализация результатов.

1. Показана возможность управления структурным состоянием для повышения механических свойств стали марок 20 и 45 за счет обработки ее методом РКУП. Установлено, что при использовании процесса РКУП прирост твердости в конструкционной углеродистой стали с содержанием

углерода около 0,20 % составляет 43 % в зависимости от структуры, сформированной перед РКУП, а в стали с содержанием углерода 0,45 % -18%.

2. Показано, что, используя воздействие метода РКУП, благодаря интенсивному диспергированию ферритной матрицы, в стали марки 20 без термической обработки можно достичь прочностных характеристик, практически не уступающих свойствам термообработанной стали.

3. Показано, что сочетание метода РКУП с последующим волочением позволяет обеспечивать высокие прочностные характеристики стали: прирост микротвердости в стали марки 20 в зависимости от степени обжатия составляет порядка 60%, предел текучести (стт) достигает 823 Н/мм2, предел прочности (а„) - 1520 Н/мм2, относительное сужение (у) — 41 %, а в стали марки 45 прирост микротвердости составляет до 34 %, стт=1062 Н/мм2 , а„=1667 Н/мм2, \]/=15 %. При этом в стали марки 20 можно достичь прочности, сопоставимой с твердостью среднеуглеро-дистой стали марки 45.

4. Обнаружено, что при нагреве холоднодеформированной наност-руктурированной стали пластические свойства увеличиваются почти в 2 раза при сохранении достаточно высокого временного сопротивления (ов = 1000 Н/мм2 и более).

5. Выявленный характер поведения углеродистых конструкционных сталей в процессе наноструктурирования при РКУП и последующем волочении существенно расширяет возможности управления технологическим процессом производства металлопродукции для достижения требуемого комплекса механических свойств. Для подтверждения полученных результатов в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»» были изготовлены и испытаны (в соответствии со стандартами) проволока диаметром 1,95 мм и болты из стали марок 20 и 45, наноструктурированной методом РКУП. Результаты испытаний показали, что они обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с продукцией, изготовленной традиционными методами, что подтверждается актами изготовления проволоки и болтов и результатами их испытания.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», что подтверждено актами внедрения.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 г.г.» по направлению «Конструкционные стали с ультрамелкодисперсной и наноструктурой, методы их получения и обработки» (контракт № 02.513.11.3196), а также в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие науч-

ного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект «Создание научных основ эволюции структуры и свойств наноструктурных конструкционных сталей в процессах обработки давлением» (регистрационный номер 2.1.2/2014).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2007 г.), Ш областном салоне инноваций и инвестиций (г. Челябинск, 2007 г.), XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Екатеринбург, 2008 г.), IX молодежной школе-семинаре по проблемам конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008 г.), VIII и IX Международных научно-технических Уральских школах-семинарах металловедов —молодых ученых (г. Екатеринбург, 2007, 2008 гг.), 6-ой школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (г. Магнитогорск, 2008 г.), 66 и 67 научно-технических конференциях (г. Магнитогорск, 2008, 2009 гг.), Третьей Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2009 (г. Екатеринбург, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 публикациях, в том числе 4 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 109 наименований, 11 приложений, изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 86 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы. Сформулирована ее цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены методы ИПД, используемые для формирования УМЗ строения металлов и сплавов. Отмечено, что для получения заготовок с УМЗ структурой одним из наиболее эффективных и широко распространенных методов является РКУП. Проанализированы особенности технологии осуществления процесса РКУП. Рассмотрены особенности структуры и свойств нано- и ультрамелкозернистых материалов, а также их поведение при последующем пластическом деформировании и нагреве. Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств в процессе традиционного волочения сталей.

На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание методики проведения исследований. В качестве модельного материала были выбраны углеродистые конструкционные стали феррито-перлитного класса марок 20 и 45. Предваритель-

ная термическая обработка заключалась в закалке в воде от температуры 880°С для стали марки 20 и 860°С - для стали марки 45, а также закалке по указанным режимам с последующим отпуском при температуре 600°С в течение 1ч.

Процесс РКУП реализовывался в условиях Научно-исследовательского института перспективных материалов ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на образцах диаметром 20 мм и длиной 120 мм. Заготовка ппи 400°С продавливался через специальную оснастку в виде двух пересекающихся под углом 120° каналов с одинаковыми сечениями. Количество проходов - 4 цикла с поворотом образца вокруг продольной оси на 90° после каждого прохода.

В качестве метода деформационного воздействия выбран процесс волочения, которое характеризуется самой жесткой схемой напряженно-деформационного состояния и широко используется в метизной промышленности.

Исследование термостабильности заключалось в нагреве до температур 200, 300, 400 и 500°С с выдержкой при этих температурах в течение 5 мин и Г ч с последующим охлаждением на воздухе.

Исследование структуры стали выполнялось методом световой микроскопии на микроскопе «ЭПИКВАНТ» при увеличениях от 50 до 1000 крат с использованием системы компьютерного анализа изображений ЗГАМЭ-бОО. Электронно-микроскопические исследования выполнены на электронном просвечивающем микроскопе ШМ-200СХ в светлом и темном поле при ускоряющем напряжении 160 кВ *) и сканирующем микроскопе 18М-6490ЬУ при ускоряющем напряжении 30 кВ в режиме вторичных и упруго отраженных электронов.

Твердость измерялась по стандартной методике методом Роквелла (ГОСТ 9013-59) и методом вдавливания алмазной пирамиды на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,049 Н и 1,96 Н (ГОСТ 9475-60). Испытания механических и технологических характеристик осуществлялись путем испытаний на растяжение и перегиб (ГОСТ 1497-2000, ГОСТ 1579-93, ГОСТ 10446-80).

В третьей главе представлены результаты исследования влияния предварительной термической обработки на структуру и свойства стали марок 20 и 45, обработанных методом РКУП.

Исследована структура и твердость стали марки 20 в горячекатаном (рис.1, а, г), закаленном (рис. 1, б, д), закаленном и отпущенном состояниях (рис.1, в, е) до (рис. 1, а, б, в) и после (рис. 1, г, д, е) обработки РКУП.

Размер зерен феррита в горячекатаном состоянии составлял в среднем

*) Дифракционный электронно-микроскопический анализ проводили в условиях Центра коллективного пользования Института физики металлов УрО РАН г. Екатеринбург при научной консультации доктора технических наук И.Л. Яковлевой.

22 мкм, а межпластинчатое расстояние в перлите - 0,20-0,60 мкм (см. рис. 1, а). В этой стали, подвергнутой РКУП без предварительной термической обработки, произошла фрагментация феррита до размеров от 160 до 1340 нм (см. рис. 1, г). В перлитных участках произошло уменьшение толщины ферритных промежутков (по сравнению с состоянием до обработки методом РКУП) до 0,04-0,16 мкм, а толщина цементитных пластин практически осталась неизменной и составила около 0,10-0,20 мкм. Цементитные пластины изогнуты, а в отдельных участках происходит их дробление.

где Рис. 1. Микроструктуры стали марки 20 в горячекатаном (а, г), закаленном (б, д) состояниях, после закалки и высокого отпуска (в, е) до (а, б, в) и после (г, д, е) обработки методом РКУП

Микроструктура стали марки 20 после закалки неоднородна: на поверхности она имеет строение, характерное для низкоуглеродистого мартенсита, а в центральных участках - характерное для бейнита, с дисперсными частицами карбидной фазы, расположенной преимущественно внутри кристаллов а-фазы и на границах между рейками а-фазы (см. рис. 1, б).

При РКУП закаленной стали марки 20 (см. рис. 1, д) происходит частичное разрушение границ реек мартенсита в результате развития локализованных сдвигов при деформации, и формируются бесформенные участки новой составляющей структуры (называемой «ковровой»). Однако полного развала границ мартенситных кристаллов как, например, в случае одноосного растяжения с большими степенями деформации, не наблюдается. В участках ковровой структуры обнаруживается фрагментация ферритной матрицы. Размер частиц цементита составляет от 30 до 170 нм. Происходит снижение твердости по сравнению с закаленным состоянием вследствие распада мар-

тенсита при РКУП, который сопровождается выделением карбидных частиц в мартенситных участках.

Микроструктура стали марки 20 после закалки и отпуска состоит в основном из участков с разрушенным реечным строением ферритных кристаллов (см. рис. I, в). Карбиды имеют преимущественно сферическую форму. Их распределение в ферритной матрице неоднородно: в некоторых ферритных областях частицы цементита или не обнаруживаются, или их количество и размеры ничтожно малы. Размеры частиц, расположенных внутри кристаллов феррита, составляют от 25 до 130 нм, а более крупных, расположенных на межзеренных границах, - от 140 до 470 нм.

Структура стали марки 20 после закалки с высоким отпуском и последующего РКУП состоит из участков феррита, практически не содержащих карбидов, и участков с феррито-карбидным строением (см. рис. 1, е). Фер-ритная составляющая оказалась полностью состоящей из фрагментов с большеугловой разориентировкой (фрагментированной) с размерами от 180 до 1020 нм, что подтверждается дифракционным электронно-микроскопическим исследованием (рис. 2, а, б).

Характерные электронограммы являются практически кольцевыми (рис. 2, а), что свидетельствует о формировании структуры, состоящей из множества уяьтрамелких зерен феррита. Наряду с ними в структуре присутствуют и более крупные зерна (рис. 2, в). Цементитные частицы размером от 25 до 580 нм имеют глобулярную сферическую форму. При РКУП в условиях воздействия интенсивной пластической деформации происходит растворение наиболее мелких карбидных частиц, расположенных внутри кристаллов а-фазы. Вследствие этого происходит «очищение» областей феррита от карбидов, что облегчает накопление деформации при осуществлении проходов во время РКУП и развитие фрагментации в этих участках.

Рис. 2. Ультрамелкозернистая структура (я, б) и крупные фрагментированные зерна феррита (в) стали марки 20 после закалки с высоким отпуском и РКУП (а, в -светлопольные, б - темнопольное изображения в рефлексе 110Ф («подсвечивает» карбидный рефлекс)

С другой стороны, известно, что пластическая деформация значительно ускоряет протекание процессов сфероидизации и коагуляции цементита.

Поэтому при РКУП в данном случае наблюдается укрупнение крупных частиц в результате коагуляции, поскольку процесс происходит при нагреве до 400°С.

Микроструктура стали марки 45 после закалки с высоким отпуском (рис. 3, а) имеет явно выраженное зернистое строение и твердость 27-32 ИКС Частицы цементита имеют глобулярную форму близкую к сферической, их размеры составляют от 50 до 1000 нм, при этом карбидная фаза распределена по объему более однородно, чем в отпущенной стали марки 20.

После закалки с высоким отпуском и РКУП в стали марки 45 (рис. 3, б) ферритная матрица оказалась фрагментированной практически по всему объему с мелкими цементитными частицами, размеры которых составляют не более 30 нм, а также и более крупными частицами с размерами до 1000 нм.

Рис. 3. Микроструктура стали марки 45 после закалки с высоким отпуском (я) и последующего РКУП (6, в), полученные с помощью РЭМ (а, б)

и ПЭМ (в)

Тонкая структура стали марки 45 после закалки с высоким отпуском и РКУП во многом аналогична микроструктуре стали марки 20 после такой же обработки (рис. 3, е) и свидетельствует о формировании при РКУП структуры, состоящей преимущественно из ультрамелких зерен феррита, наряду с которыми присутствуют и более крупные зерна. Размер мелких зерен феррита, определенный методом темнопольного анализа, составил 200-360 нм, а крупных - 670-1100 нм.

Сопоставление твердости стали марок 20 и 45 после различных обработок (рис. 4) свидетельствует, что после закалки с высоким отпуском и РКУП твердость стали марки 45 оказалась выше, чем твердость стали марки 20 всего на 7 %. Прочностные характеристики в стали, которые обусловливаются длиной свободного пробега дислокаций, в данном случае будут определяться возможностью формирования фрагментов в ферритной матрице и их размерами. При этом, как известно, наличие цементитных частиц сферической формы в углеродистой стали существенно усложняет процесс формирования тонкой структуры при пластической деформации. В микроструктуре стали марки 20 количество объемов ферриткых областей, способных к нако-

плению деформации при осуществлении РКУП, больше, чем в стали марки 45, а количество цементитных частиц сферической формы - меньше. В результате процессы фрагментации при РКУП в стали марки 20 идут более интенсивно, чем в стали марки 45, поэтому твердость стали марки 20 оказалась близка к твердости стали марки 45.

сталь 20

сталь 45

Оксходкое состоя«! Иисходное+РК У П

Озакалка + РКУП

Изз колка с высоким

отпуском Нза калка с высоким

отпуском+РКУП ЕЭисходное состояние

Пзака лка

ЕЭза ка л ка с высоким

отпуском Изакалка свысоким отпуском+РКУП

Рис.

4. Микротвердость стали марок 20 и 45 после различных видов обработки

Максимальный прирост твердости при использовании процесса РКУП для получения ультрамелкозернистой структуры в стали с содержанием углерода около 0,25 % составляет порядка 43 %. Для стали с содержанием углерода около 0,45 % такой прирост не превышает 18%.

В четвертой главе описаны результаты исследований структуры и свойств при волочении заготовок из УМЗ стали марок 20 и 45. Для сопоставления было выполнено исследование структуры сталей при волочении заготовок, подвергнутых закалке с высоким отпуском, но не обработанных методом РКУП.

При волочении заготовки, не подвергавшейся предварительной обработке методом РКУП, наблюдается формирование ячеистой структуры феррита, характерной для волочения, разориентировки ячеек на большие углы не происходит (рис. 5). Размеры зерен феррита составляют в среднем 600-1000 нм, а размер ячеек -250-550 нм. Внутри ячеек практически отсутствует лес дислокаций, стенки представляют собой малоугловые границы, что подтверждает размытие рефлексов феррита типа 110ф с разориен-

Рис. 5. Структура феррита в стали марки 20 после закалки с высоким отпуском и волочения со степенью обжатия 65,2 %

тировкой около 2°. При анализе микроэлектронограмм выявлено, что совокупность ячеек в целом образует монокристальный агрегат. Размер карбидных частиц составляет 45-110 нм. При увеличении степени обжатия общий характер структуры сохраняется: снижается плотность дислокаций внутри ячеек, уменьшаются размеры ячеек, в отдельных случаях - до 125 нм, разо-риентировка ячеек возрастает до 3-5°.

Волочение заготовки, обработанной после закалки с высоким отпуском методом РКУП, приводит к большему упрочнению (около 20 %), поскольку УМЗ структура в стали обеспечивает изначально более высокий уровень прочностных характеристик.

При волочении УМЗ стали марки 20 при суммарной степени обжатия в диапазоне от 6 до 40 % наблюдается снижение твердости практически до исходного уровня. Этот эффект разупрочнения можно связать с процессом релаксации внутренних напряжений в ультрамелких и н ано кр и сталл ически х зернах путем зернограничного микропроскальзывания (ЗГМП), о чем косвенно может свидетельствовать наличие в микроструктуре; четверных стыков (рис. 6, а) и сток дислокаций в них.

При увеличении степени обжатия более 40 % продолжается уменьшение размеров ультрамелких ферритных зерен до 85-170 нм; размер субзерен внутри волокон уменьшается до 25-50 нм (рис. 6, б). Продолжается процесс растворения цементита; размеры частиц карбидной фазы уменьшаются до 40-130 нм (рис. 6, в). В этих условиях в процессе волочения за счет диффузии углерода и образования атмосфер преимущественно на неравновесных границах зерен происходит блокировка и стабилизация границ, что обеспечивает повышение твердости. Основной эффект упрочнения достигается при степенях обжатия от 58,8 до 83,2 %. Увеличение твердости при волочении ультрамелкозернистой заготовки из стали марки 20 составляет около 1200 МПа, т.е. примерно 49 % по сравнению с исходным состоянием.

Рис. 6. Изображения микроструктуры стали марки 20 после закалки с высоким отпуском, РКУП и волочения со степенями обжатия 37,4 % (а) и 91,5 % (б, в), полученные методом ПЭМ (б) и РЭМ (а, в)

Микротвердость стали марки 45 при волочении заготовки, обработанной методом РКУП, практически непрерывно повышается до 3756 МПа

(рис. 7, б), т.е. примерно на 50 % по сравнению с исходным состоянием. Такой характер зависимости можно объяснить непрерывным диспергированием структурных элементов в процессе волочения: размер ультрамелких зерен феррита не превышает 160-320 нм, а цементитных частиц уменьшается до 16 нм (рис. 7, а).

Рис. 7. Микроструктура стали марки 45 после закалки с высоким отпуском, РКУП и волочения со степенью обжатия 91,5 % (а) и сопоставление микротвердости при волочении заготовок из стали марок 20 и 45, предварительно подвергнутых закалке с высоким отпуском и РКУП (б)

В отличие от стали марки 20 при волочении стали марки 45 эффект разупрочнения не наблюдается, что объясняется присутствием большого количества равномерно распределенных карбидных частиц сферической формы, которые осложняют процессы фрагментации ферритной матрицы, возможности развития пластических дислокационных сдвигов в ней, а также ЗГМП и стока в них дислокаций.

Результаты испытаний на перегиб проволоки диаметром 1,95 мм из УМЗ стали показали, что число перегибов проволоки из стали марки 20 составило 5-6, а из стали марки 45 - 0-1.

Для подтверждения полученных результатов в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»» были изготовлены и испытаны в соответствии со стандартами проволока диаметром 1,95 мм, а также болты из стали марок 20 и 45, которая была наноструктури-рована методом РКУП. Испытания на растяжения показали, что проволока из УМЗ стали марки 20 диаметром 1,95 мм обладает пределом прочности 1520 Н/мм2 и относительным сужением 41,4 %. Сравнение с требованиями, предъявляемые к проволоке такого же диаметра из стали марки 20, не подвергавшейся обработке методом РКУП для получения УМЗ структуры, показало, что при одинаковых пластических свойствах (относительном сужении) проволока, изготовленная из УМЗ стали, обладает примерно в 3 раза более высокой прочностью. Проволока из УМЗ стали марки 45 диаметром 1,95 мм имеет предел прочности 1668 Н/мм2, что примерно в 2 раза выше по сравне-

нию с прочностью проволоки из стали, не подвергавшейся наноструктуриро-ванию. Однако относительное сужение составляет 14,8 %, т.е. пластичность оказалась в 4 раза ниже. Испытания болтов показали, что использование процесса наноструктурирования сталей может существенно повысить класс прочности болтов. Полученные результаты подтверждены актами промышленных испытаний.

Выявленный характер изменения структуры и свойств при волочении углеродистых конструкционных сталей марок 20 и 45, наноструктурирован-ных методом РКУП, существенно расширяет возможности управления технологическим процессом производства металлопродукции для достижения требуемого комплекса механических свойств.

В пятой главе описаны результаты исследования термостабильности холоднодеформированных УМЗ стали марок 20 и 45. При нагреве стали марки 20 до температуры 300°С наблюдается повышение твер дости примерно в 1,5 раза (от 3200 до 4500 МПа) в результате выделения растворенного при деформации углерода в виде дисперсных карбидных частиц, размер которых не превышает 20-25 нм, а предел прочности составляет 1300-1600 НУмм2. При этом сохраняется УМЗ структура с размером зерен не более 300 нм (рис. 8, а), благодаря чему относительное сужение снижается незначительно: всего на 10 %.

а б

Рис. 8. Микроструктура УМЗ стали марки 20 после волочения и нагревало 300°С (а) и при 500°С (б) в течение 1 часа

Уменьшение твердости (до 2900 МПа) и предела прочности (до 800 Н/мм2) по сравнению с волочением происходит только при нагреве выше 400°С в результате развития процессов рекристаллизации феррита и начала коагуляции карбидной фазы (рис. 8, б). При этом размер зерен феррита остается ультрамелким и не превышает 750 нм, размер карбидных частиц -100 нм, а относительное сужение увеличивается почти в 2 раза (до 70 %).

При нагреве волоченной УМЗ стали марки 45 до температуры 200°С при выдержке 5 мин (рис. 9, а) также наблюдается повышение твердости от 3700 до 4700 МПа в результате выделения растворенного при волочении углерода в виде дисперсных карбидных частиц.

При увеличении времени выдержки (до 1часа) и при повышении температуры нагрева до 400-500°С (рис. 9, б) протекают процессы рекристаллизации и роста зерна, а также процессы коагуляции карбидной фазы.

Рис. 9. Микроструктура стали марки 45 после волочения и нагрева при 200°С в течение 5 мин (а) и при 500°С в течение 1 часа (б)

Размер зерен феррита достигает 1500 нм, а размер карбидных частиц -170 нм. При этом твердость (благодаря большому количеству карбидной фазы) снижается ло сравнению с твердостью после волочения (от 3700 до 3000 МПа). Предел прочности снижается до 1200 Н/мм2, а относительное сужение увеличивается до 30 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решены научные и практические задачи, имеющие важное значение для народного хозяйства, которое состоит в получении и использовании наноструктурированных углеродистых конструкционных сталей, обладающих повышенным уровнем механических свойств, что позволит создавать новые виды продукции с повышенными эксплуатационными свойствами, пониженной металлоемкостью, разрабатывать инновационные ресурсосберегающие технологии, т.е. приведет к повышению конкурентоспособности продукции.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры на механические свойства, а также деформационного и термического воздействия на структурное состояние и свойства сталей марок 20 и 45, наноструктурированных методом РКУП. Основные результаты сводятся к следующему.

1. Выявлены закономерности влияния предварительной термической обработки на структуру и свойства углеродистой конструкционной феррито-перлитной стали, подвергнутой обработке методом РКУП. Установлено, что при РКУП стали марок 20 и 45 формируется специфическая микроструктура (преимущественно с ультрамелкими зернами размером 200-500 нм с больше-угловыми и неравновесными границами, с дисперсными частицами карбид-

ной фазы), обеспечивающая прирост твердости. В стали с содержанием углерода 0,20 % он достигает 43 %, а в стали с содержанием углерода 0,45 % -18 % в зависимости от структуры, сформированной перед РКУП.

2. Установлены особенности структурообразованш и формирования свойств при волочении углеродистой конструкционной феррито-перлитной стали, наноструктурированной методом РКУП. Показано, что сочетание РКУП с последующим волочением, благодаря интенсивному диспергированию ферритной матрицы, позволяет обеспечить высокие прочностные характеристики: в стали марки 20 предел текучести (стт) достигает 823 Н/мм2, предел прочности (а„) - 1520 Н/мм2 при относительном сужении (\|/) -41 %; в стали марки 45 ат=1062 Н/мм2, ста=1667 Н/мм2 при \|/ = 15 %.

3. Предложено обоснование выявленных различий деформационного упрочнения при РКУП конструкционных углеродистых сталей с различным содержанием углерода, состоящее в том, что запас пластичности при наност-руктурировании стали с большим содержанием углерода сильно ограничивается вследствие осложнения процесса фрагментации из-за присутствия большого количества равномерно распределенных цементитных частиц сферической формы и уменьшения объемов ферритных областей, способных к накоплению дефектов и образованию фрагментов с большезтловой разориен-тировкой.

4. На основании обнаруженного эффекта разупрочнения при волочении наноструктурированной УМЗ стали марки 20 в диапазоне степени суммарного обжатия от 5,88 до 37,42 % выдвинута гипотеза механизма данного явления, связанная с процессом релаксации внутренних напряжений в ультрамелких и нанокристаллических зернах путем зернограничного микропроскальзывания и стоком дислокаций в четверные стыки зерен.

5. Установлено, что сформированная в результате РКУП и волочения УМЗ структура стали марок 20 и 45 имеет высокую термостабильность. При нагреве до 400°С сохраняется УМЗ структура, при этом происходит повышение пластических свойств в 2 раза при сохранении высокой прочности (ств ~ 1000 Н/мм2 и более).

6. Изготовленные и испытанные в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»» проволока диаметром 1,95 мм и болты из стали 20 и 45, наноструктурированной методом РКУП, обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с продукцией, изготовленной из стали не обработанной методом РКУП, что подтверждается актами испытания.

Технические разработки научно обоснованные в диссертационной работе могут бьггь использованы дня решения проблемы повышения механических свойств холоднотянутых низко- и среднеуглеродистых сталей на основе разработки новых технологий с применением сталей с УМЗ структурой, полученной методом РКУП.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Исследование эволюции структуры наносталей 20 и 45 при критических степенях пластической деформации / М.В. Чукин, Р.З. Валиев, Г.И. Рааб, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2007. №4. С. 89-93.

О ТЯГ--...... ...----. . ~ J.___________„„„ ------------------------------------------

trxv/VJIWVJoaill'l^ фирми^илаппл и 1 рук 1 \ ры

поверхностного слоя стальной проволоки с целью повышения уровня ее механических свойств / Г.С. Гун, М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, М.П. Барышников // Вестник МГТУ им Г.И. Носова, 2007. № 3. С. 84-86.

3. Инновационный потенциал новых технологий производства метизных изделий из наноструктурных сталей / М.В. Чукин, Н.В. Копцева, М.П. Барышников, Ю.Ю. Ефимова и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2009.

. № 2. С. 64-68.

4. Исследование состояния карбидной фазы после наноструктуриро-вания и последующего волочения низкоуглеродистой стали / Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, O.A. Никитенко // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2009. № 3. С. 45-48.

в других изданиях:

5. Влиянии процессов термической обработки сталей 20 и 45 на эволюцию структуры и свойств в процессе равноканального углового прессовании / Е.А. Михайлова, Ю.Ю. Ефимова, Д.Г. Емалеева, Н.В. Копцева, М.В. Чукин//Материалы всерос. науч. конф. молодых ученых. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Часть 2. С. 150-152.

6. Влияние термической обработки конструкционных сталей на эволюцию структуры и свойств в процессе наноструктурирования и последующей пластической деформации / Н.В. Копцева, М.В. Чукин, Ю.Ю. Ефимова, Д.Г. Емалеева, М.П. Барышников, В.В. Чукин // Тезисы докл. XIX Уральской школы металловедов-термистов: Сборник материалов. Екатеринбург, 2008. С.47.

7. Эволюция структуры и свойств сталей 20 и 45 в процессе равноканального углового прессования в зависимости от предварительной обработки / М.В. Чукин, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова и др. // Литейные процессы: Межрегион, сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Вып. 7. С. 115-123.

8: Эволюция структуры сталей 20 и 45 при волочении заготовки, полученной в процессе равноканального углового прессования / Т.А. Зубкова, Ю.Ю. Ефимова, O.A. Никитенко // Тезисы докл. IX молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества. Екатеринбург, 2008. С. 131-132.

9. Исследование микроструктуры и твердости прз нагреве холодно-деформированных ультрамелкозернистых углеродистых конструкционных сталей / Ю.Ю. Ефимова, Д.А. Михоленко // Материалы Л Международной науч.-техн. Уральской школы-семинара металловедов-мо;одых ученых. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2008. С. 142-144.

10.Изменение нанокристаллической структуры и свойств углеродистых конструкционных сталей при деформации / Н.В. Кощева, М.В. Чукин, М.П. Барышников, Ю.Ю. Ефимова, В.В. Чукин // Фазовле и структурные превращения в сталях: сб. науч. тр.; под ред. В.Н. Урце»а. Магнитогорск, 2008. Вып. 5. С. 566-575.

11. Исследование структуры и свойств болтов, изгопвленных из нано-структурированных углеродистых сталей / Ю.Ю. Ефимо*а, Н.В. Копцева, В.В. Чукин, М.А. Полякова, М.П. Барышников // Обработка сплошных и слоистых материалов. Межвуз. сб. науч. тр.; под ред. М.В.Чукина. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. С. 144-150.

12. Наноструктурирование сталемедной биметаллической проволоки / Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, В.В. Чукин, Д.Г. Емалеева Т.А Зубкова, O.A. Никитенко // Материалы 66-й научно-технической конфгренции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Т.1. С. 49-52.

13. Эволюция структуры и свойств при волочении i последующем нагреве заготовок из ультрамелкозернистых углеродисты) конструкционных сталей, полученных методом равноканального углового зрессования/ Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, В.М. Счастливцев, М.В. Чукш, И.Л. Яковлева // Третья Всероссийская конференция по наноматериалам FAHO 2009. Екатеринбург: Уральское изд-во, 2009. С. 399-401

14. Исследование микроструктуры и твердости npi нагреве холодно-деформированных ультрамелкозернистых углеродисты); конструкционных сталей / Н.В. Копцева, Д.А. Михоленко, Ю.Ю. Ефимова // Материаловедение и термическая обработка металлов: Сб. науч. тр.; под ред. LH. Емелюшина и Е.В. Петроченко. Магнитогорск: МГТУ. 2009. С. 213-215.

15. Структура и твердость ультрамелкозернистой шзкоуглеродистой конструкционной стали при волочении / Т.А. Зубкова, ЮЮ. Ефимова, Н.В. Копцева, В.В. Чукин // Материаловедение и термическая с5работка металлов: Сб. науч. тр.; под ред. А.Н. Емелюшина и Е.В. Петрочежо. Магнитогорск: МГТУ, 2009. С. 216-221.

Подписано в печать 6.11.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 796.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Введение

1. АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ 8 РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПОСЛЕДУЮЩЕМ ДЕФОРМАЦИОННОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

1.1 Получение объемных наноструктурированных материалов методоми интенсивной пластической деформации

1.2 Особенности структуры и свойств нанокристаллических и 15 ультрамелкозернистых материалов, сформированных методами интенсивной пластической деформации

1.3 Устойчивость нанокристаллических и ультрамелкозернистых структур при пластической деформации и нагреве

1А Особенности структурного состояния и формирования 26 свойств углеродистой стали при волочении

1.5 Постановка цели и задач исследования

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материал и методика осуществления предварительной тер- 34 мической обработки, РКУП и волочения

2.2 Методика металлографического анализа

2.3 Методика электронно-микроскопического анализа

2.4 Методика измерения твердости

2.5 Методика проведения испытаний механических свойств

2.6 Методика исследования термостабильности сталей с ульт- 38 рамелкозернистой структурой

3. ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ 20 И 45, ОБРАБОТАННЫХ МЕТОДОМ РКУП

3.1 Исследование микроструктуры стали марок 20 и 45 в ис- 39 ходном состоянии перед РКУП

3.2 Исследование микроструктуры стали марок 20 и 45 после 47 РКУП в различном исходном структурном состоянии

3.2.1 Микроструктура стали 20, обработанной методом 47 РКУП

3.2.2 Микроструктура стали 45, обработанной методом 61 РКУП

3.3 Исследование твердости и микротвердости

4. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ 72 ЗАГОТОВОК ИЗ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СТАЛЕЙ 20 И

45, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РКУП

4.1 Исследование влияния степени обжатия при волочении на 72 структуру и свойства стали 20 с ультрамелкозернистой структурой

4.2 Исследование влияния степени обжатия при волочении на 89 структуру и свойства стали 45 с ультрамелкозернистой структурой

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ 99 НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ХОЛОДНОТЯНУТЫХ СТАЛЕЙ

5.1 Исследование влияния температуры нагрева и времени вы- 99 держки на микроструктуру и свойства холоднотянутой УМЗ стали марки

5.2 Исследование влияния температуры нагрева и времени вы- 108 держки на микроструктуру и свойства холоднотянутой УМЗ стали марки

Разработка объемных (крупногабаритных) наноструктурных и ультрамелкокристаллических материалов в последние годы становится одной из важнейших задач современного материаловедения, поскольку это открывает возможности разработки технологий получения различных стальных полуфабрикатов в виде листов, прутков, проволоки и других металлоизделий, обладающих уникальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В настоящее время достигнуты большие успехи в получении и исследовании материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нанокристаллической (НК) структурой, сформированной методами интенсивного пластического деформирования (ИПД). Нанокристаллическими материалами (или наноматериала-ми) принято называть материалы с размером зерна менее 100 нм, а ультрамелкозернистыми (или наноструктурированными) - до 1000 нм [1-4]. Одной из наиболее эффективных технологий деформационного получения объемных металлических материалов с размером зерна порядка сотен нанометров является технология равноканального углового прессования (РКУП).

Формирование УМЗ и НК структур методами ИПД оказывает значитель- -ное, а иногда коренное влияние на деформационное поведение и механические свойства металлов и сплавов, что позволяет считать ИПД весьма перспективным методом управления структурой и свойствами. Наибольший интерес к наноструктурированным материалам обусловлен не только их уникальными физико-химическим свойствами, но и весьма высокими механическими свойствами: прочностью, пластичностью, износостойкостью. В силу того, что НК и УМЗ материалы появились сравнительно недавно, их устойчивость к внешним воздействиям, в частности, к пластической деформации и нагреву изучено пока слабо. Еще недостаточно изучены процессы и способы обработки таких материалов.

В настоящий момент получение изделий из наноструктурированных материалов в объемах промышленного производства остается трудновыполнимой задачей. Использование конструкционных материалов в УМЗ и НК состоянии в металлургической отрасли ограничено слабым знанием их полного комплекса механических и эксплуатационных свойств. Исследований в этом направлении проведено недостаточно, особенно в области изучения формирования структуры и свойств промышленных сталей, как при РКУП, так и при последующем термическом и деформационном воздействии, в частности волочении. Практически нет данных о влиянии структуры, возникающей в ходе предварительной обработки стали перед РКУП.

В этой связи весьма актуальной является проблема использования сталей с УМЗ структурой, полученной методом РКУП, для повышения механических свойств холоднотянутых низко- и среднеуглеродистых сталей, поскольку в таких сталях получение одновременно высокой прочности в сочетании с высокой пластичностью традиционными методами упрочнения весьма затруднительно.

Цель настоящей работы: исследование закономерностей формирования структуры и свойств феррито-перлитных углеродистых конструкционных сталей, обработанных методом РКУП с последующим деформационным и термическим воздействием.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Установить влияние предварительной термической обработки на структуру и свойства феррито-перлитных углеродистых конструкционных сталей, подвергнутых обработке методом РКУП.

2. Выявить закономерности формирования структуры и свойств при волочении заготовок из углеродистых конструкционных сталей, нанострук-турированных методом РКУП.

3. Определить влияние»последующего нагрева-на'стабильность структуры и свойств холоднотянутых УМЗ углеродистых конструкционных сталей.

4. Оценить возможности промышленного использования УМЗ углеродистых конструкционных сталей, наноструктурированных методом РКУП, при производстве метизной продукции.

Были получены следующие новые научные данные о формировании структуры и свойств феррито-перлитных углеродистых конструкционных сталей, обработанных методом РКУП с последующим деформационным и термическим воздействием:

1. Установлены особенности структурообразования и изменения твердости в зависимости от предварительной термической обработки и структуры, сформировавшейся перед РКУП.

2. Выявлено, что при РКУП феррито-перлитных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,20-0,45 %, подвергнутых обработке в различном исходном структурном состоянии, формируется специфическая микроструктура, отличительной особенностью которой является наличие ультрамелких зерен феррита размером до 200-500 нм с преимущественно больше-угловыми границами. Сформированное структурное состояние приводит к повышенному уровню прочностных свойств.

3. Показано, что возможности достижения высокой прочности при на-ноструктурировании и последующем волочении в УМЗ конструкционной стали с более высоким содержанием углерода ограничиваются вследствие осложнения процесса диспергирования из-за присутствия большого количества равномерно распределенных цементитных частиц сферической формы и уменьшения объемов ферритных областей, способных к накоплению дефектов и образованию фрагментов с большеугловой разориентировкой.

4. Экспериментально установлено, что сформированная в результате РКУП и последующего волочения УМЗ структура стали марок 20 и 45 имеет высокую термостабильность: УМЗ структура сохраняется при нагреве до 400 °С, при этом происходит повышение пластических свойств при сохранении высокой прочности.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в том, что продемонстрирована возможность управления структурным состоянием для повышения механических свойств сталей 20 и 45 за счет обработки ее методом РКУП. Установлено, что при использовании процесса РКУП прирост твердости в конструкционной углеродистой стали с содержанием углерода около 0,20 % составляет до 43 % в зависимости от структуры, сформированной перед РКУП, а в стали с содержанием углерода 0,45 % — 18 %. Показано, что, используя воздействие метода РКУП, благодаря интенсивному диспергированию ферритной матрицы, в стали марки 20 без термической обработки можно достичь прочностных характеристик, практически не уступающих свойствам термообработанной стали.

Установлено, что сочетание метода РКУП с последующим волочением позволяет обеспечивать высокие прочностные характеристики стали: прирост микротвердости в стали 20 в зависимости от степени обжатия состав

1 О ляет до 60 %, стт достигает 823 Н/мм", ав - 1520 Н/мм' (\|/ = 41 %), а в стали-. 45 прирост микротвердости составляет до 34 %, стт достигает 1062 Н/мм , стп

-л

- 1667 Н/мм (у = 15 %). При этом в стали марки 20 можно достичь прочности, сопоставимой с твердостью среднеуглеродистой стали марки 45.

Обнаружено, что при нагреве холоднодеформированной нанострукту-рированной стали пластические свойства увеличиваются почти в 2 раза при сохранении достаточно высокого временного сопротивления (ов ~ 1000 Н/мм2 и более).

Выявленный характер поведения углеродистых конструкционных сталей в процессе наноструктурирования при РКУП и последующем волочении существенно расширяет возможности управления технологическим процессом производства металлопродукции для-достижения требуемого комплекса механических свойств. Для подтверждения полученных результатов в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» были изготовлены и испытаны (в соответствием с ГОСТами) проволока диаметром 1,95 мм и болты из стали 20 и 45, нано-структурированной методом РКУП. Результаты испытаний показали, что они обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с продукцией, изготовленной традиционными методами, что подтверждается актами изготовления проволоки и болтов и результатами их испытания.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», что подтверждено актами внедрения (приложения 10, 11).

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г.» по направлению «Конструкционные стали с ультрамелкодисперсной и наноструктурой, методы их получения и обработки» (контракт № 02.513.11.3196), а также в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект «Создание научных основ эволюции структуры и свойств наноструктурных конструкционных сталей в процессах обработки давлением», регистрационный номер 2.1.2/2014.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решены научные и практические задачи, имеющие важное значение для народного хозяйства, которое состоит в получении и использовании наноструктурированных углеродистых конструкционных сталей, обладающих повышенным уровнем механических свойств, что позволит создать новые виды продукции с повышенными эксплуатационными свойствами, пониженной металлоемкостью, разработать инновационные ресурсосберегающие технологии, т.е. повысить конкурентоспособность продукции.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры на механические свойства, а также деформационного и термического воздействия на структурное состояние и свойства сталей марок 20 и 45, наноструктурированных методом РКУП. Основные результаты сводятся к следующему.

1. Выявлены закономерности влияния предварительной термической об-; : • работки на структуру и свойства углеродистой конструкционной феррито-перлитной стали, подвергнутой обработке методом РКУП. Установлено, что при РКУП стали марок 20 и 45 формируется специфическая микроструктура (преимущественно с ультрамелкими зернами размером 200-500 нм с больше-угловыми и неравновесными границами, с дисперсными частицами карбидной фазы), обеспечивающая прирост твердости. В стали с содержанием углерода 0,20 % он достигает 43 %, а в стали с содержанием углерода 0,45 % - 18 % в зависимости от структуры, сформированной перед РКУП.

2. Установлены особенности структурообразования и формирования свойств при волочении углеродистой конструкционной феррито-перлитной стали,, наноструктурированной методом РКУП. Показано, что сочетание РКУП с последующим волочением, благодаря интенсивному диспергированию ферритной матрицы, позволяет обеспечить высокие прочностные харак

О 1 теристики: в стали марки 20 ах достигает 823 Н/мм , ов - 1520 Н/мм при \|/ = 41 %; в стали 45 ат достигает 1062 Н/мм2, ств - 1667 Н/мм2 при \|/ = 15 %.

3. Предложено обоснование выявленных различий деформационного упрочнения при РКУП конструкционных углеродистых сталей с различным содержанием углерода, состоящее в том, что запас пластичности при нанострук-турировании стали с большим содержанием углерода сильно ограничивается вследствие осложнения процесса фрагментации из-за присутствия большого количества равномерно распределенных цементитных частиц сферической формы и уменьшения объемов ферритных областей, способных к накоплению дефектов и образованию фрагментов с большеугловой разориентировкой.

4. На основании обнаруженного эффекта разупрочнения при волочении наноструктурированной УМЗ стали 20 в диапазоне степени суммарного обжатия от 5,88 до 37,42 %, выдвинута гипотеза механизма данного явления, связанная с процессом релаксации внутренних напряжений в ультрамелких и на-нокристаллических зернах путем зернограничного микропроскальзывания и стоком дислокаций в четверные стыки зерен.

5. Экспериментально установлено, что сформированная в результате. РКУП и волочения УМЗ структура стали марок 20 и 45 имеет высокую термостабильность. При нагреве до 400 °С сохраняется УМЗ структура, при этом происходит повышение пластических свойств в 2 раза при сохранении высокой прочности (ав ~ 1000 Н/мм2 и более).

6. Изготовленные и испытанные в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» проволока диаметром 1,95 мм и болты из стали 20 и 45, наноструктурированной методом РКУП, обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению с продукцией, изготовленной традиционными методами, что подтверждается актами испытания.

Научно обоснованные технические разработки могут быть использованы для решения проблемы повышения механических свойств холоднотянутых низко- и среднеуглеродистых сталей на основе разработки новых технологий с применением сталей с УМЗ структурой, полученной методом РКУП, а также в учебном процессе при чтении дисциплин материаловедческого направления.

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.

2. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.

3. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации II Российские Нанотехнологии, 2006. Т. 1. № 1-2. С. 208-216.

4. Равноканальное угловое прессование металлических материалов: достижения и направления развития (Тематическая подборка статей под ред. В.М. Сегала, C.B. Добаткина и Р.З. Валиева) // Металлы, 2004. №№1, 2.

5. Патент RU № 2181776 Способ обработки стали / Р.Г. Зарипова, O.A. Кайбышев, Г.А. Салищев, К.Г. Фархутдинов // Опубликован 27.04.2002 Бюл. № 12.

6. Александров И.В., Кильмаметов А.Р., Валиев Р.З. Рентгеноструктурные исследования ультрамелкозернистых металлов, полученных методом равнока-нального углового прессования // Металлы, 2004. № 1. С.63-70.

7. Термическая стабильность упрочненной наночастицами НЮ2 субмикрокристаллической меди в интервале температур 20-500 °С / А.Б. Лебедев, С.А. Пульнев, В.В. Ветров и др. // Физика твердого тела, 1998. Т. 40. № 7. С.1268-1270.

8. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. Влияние высокого гидростатического давления на механические свойства материалов. М.: Иностранная литература, 1955. 444 с. (англ. яз. версия).

9. Сегал В.М. Процессы обработки металлов интенсивной пластической деформацией // Металлы, 2006. № 5. С.130-141.

10. П.Утяшев Ф.З. Современные методы интенсивной пластической деформации: учеб. пособие. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008. 313 с.

11. Пластическая деформация твердых тел под давлением / Р.И. Кузнецов, В .И. Быков, В.П. Чернышев и др. // Свердловск: ИФМ УНЦ РАН, 1982. Пре-рпинт 4/85.

12. Рааб Г.И., Валиев Р.З. Равноканальное угловое прессование длинномерных заготовок // Цветная металлургия, 2000. № 5. С. 50-53.

13. Формирование субмикрокристаллической структуры поверхностного слоя стальной проволоки методом РКУ-протяжки / Г.С. Гун, М.В. Чукин, Н.В. Копцева и др. // Труды Седьмого Конгресса прокатчиков. Т.1. Москва, 2007 г. С. 364-368.

14. Исследование формирования субмикрокристаллической структуры поверхностного слоя стальной проволоки с целью повышения уровня ее механических свойств / Г.С. Гун, М.В. Чукин, Ю.Ю. Ефимова и др. // Вестник МГТУ им Г.И. Носова, 2007. № 3. С.84-86.

15. Наноструктурирование сталемедной биметаллической проволоки / Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, В.В. Чукин и др. // Материалы 66-й научно-технической конференции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Т.1. С. 49-52.

16. Структура меди после динамического канально-углового прессования / И.В. Хомская, В.И. Зельдович, Е.В. Шорохов // МиТОМ, 2008. № 5. С. 38-43.

17. Процессы структурообразования металлов / В.М. Сегал, В.И. Резников,

18. B.И. Копылов и др. // Минск: Наука и техника, 1994. 231 с.

19. Теплое и горячее равноканальное угловое прессование низкоуглеродистых сталей / C.B. Добаткин, П.Д. Одесский, Р.И. Пиппан др. // Металлы, 2004. № 1.С. 110-119.

20. Получение объемных металлических нано- и субмикрокристаллических материалов методом интенсивной пластической деформации / C.B. Добаткин, A.M. Арсенкин, М.А. Попов и др. // МиТОМ, 2005. № 5. С. 29-34.

21. Получение субмикрокристаллической структуры в сталях стЮ и 08Р при равноканальном угловом прессовании / C.B. Шаталина, Е.Г. Королева, Г.И. Рааб и др. // Металлы, 2008. № 3. С. 44-51.

22. Структура и свойства стали СтЗ после теплого равноканального углового прессования / C.B. Добаткин, Р.З. Валиев, H.A. Красильников и др. // МиТОМ, 2000. № 9. С. 31-35.

23. Термическая стабильность низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ с нано- и субмикрокристаллической структурой / C.B. Добаткин, П.Д. Одесский, C.B. Шаталина и др. // 2-ая Всероссийская конф-ция по наноматериалам «НАНО-2007». Новосибирск, 2007. С. 141.

24. Красильников H.A. Прочность и пластичность после равноканального углового прессования с противодавлением // Металлы, 2005. №3. С. 35-42.

25. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.

26. Влияние интенсивной пластической деформации на структуру и упрочнение поликристаллического никеля, / Б.М. Эфрос, Е.В. Попова; В.А. Эфрос и др: // Металлы, 2005. № 6. С. 31-35.

27. Эволюция структуры нанокристаллического Ni при нагреве / A.B. Корзников, Г.Ф. Корзникова, М.М. Мышляев и др. // ФММ, 1997. Т. 84. Вып.4.1. C. 133-139.

28. Наймарк О.Б. Нанокристаллическое состояние как топологический переход в ансамбле зернограничных дефектов // ФММ, 1997. Т. 84. С. 5-21.

29. Валиев Р.З., Мусалимов Р.Ш. Электронная микроскопия высокого разрешения нанокристаллических материалов // ФММ, 1994. Т.78. № 6. С. 114-119.

30. Влияние интенсивной пластической деформации методом пакетной гидроэкструзии на механические свойства и атомную структуру никеля / Б.М. Эфрос, С.Г. Сынков, Е.В. Попова и др. // Физика и техника высоких давлений, 2002. Т. 12. № 2. С. 27-37.

31. Формирование субмикрозернистой структуры в меди и никеле с использованием интенсивного сдвигового деформирования / H.A. Ахмадеев, Р.З. Валиев, В.И. Копылов и др. // Металлы, 1992. № 5. С. 96-101.

32. Кайбышев P.O., Мазурина И.А., Громов Д.А. Механизмы измельчения зерен в алюминиевых сплавах в процессе интенсивной пластической деформации // МиТОМ, 2006. № 2. С. 14-19.

33. Целлермаер В.Я. Субструктурно-фазовые превращения при интенсивной пластической деформации металлов // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1999. № 12. С. 44-49.

34. Нанокристаллические Pd и PdH0.7, полученные сильной пластической деформацией под давлением / В.А. Теплов, В.П. Пилюгин, B.C. Гавико и др. // ФММ, 1997. Т.84. С. 96-103.

35. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах. М.: Наука, 1984. 472 с.

36. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии, 2006. Т. 1. № 1-2. С.208-216.

37. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка, 1974. 231 с.

38. Гуляев А.П. Металловедение // Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

39. Поздняков В.А., Глезер A.M. Структурные механизмы пластической деформации нанокристаллических материалов // Физика твердого тела, 2002. Т. 44. Вып. 4. С. 705-710.

40. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов: электронный ресурс. URL: http://www.ipme/labs/ltdm/ovidko.htme (дата обращения 19.10.2008).

41. Глезер A.M. Пластическая деформация нанокристаллических материалов // Известия вузов Черная металлургия, 2006. № 2. С. 39 43.

42. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы // Рос. хим. ж. (Ж.Рос. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002. Т. XLVI. № 5. С. 57-63.

43. Поздняков В.А. Пластичность нанокристаллических материалов с бимодальной зеренной структурой // Письма в ЖТФ, 2007. Т. 33. Вып. 23. С. 36-42.

44. Поздняков В.А. Механизмы пластической деформации и аномалия зависимости Холла-Петча металлических нанокристаллических материалов // ФММ, 2003. Т. 96. № 1. С. 114-128.

45. Эволюция структуры ГЦК монокристаллов при больших пластических деформациях. / H.A. Смирнова, В.И. Левит, В.И. Пилюгин и др. // ФММ, 1986. Т. 61. С. 1170-1177.

46. Амирханов Н.М., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Релаксационные процессы и рост зерен при изотермическом отжиге ультрамелкозернистой меди, полученной интенсивной пластической деформацией // ФММ, 1998. Т. 86. №3. С. 99-105.

47. Кайбышев O.A., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. 214 с.

48. Тарнавский А.Л. Производство канатной проволоки во Франции // Черметинформация. Сер. 9. Метизное производство. Инф. № 3,1970. 12 с.

49. Потемкин К.Д. Термообработка и волочение высокопрочной- проволоки. М.: Металлургиздат, 1963. 120 с.

50. Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Меттус Г.С. Пути уменьшения дефекта стальной проволоки по расслоению // Черметинформация. Сер. 9. Метизное производство. Инф. № 5, 1969. 20 с.

51. Получение проволоки волочением / Х.Н. Белалов, Б.А. Никифоров, H.A. Клековкина и др. // Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 210 с.

52. Новиков И.И Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 480 с

53. Металловедение и термическая обработка стали: справ. Изд. 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. II. Основы термической обработки Под ред. Берн-штейна M.JL, Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 368 с.

54. Потемкин К.Д. Пути повышения прочностных свойств проволоки // Стальные канаты, 1966. Вып. 3. С. 402-407.

55. Саррак В.И., Щербакова B.C., Сигалова И.С. Склонность стали, легированной карбидообразующими элементами, к хрупкому разрушению // МиТОМ, 1971. № 7. С. 9-13.

56. Бернштейн M.JL, Шур Е.А. Влияние пластической деформации при волочении на строение и свойства железа и легированного феррита. В кн.: Структура и свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1970. С. 97-115.•V

57. Бернштейн M.JI. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 431 с.

58. Исследование поведения перлита при деформации патентированной стали У8 / С.Б. Михайлов, Т.И. Табатчикова, В.М. Счастливцев и др. // ФММ, 2001. Т. 91. №6. С. 86-94.

59. Производство стальной проволоки / Х.Н. Белалов, H.A. Клековкина, A.A. Клековкин и др. // Монография. 2-е изд. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. 543 с.

60. Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева и др. // Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 311 с.

61. Электронно-микроскопическое исследование структурных изменений при волочении проволоки / В.Н. Гриднев, В.Г. Гаврилюк, Ю.Я. Мешков и др. // Стальные канаты, 1967. Вып. 4. С. 348-353.

62. Технологические основы электротермической обработки стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкадеров и др. // Киев: Наукова думка, 1977. 213 с.

63. Кардонский В.М., Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. Влияние размеров и формы частиц цементита на структуру и свойства стали после деформации // МиТОМ, 1964. № 2. С. 2-4.

64. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г. Распад цементита при пластической деформации стали // Металлофизика, 1982. Т. 4. № 3. С.74-87.

65. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. К.: Наукова думка, 1987. 408 с.

66. Градиентные структуры в перлитной стали / Э.В. Козлов, В.Е. Громов,

67. B.В. Коваленко и др. // Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2004. 224 с.

68. Усовершенствование технологии измельчения структуры перлита в проволоке // Новости чер. металлургии за рубежом, 2004. № 1. С. 61-62. Рус.

69. Белоус М.В., Черепин В.Т. Изменения в карбидной фазе стали под влиянием холодной пластической деформации // ФММ, 1962. Т.Н. Вып. 1.1. C. 48-54.

70. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали.

71. ГОСТ'5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

72. ГОСТ 8233-82. Сталь. Эталоны микроструктуры.

73. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография: Стереология металлических материалов: Уч. пособие. М: Металлургия, 1976. 271 с.

74. ГОСТ 9013-59. Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Роквеллу.

75. ГОСТ 9450-60. Металлы. Метод испытания на микротвердость вдавливанием алмазной пирамиды.

76. ГОСТ 1579-93. Проволока. Методика испытания на перегиб.

77. ГОСТ 10446-80. Проволока. Методы испытания на растяжение.

78. ГОСТ 1497-2000. Металлы. Методы испытания на растяжение.

79. Блантер М.Е. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1984. 328 с.

80. Курдюмов Г.В., Утевский JI.M., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 236 с.

81. Исследование состояния карбидной фазы после наноструктурирования и последующего волочения низкоуглеродистой стали / Ю.Ю. Ефимова, Н.В. Копцева, O.A. Никитенко // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2009. N° 3. С.45-48.

82. Исследование эволюции структуры наносталей 20 и 45 при критических степенях пластической деформации / М.В. Чукин, Р.З. Валиев, Ю.Ю. Ефимова и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2007. № 4. С. 89-93.

83. Особенности реологических свойств конструкционных наносталей / М.В. Чукин, Г.С. Гун, М.П. Барышников и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2008. № 1.С. 24-27.

84. ГОСТ 17305-91. Проволока из углеродистой конструкционной стали.

85. ГОСТ 5663-79. Проволока стальная углеродистая для холодной высадки. Технические условия.

86. Инновационный потенциал новых технологий производства метизных изделий из наноструктурных сталей / М.В. Чукин, Н.В. Копцева, М.П. Барышников, Ю.Ю. Ефимова и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2009. № 2. С.64-68.

87. Относительная деформация, %с?а