автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Особенности структурообразования низколегированных борсодержащих сталей и разработка режимов их термической обработки

ТУЛЬСКИЙ ордена трудового красного знамени

ПОШТЕХНИЧЕСКИЙ Ш1СТИТУТ

На правах рукописи

ЛАВШВА Галина Геяргосовпа

ОСОБЕННОСТИ СТР/КГ/Р00БРА30ВАН;1Я НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ БОРССЩЕШИШ СТАЛЕИ И РАЗРАБОТКА ЕЕЖЧОВ ИХ ТЕМГСЕСКОЛ ОБРАБОТКИ

05.16.01 - металловедение и тер.лическая •обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 1990

Работа выполнена в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Гринберг Е. М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Куманин В.И.

Ведущее предприятие - тульский оружейный завод

Защита состоится " 15 " ноября 1990 г. в 14 часов в девятом корпусе ТулГШ, ауд. 101 на заседании специализированного совета К.063.47.01 ВМС СССР в тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: Э00600, г.Тула, 26, пр.Ленина, 92. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " '{Я, " октября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

- кандидат технических наук Наумов Г.И.

Гончаренко И.А.

\

I. ОБЩАЯ ХЛРЛКТКРИСТШ РАБОТЫ

Актуальность теш. В условиях перехода страны к рыночной экономике качество, конкурентноспособность и экономичность выпускаемой продукции приобретают главенствующее значение. Одним из путей решения поставленной задачи применительно к металлургической и машиностроительной отраслям промышленности является расширение выпуска и применения экономнолегированных и, в частности, микролегированных сталей. Наиболее распространенным микролегирующим элементом является бор, использование которого позволяет не только снизить экономические затраты на производство высококачественных сталей, но и существенно сократить энергоемкость последующей механической обработки. Легирование бором способствует повышению прокаливаемое™, вязкости, свариваемости, улучшает обрабатываемость резанием и давлением низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Благодаря исследованиям советских и зарубежных ученых Архарова В,И., Винарова С.М., Гудцова Я.Т., Гольдштейна Я.Е., Гранте, Гарвея, Николсона, Уэно, Майтрепьерра и др. накоплен большой экспериментальный и теоретический материал о структуре и свойствах бореодержащих сталей. Однако високая эффективность влияния микродобавок' бора на прокаливаемое™ сталей сконцентрировала внимание исследователей преимущественно па этой проблеме. Значительно менее изученным является воздействие бора на распад аустенита по диффузионному механизму. Из выработана единая точка зрения о влиянии режима загадки на структурообразонание и свойства борсодер-жаи;нх статей, противоречивы данные о воздействии микродобавок бора на положение критических точек сталей, и практически отсутствуют сведения о влиянии бора на структурообразование при отпуске закаленных ста;зй.

В то же время 'эти проблемы явллются весьма важными для таких перспективных направлений использования борсодертащих сталей, как получение высококачественных полуфабрикатов контролируемой прокаткой и изготовление изделий методом холодной объемной штамповки. Предварительная термическая обработка в значительной степени определяет способность материала к обрабатываемости давлением и уровень свойств после окончательной термической обработки, а в ряде случаев завершающая термическая обработка этих изделий мотет не' применяться. Оптимизация режимов термической обработки сталей является существенным резервом повышения качества,работоспособности и долговечности изделий при эксплуатации,' представляет научный

интерес и имеет практическое значение.

Диссертационная работа выполнена в Тульском политехническом институте й рамках тематического плана НИР ТулПИ, координируемого 'ЛшВУЗом РСГСР- тема 28-81, регистрационный номер 80065220.

Автор -защищает:

- установленные закономерности влияния темпоратурно-времен-ных параметров термтеской обработки на распределение бора, микроструктуру и свойства борсодеруащих сталей после различных режимов терьтеской обработки;

- методику выявления аустенитного зерна в борсодержащих сталях с использованием трековой авторадиографии;

- механизм влияния бора на структурообразование углеродистых и низколегированных сталей при замедленном охлаждении от температуры аустенитизации;

- механизм влияния микродобавок бора на повышение устойчивости против разупрочнения при отпуске углеродистых и марганцовистых сталей, подвергнутых высокотемпературной закалке;

- рекомендации по выбору оптимальных режимов термической обработки низколегированных коне тру кционных борсодернащих сталей.

Цель работы. Установление закономерностей влияния темпера-турно-Бре;.'.енкых параметров тер/ической обработки на структуру и свойства углеродистых и низколегированных сталей и разработка на этой основе режимов их термической обработки, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств.

Общая методика исследований. Изучение влияния температурно-временных параметров термической обработки на распределение бора и углерода в структуре сталей проводили с использованием методов трековой и актквацпон.!ой апторадиограЛии. Уикроструктурные исследования выполняли на оптическом микроскопе " №еорЬс^ ", анализаторе структуры " Ер^ийпЛ " и электронном микроскопе ЗМВ-100Л-. Рентге-ноструктурный анализ проводили с помощью дк4рактс-ыетра " ДР0Н-2.0". Измерения макро- и микротвердости осуществляли в соответсвии с ГОСТ 9450-76 и 9013-59 на приборах ТК-2!;1 и ПМТ-3. Для определения критических точек сталей использовали электронный вакуумный дилатометр " Рогтс^сг-Г ". Механические испытания проводили на универсальной мзиине Р-5 в соответствии с ГОСТ 1497-84 и на копре МК-20 по ГОСТ 9454-78.

Обработку экспериментальных результатов и оценку их достоверности выполняли ыч основе ГОСТ 8.2С7-76.

Научная новизна;

- разработана методика выявления границ зерен аустенига в борсодержащих сталях, основанная на авторадиографической идентификации сегрегация бора, формирующихся на ыежзерешшх грашщах в аустените при замедленном охлаждении, и обеспечивающая повышение точности, уменьшение трудоемкости й возможность автоматизации измерений;

- методом двухэлементной активационной автора,диографил установлена опережающая сегрегация бора на структурных несовершенствах при замедленном охлаждении, обуславливающая понижение равномерности распределения и концентрации углерода в объеме зерен;

- выявлено, что доминирующей причиной увеличения объемной доли и дисперсности квазиэвтактоида в структуре отожженных и нормализованных борсодержащих сталей является конкурентная сегрегация бора на межзеренных границах, предотвращающая образование грубых выделений структурно-свободного цементита и способствующая повышению равномерности распределения углерода;

- построена термскинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита стали 40Р;

- установлен механизм влияния микродобавок бора на повышение устойчивости против разупрочнения при отпуске углеродистых и мар-гащ;овистых сталей, подвергнутых высокотемпературной закалке, учитывающий торможение реяристаллизационных процессов в феррите в результате формирования стабильной полигональной структуры, заблокированной дисперсными выделениями борсодсргкащей фазы.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по рациональным режимам термической обработки низко- и среднеуглеродистых борсодержащих сталей, обеспечивающие существенное повышение их эксплуатационных свойств. Для широко используемой в машиностроении конструкционной стали ЗОХРА рекомендован режим термической обработки, заключающийся в нагреве до 1000...1050 °С и последующей закалке в воде, что обеспечивает увеличение прокаливаемости и ударной вязкости в низкоотпущенном состоянии на <« 25 % при сохранении прочностных и пластических характеристик на уровне, соответствующем термической обработке по "стандартной" технологии. На базе проведенных разработок совместно с НИНАМ рекомендована замена сложнолегированной, получаемой по импорту стали типа 38ХГНМ, используемой на УАЗе для изготовления методом холодной объемной штамповки деталей "палец с шаровой головкой", на борсодержащую сталь 30Г1Р. Ожидаемый годовой экономический эффект- '¿5 тыс.руб.

(доля ЧулПИ- 10 тыс.руб.).

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на 1У Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий (Запорожье, 1989), 2-й Всесоюзной школе-семинаре по твердотельным трековым детекторам и авторадиографии (Одесса, 1969) , Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов" (Тула, 1990 ) и ХХ1У, ХХУ, ХХУ1 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулПИ.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 6 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа выполнена на 150 страницах к включает введение, обзор литературы, методическую главу, 2 исследовательские главы, заключение, список литературы и приложения; содержит 130 страниц печатного текста, 30 рисунков, 19 таблиц, библиографический список из 180 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Критический анализ литературы показал, что несмотря на многочисленные исследования, касающиеся влияния бора на структурообра-зование и свойства сталей, данные, приводимые различными авторами, весьма противоречивы. Отсутствует единая точка зрения о влиянии бора на положение критических точек сталей; недостаточно изучено его воздействие на распад аустенита по диффузионному механизму и связанные с этим закономерности структурообраэования сталей. Существенно различаются экспериментальные данные о влиянии температуры нагрева и условий охлаздения при закалке на распределение бора, характер формирующейся структуры и свойства сталей. Практически отсутствуют данные о влиянии бора на кинетику разупрочнения и характер формирующейся структуры сталей при отпуске после закалки от различных температур. Н то же время эти сведения крайне необходимы для разработки рациональных режимов предварительной и окончательной, термической обработки борсодержащих сталей.

Подавляющее большинство исследований, выполненных различными авторами, проведено на отдельных конкретных марках сталей, что затрудняет выработку общих закономерностей воздействия бора на струк-турообразование и свойства сталей, а также оценку эффективноети этого влияния в сталях с различным содержанием углерода. Кроме того, результаты исследований, выполненных на сложнолегированных борсо-

держащих сталях, недостаточно информативны в связи с возможным сйнэргетическим эффектом добавок бора и других легирующих элементов и не позволяют выделить непосредственный вклад бора. Основными классам используемых в настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности низколегированных конструкционных борсо-держащих сталей являются марганнево-, хромомарганпевобористые и борохромистые стали. Дня установления физической природы влияния бора на структурообразование и свойства сталей необходимо проведение исследований на широком круге сталей как с различным содержанием углерода, так и с различной базой легирования.

Цель работы и анализ состояния вопроса определили задачи исследования:

- уточнение влияния бора на крит1гческие точки сталей;

- изучение влияния температурко-времешшх параметров термической обработки на характер распределения бора, структуру и свойства низколегированных борсодердащих сталей;

- выявление закономерностей влияния бора на диффузионный распад аустенита в углеродистых и низколегированных сталях;

- изучение закономерностей стругтурообразования при отпуске закаленных углеродистых, марганцовистых и хромистых сталей, микрб-легироваиных бором;

- разработка рекомендаций по выбору оптимальных режимов термической обработки низколегированных конструкционных борсодержа-щих сталей с целью обеспечения высокого комплекса эксплуатационных свойств.

2.1 Материалы и методики исследовании

Исследования проводили на четырех группах промышленных сталей с содержанием углерода от 0,1 до 0,5 'Л : углеродистых (I) ,микролегированных только бором (.II) и содержащих наряду с бором I... 1,5 мае.55 Mn (ill) или Сг (.1У) • Содержание бора в исследованных сталях 0,002...0,004 мае.'6. Выбор указанных материалов позволил, с одной стороны, выделить непосредственное влияние бора, марганца-и хрома на структурообразование и свойства сталей с различным содержанием углерода и, с другой стороны, оценить эффективность широко используемого на практике комплексного легирования сталей бором и перечисленными элементами и получить систематизированную информацию о новом семействе.борсодержащих низкомарганцовистых сталей для холодной объемной гтампояки.

Для определения концентрации бора и характера его распределения в сталях использовали метод трековой авторадиографии (ТА) ,

основанный на способности полимерных детекторов фиксировать следы с<. -частиц, являющихся продуктами взаимодействия естественного изотопа . В с тепловыми нейтронами. Определены регистрационные характеристики твердотельных трековых детекторов различного состава на основе ацетобутирата целлюлозы. Для ti-частиц с энергией меньше 2 МэВ наилучший контраст авторадиографического изображения обеспечивает использование материала СЛВ-381-20. Предложена новая методика выявления границ зерен аустенита борсодержа-щих сталей и сплавов с привлечением метода ТА, обеспечивающая повышение точности оценки размера зерна, уменьшение трудоемкости и возможность автоматизации измерений. Для совместного изучения распределения бора и углерода в низкоуглеродистцх сталях в сотрудничестве с 1','ЛШ впервые применена двухэлементная активационная автopaдиографин.

Достоверность научных положений и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечена большим объемом экспериментов, выполненных с использованием комплекса современных методов металлофизического анализа и статистической обработкой полученных данннх с применением корреляционного и регрессионного анализов, а такле хорошей сопоставимостью результатов лабораторных исследований и опытко-промшлешюй апробации.

2.2 Влияние бора на структурэобразование и свойства

углеродистых и низколегированных сталей при отжиге и нормализации

Методами оптической и электронной микроскопии с применением количественной металлографии изучены особенности структурообразова ния углеродистых и борсодержащих сталей в процессе непрерывного охлаждения от 950 °С (отжиг, нормализация) и изотермической выдержки (изотермические отжиги, изотермическая закалка на бейнит). Установлено, что микролегкрование бором способствует значительному уменьшению объемной доли и устранению грубых выделений структурно-свободного цементита ( ССЦ ) на межзеренных границах в структуре отожженных сталей. В сталях> комплексно легированных бором и хромом (или марганцем) , включения ССЦ практически отсутствуют.

Зависимости объемной доли эвтектоидной составляющей Vn в структуре от содержания углерода для всех исследованных групп сталей адекватно описываются уравнениями регрессии первого порядка при уровне значимости oí = 0,05 (рис.I,а).Микродобавки- бора способствуют статистически значимому увеличению количества перлита в структуре по сравнению с базовыми несодержащими бор сталями. Неза-

Се,ма£-7»

Рис. I. Зависимость объемной доли перлита в структуре отожженных сталей (а) и твердости (б) от содержания углерода

Рис. 2. Влияние содержания углерода на изменение объемной доли перлита пр! отжиге

Рис. 3. Влияние температуры отпуска и содержания углерода на относительный прирост твердости борсо-держащих сталей

висиш от содержания углерода абсолютный прирост величины Vn в сталях с микродобавками бора после полного и изотермического (650 °С) отжигов составляет 10—II %, что равноценно при исследованных режимах обработки дополнительному увеличению концентрации углерода на~0,1 % или легированию от I до 1,5 тс,% Мп. Введение в стали наряду с бором марганца или хрома обуславливает дополнительное статистически значимое увеличение Vn_. Значимая разница между количественным соотношением фаз в сталях, принадлежащих к различным группам, после изотермического отжига при 600 °С отсутствует, поскольку при распаде в температурной области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в значительной степени предотвращается выделение избыточного феррита и в легированных, и в углеродистых сталях.

Влияние бора на количественное соотношение структурных составляющих отожженных сталей как в случае непрерывного охлаждения » от температуры аустенитизации, так и после изотермической обработки при 650 °С наиболее отчетливо выражено ь низкоуглеродистых сталях. С повышением содержания углерода величина относительного прироста объемной доли перлита в структуре борсодержащих сталей монотонно убывает (,pnc.¿).

Воздействие бора на структурообразование сталей при отжиге проявляется не только в количественном изменении.фазового состава сталей, но и отражается на морфологии перлита. Легирование бором способствует повышению дисперсности и твердости эвтектоида. Дополнительное введение марганца или хрома в исследованных пределах не изменяет дисперсности и твердости перлита борсодержащих сталей.

В среднеуглеродистых сталях, охлажденных на воздухе, наличие бора способствует появлению игольчатой составляющей, количество которой увеличивается с повышением содержания углерода и существенно возрастает при переходе от сталей II к сталям III и 1У групп. Сопоставление результатов микроструктурного и дюрометрического анализов для сталей после различных вариантов изотермической обработки и охлаждения на воздухе позволило установить, что указанная структурная составляющая представляет собой верхний бейнит. По этой причине твердость нормализованных борсодержащих сталей значимо превышает твердость базовых сталей во всем изученном диапазоне концентраций углерода, в то время как в отожженном состоянии микродобавки dopa обеспечивают статистически значимое увеличение твердости сталей лишь при содержании углерода менее 0,3 мав,1( рИс. I, б)

Дилатометрические исследования с использованием "Formastora-F" показали, что критические точки Aj и Ag борсодержащих сталей на

15-25 °С ниже по сравнению с базовыми, не содержащими бор сталями. Это указывает, что отмеченные структурные изменения, связанные с наличием в сталях бора, на могут быть обусловлены лишь снижением критической, температуры Ар Комплексное применение методов ТА и активационного анализа позволило впервые наглядно проиллюстрировать изменение характера распределения углерода в сталях в присутствии бора после замедленного охлаждения от температуры аустенити-зации. Опережающая сегрегация бора на межзеренных границах препятствует образованию ССЦ, способствуя тем самым повышению концентрации и равномерности распределения углерода в объеме зерен и образованию мелкодисперсных карбоборидных частиц. Указанные изменения приводят к увеличению количества перлита в сталях, микролегирован-!шх бором. Появление бе'нитной составляющей в структуре среднеугле-родистых борсодержащих сталей, охлажденных на воздухе, обусловлено стабилизацией аустенита в перлитной области под действием добавок бора. На базе выполнешшх исследований и с учетом существующих диаграмм для близких по составу сталей построена термокинетическая диаграмма стали 40Р.

Эффективность влияния комплексного легирования сталей марганцем и бором на структурообразование при замедленном охлаждении связана как с понижением критической температуры Ар так и с взаимно усиливающейся сегрегацией марганца и бора на структурных несовершенствах. Воздействие бсра, равно как и марганца, на структурообразование отожкенных сталей двояко: с одной стороны, формируется более дисперсная эвтектоидная смесь, а с другой стороны, увеличивается объемная доля перлита по сравнению с базовыми углеродистыми сталями. Легирование сталей бором в комбинации с хромом дает результаты, аналогичные полученным для материалов системы Ге-С-В-Ма.

Структурные изменения, вызванные наличием в сталях бора, обуславливают соответствующие изменения механических свойств: увеличение предела текучести и существенное повышение пластических характеристик и ударной вязкости, что особенно важно для сталей, используемых в горячекатанном состоянии. Значения параметровбт,8 , V и КСи стали 12Г1Р в нормализованном состоянии превыиают аналогичные характеристики стали ЮГ2 на 20 , 50 , 30 и 45 % соответственно. На основе проведенных разработок совместно с НИИАТМ рекомендована замена сложнолегированной, получаемой по импорту стали типа 38ХГНМ, применяемой на УАЗе .для производства деталей методом холодной объемной штамповки, на сталь Э0Г1Р, обеспечивающая необходимый комплекс эксплуатационных свойств и не требующая изменения режимов предварительной и окончательной термической обработки.

2.3 Разработка режимов закалки конструкционных борсодержащюс сталей

Исследование влияния режима закалки на структуру, распределение бора и механические свойства углеродистых и низколегированных борсодержащих сталей показало, что повышение температуры аустенитизации и использование в качестве охлаждающей среды воды способствуют повышению однородности структуры и улучшению механических свойств сталей. Сравнительный анализ микролегированных бором и базовых, не содержащих бор сталей-позволил выявить влияние перераспределения бора в формировании структуры сталей.

В таблице представлены механические характеристики сталей ЗОХРА и 35Х, обработанных по различным режимам. После закалки от температуры Ас1 + ЭОтБО °С сталь ЗОХРА имеет смешанную троосто-- бейнитную структуру, в то время как в стали 3£Х формируется мелкоигольчатая мартенситная структура. Лвторадиографический анализ показал наличие большого количества нерастворившихсд при аустенитизации частиц борсодержащейфазы. При.повышении температуры нагрева под закалку достигаются практически полное растворение указанных выделений и равномерное распределение бора в объеме металла. Охлачсдение в воде обеспечивает получение мартенситной структуры в обеих сталях, при этом борсодержащая сталь менее склонна к росту зерна с повышением температуры аустенитизации. Повторная закалка формирует в обеих сталях мелкоигольчатую мар-тенситную структуру.

Увеличение температуры аустенитизации борсодержащей стали приводит к повышению плотности хаотичных дислокаций с (.2,3 -± 0,2) • Ю10 до (1,2 ± 0,з')-1011см*г',не И'4И6няа размера, блоков, в стали 35Х плотность дислокаций остается на прежнем уровне. Лучший комплекс механических свойств стали ЭОХРА обеспечивает ^термическая обработка, включающая высокотемпературную закалку. Несмотря на рост зерна аустенита еязкость борсодержащей стали существенно (на~25 °А) возрастает в отличие от базовой стали. Повторная закалка, обеспечивающая измельчение мартенсита, не влияет на величину ударной вязкости стали ЗОХР^ р значительно увеличивает вязкость безбористой стали. Отмечегйфе обстоятельства свидетельствуют о том( что прирост ударной вязкости микролегированной бором стали после высокотемпературной закалки обусловлен, прежде всего, более равномерным распределением углерода и бора в структуре и отсутствием крупных выделений избыточной фазы.

Для оценки влияния высокотемпературной закалки на трйщино-

Таблица

Размер аустенитного зерна л механические свойства сталей 35Х и- ЗОХРД. после различных вариантов термэтескои обработки

Характеристика Тер;ллческая обработка

3.86С. °С, 30 мин, м. з.исо °с, 60 мин, в З.ПСО + о.<550 С, 60 мин, м т 10 мин, в

Зол ЗСХРА 35Х ЗОХРЛ 35Х ЗСХРА

6 0.2 1560 + 20 1400 ± 10 1635 ± 30 1440 ± 20 1630 ± 50 1410 £ 25

<5* ,:.1Па 1800 ± 15 1030 ^ 10 1730 ± 20 1690 ± 15 Г790 £ 20 1750 ± 15

8 а » /■> 11,7 ± 1,0 17,1 ± 0,8 16,6 ± 1,0 14,1 ± 1.3 14,5 ± 0,6 16,8 £ С,5

У ■я I /0 45,0 ± 0,5 40,0 ± 0.7 40 ± 1,0 ,5,0 ± 0,5 45,0 ± 0,4 50 ± 2,0

кеи, кЦж/м2 590 - 25 740 ± 20 650 £ 36 930 ± 35 800 ± 4,0 920 £ 40 ■

НЕ, 515 470 505 490 '515 480

¿А , ыкм 12 15 60 27 19 18

, балл 9 9 4 7 8 8 •

Примечание: Для всех вариантов: предварительная обработка - Н.9С0 °С, I ч;

зая.тачптелъязя обработка - 0.200 °С, I ч. Н - нормализация, 3 - закалка, 0 - отпуск, м - масло,в - вода.

ы

образование и коробление использовали детали строительно-монтажного пистолета ПЦ-64, наиболее склонные к закалочным деформациям: муфту и ствол. Изменение геометрических размеров деталей по сравнению со штатной технологией не превышало допустимых техническими условиями пределов, трещин на изделиях не обнаружено. Аналогичные результаты получены при механических испытаниях сталей 12Г1Р и ЮГ2.

2.4 Влияние микролегирования бором на структурообразование при отпуске закаленных углеродистых и низколегирован-тих сталей

?,!зтодами авторадиографического, металлографического, элект-ронномикроскотгческого, дпрометрического анализов в сочетании с определением физико-механических характеристик изучена связь перераспределения бора со структурообразопанием и механическими свойствами отпущенных в интервале 200 ... 700 °С сталей после закалки по различным режимам.

Существенных отличий в характере структурообразования и кинетике разупрочнения при отпуске борсодержащих и углеродистых сталей, закаленных по стандартной технологии, не выявлено. Интенсивное снижение твердости сталей 1,11 и III групп начинается с "t0Tn ~ 250 °С; формирование полностью рекрксталлизованной структуры завершается при t отп ~£00 - 550 °С, Задержка распада мартенсита наблюдается лишь в сталях 1У группы, что обусловлено снижением термодинамической активности углерода в присутствии хрома.

Высокотемпературная закалка оказывает стабилизирующее воздействие на распад мартенсита при отпуске. При "tQTn ~ ("50 °С в структуре зернистого сорбита углеродистых сталей встречаются участки с преимущественной ориентировкой в расположении иементитных частиц, что обуславливает некоторую задержу падения твердости сталей I группы с увеличением температуры отпуска. Однако, наиболее отчетливо стабилизирующее воздействие высокотемпературной закалки выражено при отпуске сталей, легированных бором и бором в сочетании с марганцем. Темпы расупрочнения сталей этих групп в данном случае такие же, как и сталей, легированных хромом, интенсивное' снижение твердости начинается при более высоких температурах. Игольчатость фер-ритной составляющей в структуре сохраняется вплоть до tOTn~700 °С.

При каждой температуре отпуска зависимости твёрдости от содержания углерода з пределах определенного класса сталей адекватно описываются уравнениями регрессии первого порядка при уровне значимости d. = 0,05. Твердость сталей, микролегированных бором, статистич

чески значимо превышает твердость базовых сталей при температурах отпуска выше 350 °С. Анализ полученных данных показал, что микродобавки бора способствуют смещению температурных границ процессов, протекающих при среднем и высоком отпуске сталей, закаленных от повышенных температур, на~50 °С. С увеличением содержания углерода в сталях г.ри всех температурах отпуска, превышающих 350 °С, относительный прирост твердости борсодержащих сталей дННС, снижается. Максимальный эффект от введения в стали бора реализуется при содержании углерода ~0,2 & и высоких (,~650°С) температурах отпуска

рис.3). Подтверждено отсутствие влияния марганца на задержку распада мартенсита при отпуске.

Характер распределения бора в структуре отпущенных сталей определяется режимом закалки. При низких температурах отпуска существенных изменений в распределении бора по сравнению с закаленным состоянием не выявлено: количество выделений борсодержащей фазы в сталях, закаленных по "стандартной" технологии, существенно выше, а концентрация бора в твердом растворе ниже, чем при аналогичном режиме отпуска после высокотемпературной закалки. При повышении температуры отпуска количество бора в.твердом растворе снижается, а объемная доля карбоборидов возрастает. Более интенсивно эти процессы протекают в сталях, закаленных от стандартной температуры, вследствие наличия готовой подложки, являющейся мощным"стоком"для атомов бора при распаде пересыщенного твердого раствора.

Предложен механизм елияния микродобавок бора на повышение устойчивости против разупрочнения при отпуске углеродистых и марганцовистых сталей,подвергнутых высокотемпературной закалке. Увеличение плотности дислокаций и степени пересыщения твердого раствора углеродом С вследствие конкурентной сегрегации бора на дефектах структуры в процессе закалочного охлаждения)' и бором, а также менее интенсивный рост зерна в борсодержащих сталях и облегчение миграции углерода в решетке Л- железа в присутствии бора ускоряют начальные этапы распада мартенсита с образованием большого количества дисперсных карбоборидных частиц. Высокая термическая стабильность этих частиц и закрепление ими дислокаций и малоугловых границ тормозят развитие процессов коагуляции выделений и полигонизации ферритной матрицы. Формирующаяся при повышенных температурах отпуска устойчивая полигональная структура, заблокированная дисперсными частицами, сдерживает рекристаллизацию феррита. Скорость формирования зародышей рекристаллизации снижается и за счет замедления процесса само-диффуэии-железа, вызванного уменьшением концентрации избыточных вакансий при размещении бора в вакантных узлах решетки.

Влияние бора на изменение механических характеристик сталей при отпуске отражается, главным образом, на величине их ударной вязкости. Даже после закалки от стандартных температур микродобавки бора обеспечивают существенный прирост вязкости по сравнению с базовыми сталями, особенно отчетливо выраженный после низкого отпуска. Однако, наиболее показательно воздействие бора на величину' KCU отпущенных сталей после закалки от .высоких температур. При отпуске на одинаковую твердость ударная вязкость борсодержащей стали 12Г1Р в 2,2 раза, превышает аналогичну;о характеристику стали 10Г2 при равном уровне прочности и более бысоких показателях пластичности. Благоприятное влияние добавок бора на вязкость обусловлено более равномерным распределением углерода в матрице вследствие конкурентной сегрегации бора на межзеренных и субзеренных границах.

При обработке борсодержащих сталей, используемых для производства крепежных изделий, на заданный класс прочности высокотемпературная закЛлка обеспечивает значительное повышение вязкости и улучшение пластических характеристик по сравиышю со стандартной обработкой. С другой стороны, запас ъязкости позволяет повысить класс прочности изделий за счет отпуска при более низких температурах. Использование высокотемпературной закалки, кроме того, позволяет расширить интервал объективных концентраций бора, обеспечивающих повышение прокаливаемоети сталей.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

С использованием комплекса современных методов иеталлофигзи-ческого анализа исследованы наиболее распространенные в отечественной промышленности борсодержащие конструкционные стали и установлены основные закономерности их структурообразования в зависимости от температурно-временных параметров термической обработки. Установлено, что эффективность микродобавок бора снижается с увеличением концентрации углерода в сталях. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные выводы.

1. Микролегирование бором низко- и среднеуглеродистых сталей приводит к снижению критических температур Ас, и Аг, на 15-25 °С. На базе выполненных исследований построена термокинетическая диаграмма стали 40Р.

2. Методом двухелементной авторадиографии получено прямое ,. подтверждение опережающей сегрегации бора на структурных, несовершенствах при замедленном охлаждении сталей от температуры аустени-

гизации.

3. При распаде аустекита по диффузионному механизму микролегирование бором способствует увеличению на Ю-1Г 'Л объемной доли квазиэвтектоида в структуре углеродистых и низколегированных сталей, повышению его дисперсности и твердости. В нормализованных среднеуглеродистых сталях наличие бора обуславливает формирование в структуре бейнитной составляющей. С увеличением содержания углерода объемная доля бейнкта в структуре возрастает. Указанные структурные изменения обеспечивают повышение предела текучести и существенное увеличение пластических характеристик и ударной вязкости отожженных и нормализованных борсодержащих сталей по сравнению с базовыми сталями. Величины параметров ©т, 8 , Y и KCl)стали 12Г1Р в нормализованном состоянии превышают аналогичные характеристики стали 10Г2 на 20 , 50 , 30 и 45 94 соответственно.

4. Доминирующей причиной увеличения объемной доли перлита в структуре борсодержащих сталей является конкурентная сегрегация бора, предотвращающая образование грубых выделений структурно-свободного цементита на межзеренных границах, что приводит к по-выгаению концентрации и равномерности распределения углерода в объеме зерен. Формпрованиеув структуре нормализованных среднеуглеродистых сталей с микродобавками бора обусловлено стабилизацией переохлажденного аустенита в перлитной области.

5. Увеличение температуры нагрева углеродистых и низколегированных сталей под закалку на 00-100 °С по сравнению с используемыми в производственной практике и применение в качестве охлаждающей среды води (вместо масла) способствуют повышению равномерности распределения бора и других легирующих элементов и формированию однородной мартепситной структуры. Средний размер субструктурных фрагментов мартенсита при этом почти не изменяется, а плотность хаотичных дислокаций ло сравнению со "стандартной" закалкой существенно возрастает (для стали ЗОХРА с 2,3 • 10^® до

1,2 • 1011 си-2].

f. Высокотемпературная закалка способствует повышению устойчивости стали против разупрочнения'при отпуске, наиболее отчетливо выраженном, в борсодержащих сталях, для которых температурные границы процессов, протекающих при среднем и высоком отпуске, смещаются на ~ СО °С. '.!аксимальный эффект от введения в стали бора проявляется при содержании углерода ~0,2 % и температурах отпуска ~650 °С. Комплексное легирование бором и марганцем дополнительного повышения устойчивости сталей против разупрочнения при отпуске не обеспечивает.

7. Установлен механизм влияния микродобавок бора на повышение устойчивости сталей, подвергнутых высокотемпературной закалке, против разупрочнения при отпуске. Высокая дисперсность и повышенная термическая стабильность выделений карбоборидной фазы, образующихся на начальных этапах распада мартенсита, препятствуют их коагуляции и тормозят развитие полигонизации. Сформирован- . пая при высоких температурах отпуска устойчивая полигональная структура, заблокированная дисперсными частицами, сдерживает'ре-кристаллизацию феррита. После закалки по "стандартной" технологии микродобавки бора практически не влияют на распад мартенсита при отпуске.

8. Разработана методика выявления границ зерен аустенита в бореодержащих сталях и сплавах, основанная, на авторадиографической идентификации сегрегация бора, формирующихся на межзеренных границах в аустените при замедленном охлаждении, и обеспечивающая повышение точности, снижение трудоемкости и возможность автоматизации измерений.

9. Рекомендованы оптимальные режимы термической обработай углеродистых и низколегированных конструкционных борсодержащих сталей, заключающиеся в повышении температур нагрева под закалку на 60-100 °С и использовании более энергичных охлаждающих сред, что обеспечивает повышение ударной вязкости сталей в низкоотпу-щенном состоянии на 25-ЭЭ % при сохранении прочностных и пластических характеристик на уровне, соответствующем термической обработке по "стандартному" режиму. При отпуске после высокотемпературной закалки на одинаковую твердость ударная вязкость стали 12Г1Р превышает аналогичную характеристику стали 10Г2 в 2,2 раза.

10. На базе выполненных исследований и опытно-промышленной апробации совместно с ШШАТ1.1 предложена замена сложнолегированной, получаемой по импорту стали типа ЮГЕМ, используемой на УАЗе для производства деталей методом холодной объемной штамповки, на сталь ЗОПР, обеспечивающая годовой экономический эффект 25 тыс.руб.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Архангельский СЛ., Тихонова И.В.,Жабо Л.В., Ларичева Г.Г. Вклад процесса взаимодействия дислокаций с атомами углерода в упрочнение стали при закалке // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов / ТЛИ - ТУла, 12Б5. - С.97-100.

2. Кузьмина Н.Е., Ларичева Г.Г., Матова Е.". Влияние высокотемпературной закалки на структуру и мехатгческие свойства стали

ЗОХРА //-Механизмы упрочнения и свойства металлов / ТулПИ - Тула, 1988. - С. I59-IC4.

3. Гринберг Е.М., Ларичева Г.Г. Влияние бора на структурооб-разование углеродистых и низколегированных сталей при отжиге // Роль дефектов кристаллической решетки в процессах структурообразо-вания сплавов / ТулПИ - Тула, 1989. - С. 140-144.

4. Гринберг Е.М., Кузьмина Н.Е., Ларичева Г.Г. Изучение перераспределения бора в процессе отпуска закаленной стали методом трековой радиографии // Матер. II Всесоюзной школи-семипара по твердотельным трековым детекторам и авторадиографии: Тез.докл.Всесоюз. школы семинара 1-7 июня 1989. - Одесса, 1989. - С.28.

5. Гринберг Е.М., Кузьмина Н.Е., Ларичева Г.Г. Оптимизация режимов термической обработки борсодержащей конструкционной стали// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез.докл.1У Всесоюз. науч.-техн..кон®. II—14 октября 1989. - Запорожье, 1989. - С.25.

6. Миропник E.G., Ларичева Г.Г. Распределение бора и прокали-ваемость по высоте слитка сталей 12Г1Р и 20Г2Р конверторной выплавки // Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов: Тез.докл.Всесоюз.науч.-техн. конф. молодых ученых и социалистов 19-21 марта 1990. - Тула. 1990.-

С. 96.

Подписано к печати 08.10.90. . формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типогр. № 2. Офсет.печ. Усл.печ.л.1,09. Уч.-изд.::.0,95, Тираж 100 экз. Заказ Гй 1058. Бесплатно.

Издано в Тульской ордена Трудового Красного Знаыени политехнической институте. Тулз,ул-Б°лДина«151. Отпечатано на ротапринте в ТулПИ.