автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка метода повышения сопротивления хрупкому разрушению высокопрочных конструкционных сталей мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением

Р Г Б ОД

На правах рукописи

1 о ?: • т , • -г ------------- ----------------------

I О ¡.¡>\<1 -------у

ПЛОШ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ МАРТП1СИТНОГО КЛАССА С КАРБИДНО-ИНТЕШЕТАЛЛИДНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ.

Специальность 05.16.01.- Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1097 г.

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете имени Н.Э. Баумана

Научный' руководитель •.

доктор технических наук, профессор А.Г. Разштадт

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор физико-математических наук профессор М.А. Штремель кандидат технических наук, доцент В.Н. Климов

ЗАО " Климовский машиностроительный завод"

Защита состоится 1997 года на заседании

диссертационного совета К 053.15.13 Московского Государственного Технического Университета им.Н.Э. Баумана по адресу: 107005,Ыосква 2-я Бауманская,5

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре,заверенный печатью просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.' Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: 2^7-09-63

Автореферат разослан "года.!

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ^ Щ^^^ШЬш И.Н.

Подписано к Печати ¿6. М. /М?г. Объем 1 п. л. тираж 100 экз. Заказ Н° , Ротал, гат МГ.ТУ им. Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Создание высокопрочных конструкционных сталей"является-одной из актуальных проблем современного металловедения, поскольку применение подобных материалов"не-только-- обеспечивает существенное снижение габаритно-весовых параметров различных машин и механизмов, но в ряде случаев позволяет осуществить принципиально новые конструктивные решения при разработке ответственных изделий.

Несмотря на серьезные успехи в разработке высокопрочных конструкционных сталей, достигнутые при осуществлении различных схе-м .комбинированного упрочнения, эту проблему нельзя считать вполне решенной.Как известно, повышенная склонность к хрупкому разрушению конструкционных сталей особс высокой прочности' (бв~ С4С0 Жп) в которых осуществляется ыногофакторное блокирование дислокаций," сдерживает в настоящее время их применение. Тем не менее,существуют определенные предпосылки для ослабления охрупчивэтая в высокопрочных конструкционных сталях. Они связаны с возможностью повышения энергоемкости процесса разрушения за счет совершенствования структурного состояния стали,в частности, уменьшения объемной доли частиц неметаллических включений, первичных избыточных карбидных или интерметаллидных фаз, увеличения их дисперсности, предотвращения образования зернограничных сегрегаций примесей или выделений частиц упрочняющих фаз, повышения Фрагментированности микро- и субструктуры мартенситной матричной фазы.Для реализации перечисленных направлений совершенствования структурного состояния высокопрочных сталей могут быть рекомендованы два подхода, основанные на Использовании соответствующих малых добавок легирующих компонентов, _ а также эффекта фазового наклепа аустенита при проведении' закйлки." Преимущества подобных рекомендаций для сталей конкретного состава состоят в том, что они не сопряжены с применением пластической деформации, не затрагивают базовой системы легирования,-а следовательно и уровня достигнутого упрочнения.

Цель работы Исследование и разработка новых подходов совершенствования структурного состояния высокопрочных конструкционных сталей мартенситного класса, способных обеспечить повышение их сопротивления разрушению, которые основаны на использовании комплексов .малых добавок разных, типов, а также явления структурной наследственности и специфики структурйых превращений в фазонакле--.....................I

паяном аустените при проведении закалки.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния малых добавок рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего типа при раздельном и комплексном их использовании на характер разрушения и механические свойства сталей мартенситного класса с карбидно-интерметал-лидным упрочнением типа 25Н12Ы6К10.

2. Разработан,принцип использования малых добавок разных типов в едином комплексе,позволяющий эффективно сочетать их рафинирующее .модифицирующее и микролегирующее действие в сталях.

3. Для стали типа 25Н12М6К10 разработан комплекс малых добавок , вкючающий рафинирующие, модифицирующие и микролегирующие злемекты(МЬ,Се,В.Ме), который обеспечивает при сохранении достигнутого уровня прочности (2400 Ша) повышение характеристик вяз. кости разрушения.

4. Установлены закономерности протекания обратного а - г превращения в сталях исследуемого типа в зависимости от исходного структурного состояния,а также параметров нагрева при аустенити-вации, на основании которых определены условия реализации в этих сталях полной структурной наследственности и формирования фазо-наклепанного аустенита.

5. Установлены закономерности влияния условий аустенитизации на степень фазового наклепа аустенита и кинетику его рекристаллизации, которые позволили разработать для стали типа £uH12M6K10 режимы закалки, гарантирующие формирование Мартенситной матрицы с различной микро- и субструктурой.

Практическая ценность Для высокопрочных сталей .мартенситного класса с карбидно-интерме таллидным упрочнением типа 25Н12М6К10 разработан комплекс малых добавок,включающий по расчету церий ( -0,07 X),ниобий 0,03 Z),6op (0,005-0,007 %),магний 0,05 %).Использование указанного комплекса малых добавок при выплавке стали (сталь типа 25Н12М6К10БРМг(Ч)) обеспечивает при сохранении достигнутого уровня прочностных свойств (бв -2400 Ша.бо, 2-2150 Ша) повышенные характеристики пластичности и ударной вязкости (соответственно 5-4,5?.. ф-30%, KCU-240 -300 кДк/ы2, КСТ~70 кДж/м2). При этом чязкость ра^рушенп Kic возрастает - на 2SZ и составляет 115 - 120 Ша м1/к'. Определены оптимальные условия аустенитизации этой стали,учитывающие широкий диапазон габаритов предполагаемых изделий.

Сталь типа 25Н12М6К10ёРМг(Ч> по сочетанию значений предела

текучести бо, 2 и вязкости разрушения Кю превосходит практически все известные высокопрочные конструкционные стали и обладает тем дополнительным преимуществом,что указанный комплекс свойств в ней реализуется без применения-пластической деформации. Ото обстоятельство, а также глубокая прокаливаемость,отсутствие теплового — - ... охрупчивания позволяют использовать ее и для крупногабаритных деталей. По заключению предприятия-Заказчика - фирмы "Металл" НПО "Композит" сталь типа 25Н12М6К10БРМг(Ч) рекомендована для промышленного опробования в качестве материала для изделий новой техники.

Апробация работы Основные результаты работы долог^ны на научно-практических семинарах:" Структурообразование при горячей деформации" в ЦЩТП,Москва, 1991 ¡"Новые стали и сплавы,режимы их термической обработки" в ЛДНТП, Ленинград, 1991;"Термомеханичес-:-' кая обработка металлических материалов" в ЦРДЗ, Москва, 1992.

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем_работы Диссертация состоит из введения,5 г ав и основных выводов,изложена на 266 страницах машинописного текста,содержит 41 рисунок, 18 таблиц и библиографию из 138 источников.

■••■'• СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы повышения характеристик эксплуатационной надежности высокопрочных конструкционных сталей.Указывается,что эффективный подход к ее решению,при условии сохранения достигнутого уровня прочности,состоит в совершенствовании структурного состояния стали путем использования малых добавок легирующих элементов различного механизма действия,а также за счет оптимизации условий проведения закалки.В качестве основного объекта исследования была выбрана сталь типа 25Н12М6К10, в которой высокопрочное состояш'е ( бв ~ 2400 МПа) реализуется при термической обработке за счет нескольких факторов: фазового наклепа при мартенситном превращении,развития упорядочения по типу Ге-Со в мартенситной матрице и совместного выделения в ней карбидной (МогС) "И интерметаллидной (ГегМо) упрочняющих фаз.

Сформулированы задачи исследования.*}

В первой главе дан обзор имеющихся в научной литературе дан-

"'При постановке задач исследования ценные замечания были даны . ... .д.т.н. М.Д.Перкасом (ИМФ ЦНИИЧМ им.И.П.Бардина)

■ ■ ■ • • "" ' ......■":"•" ■"■"■ ■ ■■.....-...... ... з •.....

ных,посвященных анализу структурных аспектов хрупкого разрушения высокопрочных сталей.

Рассмотрены основные положения механики разрушения конструкционных материалов,которые позволили сформировать принципиальные физические представления о микроыеханизмах еязкого и хрупкого разрушения и определить основные направления. по которым может идти решение задачи повышения сопротивления хрупкому разрушению применительно к высокопрочным сталям.

Установлено, что для многих высокопрочных конструкционных сталей существуют определенные резервы повышения характеристик надежности.Детальный анализ выявил структурные факторы,предопределяющие характер поведения станей при разрушении, и с их уче,том позволил смоделировать применительно к высокопрочным вторичнот-вердеющим сталям мартенситного класса наиболее оптимальное структурное состояние,способное ослабить или нейтрализовать склонность таких сталей к хрупкому разрушению.

В качестве наиболее перспективных определены два подхода к совершенствовании структуры высокопрочных сталей.

ПерЕый из них основывается на известных литературных данных о положительном влиянии микродобавок рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего действия на характеристики сталей, определяющие их сопротивление хрупкому разрушению. С учетом этого 'факта значительный интерес представляет опробование новой идеи использования в едином комплексе эффективных м?тых добавок развах типов с тем,чтобы ослабить витание тех структурных факторов,которые в исследуемой стали являются концентраторами напряжений, и облегчают зарождение и распространение ,трещин.

Второй подход реален для легированных сталей мартенситного класса и осноЕан на использовании явления структурной' наследственности при а •* V превращении, которое "в этом случае завершается формированием фазонаклепанного аустенита.В такой ситуации при . проведении закалки сталей возможно формирование аустенита с раз-, личной микро- и субструктурой,- наследуемой затем мартенситом.Это обстоятельство открывает перспективы ' оптимизации структурного . состояния мзртенситной матричной ■ фазы,что также принципиально . важно для сопротивле*. тя хрупкому разрух .нию сталей исследуемого типа. ■ • .':"■'' ■ "

С учетом этих представлений в", рамках двух указанных подходов конкретизировании задачи .исследования. '•'

"Во второй главе дано обоснование выбора в качестве' основного ' 4- ■'...".■ , ' ^ -' . '. ' ■'

объекта исследования высокопрочной конструкционной стали типа 25H12MSK10.Изложены основные принципы,которыми руководствовались при выборе малых добавок легирующих элементов для указанной стали. .

На основании литературных данных в контексте-рассматриваемой" проблемы показана целесообразность использования малых добавок компонентов, способных дополнительно рафинировать расплав.Наиболее ванными при выборе добавок этого типа являются термодинамические показатели образования соединений с газами,удаляемыми при, выплавке стали,их высокое химическое сродство к другим Ередным примесям и склонность к активному шлакообразованию,ведущему к удалению неметаллических включений из ' жидкого металла.Сделано заключение ,о лредпочтйтельноы использовании цср:ш в качестве ра-. финирующего элемента для сталей рассматриваемой систсж.

Основным критерием при выборе малых добавок модифицирующего действия может служить их адсорбционная активность по отношению к свободным поверхностям зародышей,возникающих при кристаллизации рзсплава. Вместе с тем-, различные механизмы модифицирующего влияния малых добавок предполагают широкий экспериментальный поиск наиболее эффективной добавки для сталей данной системы легирования. Так по. литературным данным эффективность малых добавок ниобия обусловлена образованием карбидных частиц и дополнительных целтров кристаллизации,циркония - дендритоблокирующкм действием, церия - влиянием на морфологию неметаллических включений. Отмечено модифицирующее действие бора и, особенно,меди,способной ослабить микро и макроликвацию и формировать беспористую мелкокристаллическую структуру слитка.

Важным признаком при выборе микролегирующих добавок является их адсорбционная активность по отношению к внутренним поверхностям.- .межфазным, и межзереннш границам,что позволяет, предотз-, ратить образование охрупчивавдих сегрегаций примесных атомов и зернограничных выделений. Анализ экспериментальных данных и различных . .расчетных критериев показал,что в сталях системы Fe-C-Hi-Со-Мо поверхностную активность могут проявлять несколько элементов,из которых , для оценки влияния были выбраны магний,церий, цирконий, бор.

Таким образом на основании литературных данных в качестве малых добавок,для стали типа 25H12MSK10 были отобраны б компонентов (Nb,Cu,Zr,Ce,B,Mg ), среди которых в соответствии с прогггозкруе- ' мым влиянием могут присутствовать элементы,способные в исследуе-

мой стали оказать рафинирующее.модифицирующее и(или) микролегирующее действие.

Гта проведения исследования были выплавлены 2 серии плавок стали типа 25Н12М6К10 (см. табл.)

Таблица

Химический состав исследованных сталей

№ п/ Обозначение стали 1 Содержание элементов, % (по массе)

С Ш МО Со № Си Микро-*' добавки

1 2 о о 4 5 6 25Я12Ы6К10Е 25Н12М6К10ЕД 25И12МоК10ЕДЦ 25Н12М6Г.10ЕД (Ч) 25Н12М6К10ЕДМГ 25Ш2М6К10ВДР 0.25 0,25 0,22 0,24 0,26 0,22 12,3 12,1 12,1 •12,1 12,1 12,1 6,5 6,1 6,2 5,9 6,2 6,1 11.4 11.5 11,4 11.4 11.5 11,4 0,03 0,03 0,025 0,03 0,03 0,03 0,17 0,26 0,24 0,27 0,18 гг-0,01 Се-0,07 Мг-0,05 В -0,005

7 8 9 10 11 25Н12Ы6К10Б(Ч) 25Н12М6К10ЕЧ(Ч) 25Н12М6К10БР(Ч) 25Н12М6К10БМГ(Ч) 25Н12М6К10БРМГ(Ч 0,23 0,25 0,26 0,256 0,245 12,0 12,0 12,ОЕ 12,0! 12,0! 6.5 6,57 6.6 6,4 1 6,5 11,1 11.0 11,1 11.1 11,0 0,037 0,035 0,040 0,035 0,035 — Се-0,07 Се-0,15 Се-0,07 В-0,005 Се-0,07 Мг-0,05 Се-0,07 В-0,005 Мз-0,05

по' расчету

Примечание:

(Ч) - Се в количестве 0,07 % (для раскис, эния), 4(4) - Се в количестве 0,15 7. (для раск-ол чия и микролегирования).

Состав плавок первой серии (№ 1-6) позволил выявить преобладающие механизмы влияния каждой малой добавки. В плавках второй серии (№ 7-11) были использованы различные сочетания . наиболее эффективных малых добавок разных типов,на основании которых раз-, работай для исследуемой стали их оптимальный комплекс.

Опытные плавки стали типа 25Н12М6К10 выплавляли в вакуумной индукционной печи из чистых шихтовых материалов.Слитки подвергали гомогенизирующему отжигу при 1100 °С,в течении 5-7 часов,ковали при 1150-850 °С на заготовки,из которых после смягчающего отжига по специально разработанному режиму изготавливали образцы для исследования. ' •.

С целью установления степени однородности распределения малых добавок'е объеме слитков,с помощью различных методов прецизионного химического анализа было определено' фактическое содержание малых добавок легирующих элементов в отдельных плавках.' 6 .

Закалку образцов (кроме специально оговоренных случаев) проводили в соляных ваннах ;отжиг и отпуск - в'лабораторных электропечах.

Для решения поставленной в работе задачи применяли методы дилатометрического, дифференциального термического,рентгеноструктур-ного.микрорентгеноспектрального анализа; световую, просвечивающую (с использованием метода фольг) и растровую электронную микроскопию;. определение механических свойств при статическом растяжении и ударном изгибе (при разных температурах );испытания на вязкость разрушения.

Третья глава посвящена разработке комплекса малых добавок легирующих элементов для высокопрочных конструкционных сталей типа 25Н12М6К10 с карбидно-интерметаллидкым упрочнением.

Учитывая специфику исследуе1,.л"5 стали (ее химический состав, применяемую термическую обработку и механизмы упрочнения реализуемые в ней) актуальными являются три проблемы, которые можно решить- путем применения малых добавок', - это проблем"1 качественного раскисления (рафинирование расплава); проблема ликвации молибдена и диспергирования частиц первичных карбидных фаз (модифицирование расплава); проблема усиления межзеренного и межфазного сцепления '(микролегирование ).■■ Важным представлялось то, что малые добавки каждого типа, действуя избирательно на определенные аспекты структурного состояния стали,в принципе могут сказать согласованное положительное влияние на ее сопротивление хрупкому разрушению.

Применение этого подхода к совершенствованию структурного состояния сталей типа 25Н12М6К10 на первом этапе исследований предполагало оценку фактического влияния отобранных малых добавок на структуру и свойства стали, выбор наиболее эффективных добавок каждого типа, а затем опробование различных сочетаний малых- добавок разных типов при их одновременном введении в сталь.

По понятным причинам прямое экспериментальное определение ха-

*'При проведении ряда исследований принимали участив А.Ф. Ед-* нерал, В.В. Русаненко,. В.А. Федоровчч (ДНИИЧМ им. И.П. Бардина), Г.А. Кувшинов, А.Н. Кобылкин (ИМЕТ АН им. Байкова), A.B. Кан (НПО "Композит), которым автор.выражает глубокую благодарность/ ,,.... < А __

' 7

рактера распределения и механизма воздействия каждой малой добавки е исследуемой стали было затруднено из-за микродоз компонентов. Поэтому в исследованиях были использованы различные прецизионные методы, позволившие определить преобладающее влияние каждой малой добавки по ряду косвенных признаков. При проведении экспериментов основное внимание было уделено разработке специальных методических приемов,повышающих информативность методик.

По разнице между расчетной и фактической концентрацией малых добавок в стали, по специфике их влияния на температуры начала плавления и кристаллизации расплава,(определенные методом прецизионного термического анализа),на кинетику роста зерна в аусте-нитной области, а тает.е на равномерность распределения основных легирующих элементов в объеме стали (исследованную методом микро-рентгекоспектрального анализа), сделано заключение о преобладающей роли каждой -малой добавки в процессе структурообразования стали типа 25Н12ШК10:

Установлено, что роль церия сводится к эффективному раскислению расплава, сопровождающемуся уменьшением количества неметаллических включений, а также к измельчению частиц избыточных карбидных фаз, т.е. к рафинированию расплава и к модифицированию (диспергированию) избыточных первичных фаз.

Влияние ниобия и меди в исследуемой стали можно квалифицировать как модифицирующее, но очевидно при различном механизме воздействия на процесс кристаллизации расплава.

Роль циркония в с-эл" исследуемой системы легирования однозначно не определена,хотя были выявлены признаки его поверхностной активности по отношению к границам зерен, но она характерна только для очень высоких температур нагрева ( вблизи температуры плавления исследуемой стали).

Установлено, что магний в ' стали типа 25Н12М6К10 оказывает многостороннее действие. Как и бор, магний-является адсорбцион-но-активным компонентом и оказывает микролегирующее действие. Кроме того магний рафинирует расплав, а также способствует формированию более дисперсных карбидных частиц, что дает основание считать его'и модификатором избыточных первичных фаз. .

Изучено влияние каждой из выбранных малух добавок на свойства стали типа 25И12М6КЮ после закалки и упрочняющего отпуска и установлены наиболее эффективные малые добавки,, а также те структурные факторы,.которые в наибольшей степени определяют сопротивление стали хрупкому разрушению. Наиболее существенным для иссле-8

дуемой стали оказалось дополнительное рафинирование расплава и модифицирование частиц избыточных карбидных фаз, которые реализуются при использовании малых добавок церия и магния.

Признано"полезным -также.для повышения сопротивления хрупкому разрушению модифицировать расплав исследуемой"- стали' ниобием -и -проводить микролегирование стали бором и магнием.

Установлено,что между перечисленными наиболее эффективными малыми добавками нет признаков конкуренции в сторону ослабления их влияния при совместном введении в сталь, что дало основание для использования этих малых добавок различного типа действия в едином комплексе. . .

" Проведено сопоставление влияния различных сочетаний отобранных малых добавок при их совместном введении в составе комплекса на свойства стали после закалки и упрочняющего отпуска. Устанев- • -лено, что наиболее эффективным для исследованной стали типа 25II12M6K10 является комплекс, содержащий четыре компонента при , . следующих расчетных концентрациях: ниобий - 0,03 X, церий - 0,07 %, магний - 0,05 %. бор - 0,005 X. Показано, что благодаря включению в coctl.3 единого комплекса малых добавок рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего действия в исследуемой стали .(сталь типа 2БШСМбК10БРЫг(Ч)). наблюдаются при достигнутом уровне прочностных свойств (б'ь - 2400 !'Пз, б о, 2 2150'I.ffla) полностью, вязкий характер излома и достаточно Еысокие показатели пластичности (б - ' ф - 27%). Разработанный комплекс малых добавок обеспечил *акже увеличение характеристик сопротивления хрупкому разрушению ( KCU ~ 300 кДж/м', KCV - 60 кЯж/м2) по сравнению со сталью базового состава.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей протекания фаговой и структурной перекристаллизации при нагреве стали типа 2'5"12М6К10. "'"' .......

Определенные ресурсы повышения сопротивления'хрупкому разру--.. шении сталей мар^енситного класса,особенно дисперсионнотвердеющлх связаны с оптимизацией,структурного состояния мартенситной матрицы.В частности, на вязкость разрушения стали типа 25H12U6K10. меж-^ но повлиять путем увеличения•протяженности границ бывших аусте-ннтных зерен, поешйния фрагментированнссти мартенситной структуры, увеличения плотности дефектов в мзртенситнш кристаллах'. Реализация этих структурных факторов непоерг ственкым образом зависит от осиоезшостей структурного состояния -аустенита формирующегося., при нагреве стали под закалку, воздействовать на которое Сне

применяя пластическую деформацию) можно только используя эффект фазового наклепа, возникающего при обратном сг -♦ у превращении. Поэтому образование при нагреве под закалку фазонаклепанного аустенита в принципе могло бы создать предпосылки для целенаправленного воздействия на структуру закаленной стали и тем самым решить проблему ее оптимизации.

Детальный микроструктурный анализ исследуемой стали выполненный, с привлечением ряда модельных составов позволил установить, что- обратное а-г превращение в стали типа 25Н12М6К10 развивается в условиях полной структурной наследственности. По совокупности признаков.было-доказано, что аустенит , образующийся при нагреве стали, является фазонаклепанным, причем независимо от ее исходного состояния и скорости нагреЕа.

Проведен' анализ структурных превращений в фазонаклепанном аустените при кагреЕе стали выше температуры Ак(850 °С) и показано, что фазовый наклеп в данной стали характеризуется высокой устойчивостью вплоть до-температуры 1050 °С, при которой начинается рекристаллизация аустенита путем миграции границ зерен. В итоге, дагрев стали до рекомендуемой температуры закалки 1100 - 1120 °С сопровождается формированием, смешанной (полигонизованной и рекристаллизованной) структуры аустенита, в которой объемная доля рекристаллизованных областей составляет,как правило,20 - 40 %.

С применением методики прецизионного дилатометрического анализа установлена четкая корреляция между температурой начала процесса рекристаллизации фазонаклепанного аустенита и началом ин-. тенсивного растворения частиц карбида молибдена, которая объясняет независимость температуры начала рекристаллизации аустенита в данной стачи от других факторов, включая применение малых добавок поверхностно-активных компонентов.

Установлен характер в.* 'яния структурных превращений в фазонаклепанном аустените на структурное- состояние мартенситной матрицы закаленной стали типа 25Н12М6К10. Предотвращение рекристаллизации фазонаклепанного аустенита пу-ем миграции границ .позволяет сохранить чсходную мелкозернистую структуру, характерную для горячего проката, и получить наиболее фрагментированный мартенсит. Начальные стадии рекристаллизации фазонаклепанного аустенита характеризуются формированием зубчатых (извилистых) границ верен. Миграция границ•зерен на значительные расстояния сопровождается ростом зерна и огрублением мартенситной структуры в целом. Таким обрагом, было показано, что воздействуя на структурные превраще-

""Л

ния в фазонаклепанном аустените'можно целенаправленно я в широких пределах управлять структурой закаленной стали.

Были определены факторы, влияющие на склонность фазонаклепан-ного аустенита в стали типа 25Ш2ШК10 к рекристаллизации путем миграции границ зерен,С привлечением дилатометрического-и мик- — роструктурного анализа установили, что можно полностью,предотвратить рекристаллизацию аустенита при проведении закалки от оптимальной температуры 1100 - 1120 °С, если использовать замедленный (с печью) или ступенчатый нагрев (с выдержкой при 1000 °С). В то же время интенсификация рекристаллизационных процессов в фазонаклепанном аустените стали типа 25Н12М6К10 достигается путем применения многократной аустенитизации. Достаточно 3-х кратного нагрева при загадочной температуре, чтобы обеспечить протекание рекристаллизации фаеонаклепанного аустенита во всем объеме стали.

- Таким образом, в результате проведенных исследований были разработаны условия закалки исследуемой стали, позволяющие при .. ■ одинаковой температуре и длительности окончательного нагрева (1100 - 1120 °С) сформировать во всем объеме стали структуру по-лигонизованного, частично или полностью рекристаллизованного аустенита, а после охлатщения получить мартенситную матрицу, различающуюся по состоянию границ зерен и степени фрагментированности микро- и субструктуры. •-■•■..

Пятая глава посвящена исследованию свойств стали типа 25Н12М6К10 после различных вариантов аустенитизации.

Уста' эвленные выше закономерности формирования различной микро- и 'субструктуры аустенита в зависимости от условий аустенитизации стали типа 25Н12М6К10 позволили выяснить влияние особеннос-' тей структурного состояния ее мартенситной матрицы на механические свойства, причем не только после закалки, но и после упрочняющего отпуска, - .....

Определение механических свойств стали базовою состава типа 25Ш2М6К10 в зависимости кратности закалит при температуре 1100 - 1120-°С было использовано для анализа характера влияния объемной доли рекристаллизованного аустенита, - формирующегося при нагреве стали, iотановили, что от кратности закалки практически не зависит временное, сопротивление закаленной стали (бв ~ 1900 МПа). Вместе с тем предел текучести закаленной стали снижается . пропорционально полноте рекристаллизации р-'стенита (соответственно от 1500 ' з 1300 Ша) и увеличиваются показатели относительного сужения ( от 40 до 50 % соответственно) при неизменном значении '........ .......................... ... .. II

показателей относительного удлинения (б - 9%). При этом выявлена отчетливая тенденция снижения показателей ударной вязкости закаленной стали (от 390 до 300 кДж/м2), которая сохраняется и после проведения упрочняющего отпуска при 500 °С.Ухудшение значений ' ударной вязкости исследуемой стали по мере развития рекристаллизации фазонаклепанного аустенита отражает специфику процесса, идущего путем миграции границ и сопровождающегося ростом зерен. Эти исследования позволили сделать заключение о нецелесообразности использования многократной аустенитизации для стали типа 2БН12Н6К10.

Для стали исследог .иного типа рекомендуется использовать однократную ауетенитизацию при температуре 1100 - 1120 °С, которая позволяет либо полностью предотвратить рекристаллизацию фазонаклепанного аустенита, либо локализовать этот процесс в приграничных областях зерен. Влияние условий нагрева при однократной закалке на механические свойства было рассмотренно на примере стали типа 251112!,КЖЮВРМг(Ч), при выплавке которой использовался разработанный комплекс малых добагок всех трех типов. Выбранные для сопоставления режимы нагрева при закалке характеризовались следующими особенностями аустенитной структуры:

1-ступенчатый нагрев в соляной ванне до 1'100 - 1120 °С (изотермическая выдержка при 1000 °С ,10 мин) сохраняет во всем объеме

4 стали полигонизованный фазонаклепанкый аустенит и наиболее мелкозернистую структуру ( Дз 10 - 11 мкм ; с гладкими границами зерен; ' ' .

2-кепрерывный нагрев в соляной ванне до 1100 - 1120 °С формирует частично рекристаллизованный аустенит с размером зерна до 16 мкм и преимущественно извилистыми границами зерен;

В результате проведенных исследований было установлено, что однократная ау-тенитизация при 1100 -1120 °С независимо от условий нагрева ( непрерывного или ступенчатого) действительно-обеспечивает в высокопрочном состоянии (бв ~ 2400 Ша) наиболее высокий уровень ударной вязкости ( KCU-300- 240 кДж/м2, KCV-60 -67 кДж/м2) и вязкости разрушения (Кю- 115 - 120 Ша м1/2). При этом вариант ускоренного нагрева имеет преимущество по ударной вязкости КСУ , а вариант ступенчатого нагреЕа - по ударной вязкости KCV и вязкости разрушения Kic. Рекомендуемый режим аустенитизации яе-ляется технологичным и достаточно универсальным,посколысу гарантирует достижение высокого комплекса- сеойств в \ст'али типа С5Ш2М5К10 практически независимо от размеров конкретных дета-12 .

лей.

Таким образом применение разработанного комплекса малых доба-еок,включающего церий 0,07 %),ниобий (~ 0.03 %),Сор

~(0,005-0,007 X),магний 0,05 Z),а так же рекомендованных условий аустенитизации обеспечивает" в'стали тип& 25Н12М6К10БРЩЧЧ).. .■при сохранении достигнутого уровня прочностных свойств (б3 ~2400 МПа.бо. 2-2150 Ша) повышенные характеристики пластичности и ударной вязкости (соответственно 5-4,5%, ф-30%, KCU-240 - 300 кДж/м2, KCV~70 кДж/мг). При этом вязкость, разрушения Кю возрастает ~ на 25% и составляет 115 - 120 Ша м1/2. ■ - - Разработанная сталь типа 25Н12МбК10БРМг(Ч) по сочетанию значений предела текучести 6q,z и вязкости разрушения Kic превосходит. практически все- известные высокопрочные, конструкционные стали мартенситного класса и обладает тем преимуществом, что указанный комплекс свойств в ней реализуется без применения дополнительной 1 пластической деформации. ■

Сталь типа 25Н12МбК10БРМг(Ч) по заключению предприятия-Заказчика - фирмы "Металл" НПО "Композит" рекомендована для промышленного опробования в качестве материала для изделий новой техники. - ,

ОСНОВНЫЕ В№0ДЫ ' ■ , ......

1. Разработан метод повышения сопротивление хрупкому разрушению высокопрочных конструкционных сталей мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением типа 25Н12М8К10,основанный на использовании в едином комплексе малых добавок рафинирующего,

' модифицирующего и микролегирующего действия.

2. Проанализированы структурные аспекты разрушения высокоп-. ' рс.-них "сталей мартенситного класса, в частности исследуемой стали

типа 25Н12М6К10 с кздбидно-ичтерметаллидным упрочнением и-опрело,- . лены.структурные факторы,воздействуя на которые- можно ..повысить сопротивление, хрупкому разрушению. Показано, что применение подобных.) добавок позволяет обеспечить" уменьшение числа и размера неметаллических включений, измельчение избыточных первичных карбидных фаз, более равномерное распределение' частиц упрочняющих фаз по объему стали, усилениемежзеренного и-мёжф&зного сцепления. ....

3. Дл>, стали типа 25Н12ШК10 ", из - предварительно отобранных компонентов (Nb, Си, Се, 1т, В, Mg) с■ применена различных i/eto-"'

лов исследований .по комплексу косвенных признаков выявлены те малые добавки, которые оказали рафинирующее,модифицирующее и микролегирующее действие.

'4. Установлено,что наиболее эффективным для повышения сопро-■ тивления исследуемой стали хрупкому разрушению является дополнительное рафинирование расплава и модифицирование частиц избыточных первичных фаз, которые реализуются при использовании малых добавок церия и магния.Положительное влияние оказывает также модифицирование расплаЕа ниобием и, микролегирование, стали.бором и магнием'.

5. Показано, что благодаря включению в состав единого комплекса малых добавок рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего действия в исследуемой стали (сталь типа 25Н12МбК10БРМг(ч)) реализуется при сохранении высокого уровня прочностных свойств (бь ~ 2400 Ша) полностью вязкий характер разрушения и достигаются более Еысокие показатели свойств пластичности.

6. Экспериментально доказано, что обратное" а ■* т превращение протекает в стали типа 25Н12М6К10 в условиях полной структурной наследственностью, благодаря которой образующийся аустенит оказывается фазонакдепанным независимо от исходного состояния стали и скорости ее нагрева при аустенитизации.

7. Показано, что фазовый наклеп аустенита в исследуемой стали отличается высокой термической устойчивостью и поэтому сохраняется вплоть до температуры 1050 °с. Процесс рекристаллизации фазонаклепанного аустенита протекает путем миграции границ зерен и его нзчало непосредственно связано с растворением в аустените частиц карбида молибдена.

8. Установлено,что устойчивость фазонаклепанного аустенита в исследуемой стали,а так же механизм и кинетика его рекристаллизации не зависят от присутствия в стали, малых добавок различных типов.

9. обоснован и практически реализован новый подход к оптимизации структуры закаленной стали, ".ото^ый предполагает использование эффекта фазового наклепа для целенаправленного воздействия на микро- и субструктуру аустенита при нагреве стали под закалку.

10. Установлено, что протекание рекристаллизации в фазонакле-панном аустените сопровождается увеличением среднего размера зерна и формированием, менее фрагментированного мартенсита. Предотвращение рекристаллизации позволяет сохранить, полигонизованный аустенит с наиболее мелкозернистой структурой (на уровне исходной 14

после горячей обработки давлением) и получить после вакалки наиболее фрагментированный мартенсит.

11. Установлены технологические факторы, влияющие на склонность _ фазонаклепанного аустенита к рекристаллизации в процессе нагрева стали до оптимальной"температуры -закалки (1100. 1120 °С). Показано, что при замедлении нагрева до скорости ~ 20 * 40 °САпш (нагрев с печью) или' при ступенчатом нагреЕе рекристаллизация аустенита путем миграции границ зерен полностью предотвращается.

12. Показано,что при использовании многократной закалки степень фазового наклепа аустенита при « - г превращении в исследуемой стали может быть увеличена что способно значительно интенсифицировать процесс рекристаллизации фазонаклепанного аустенита.

13. Разработаны условия закалки стали исследуемого типа позволяющие при одинаковой температуре и длительности окончательного нагрева (1100 - 1120 °С) сформировать во всем объеме стали структуру полигонизованного, частично или полностью рекристаллизован-ного аустенита, а после охлаждения получить мартенситную матрицу, различающуюся по состоянию границ зерен и степени фрагментирован-ности микро- и субструктуры.

14. Установлено, что наибольший запас вязкости мартенсита в закаленной стали наблюдается в том случае,- если рекристаллизация фазонаклепанного аустенита была полностью предотвращена. После упрочняющего отпуска при равном значении прочности - 2400 Ша наиболее ei ^окий уровень ударной вязкости достигается после однократной' ауетенитизации со ступенчатым или непрерывным нагревом.В последнем случае, который соответствует начальной стадии рекристаллизации фазонаклепанного аустенита, дополнительный положительный эффект оказывает зубчатое строение границ зерен.

' n 15. Установлено,что применение разработанного комплекса малых добавок.включающего церий 0,07 %),ниобий С- 0,03- Х),бор . (0,005-0.007 %),магний (- 0,w5 %).а также разработанных режимов ауетенитизации обеспечивает в стали типа 25Н12М6К10БРМг(Ч) при сохранении достигнутого уровня'прочностных, свойств (бв -2400 Ша.бо. 2-21S0 МПс./" повышенные херактеристш ластичности и ударной вязкости (соответственно 5-4,5%, Ф-30%, KCU-240 -300 кДх/м2. KCV-70 кДж/м2). При этом вязкость разрушения Kjc возрастает - на £5% и составляет 115 - 120 МПа'м1/2.

16. Раг аботанная сталь' типа 25Н1£М6К1СБРМг(Ч) по сочетанию значений предела текучести ( 60.2) и еяекости разрушения ( Кю) . - ... 15

превосходит практически все известные высокопрочные конструкционные стали.По заключению предприятия-Заказчика - фирмы "Металл" НПО "Композит" основанному на результатах проведенных исследований она рекомендована для промышленного опробования в качестве материала для изделий новой техники:

Основные результаты диссертации опубликованы £ работах: •

1. Особенности рекристаллизации фазонаклепанного аустенита в конструкционных сталях с ¡сарбидно-интерметаллидным упрочнением /к."Л.Плохих, 0.М.ХоЕова, А.Г.Рахштадт, М. Д.Перкас // Структурообразо-ванке при горячей дс )ормации:Материалы всероссийского семина-.. ра. -М.:МДНТЯ.1991.-С,63-66.

2.Влияние микролегирования на комплекс свойств высокопрочных конструкционных сталей с карбвдно-интерметаллидным упрочнением /А.Г.Рахштадт, А.Ф.Еднерал, О.М.Ховйва, А.И.Плохих и др.// Новые, стали и сплавы,режимы их термической обработки: Материалы всероссийского семинара. -Л. :ДЦНТП,1991.-С.8-11. .->

3.Влияние условий аустенитизашга на процесс структурообразо-саннч б фазонаклепааном аустените / А.Г.Рахштадт,О.М.Хово-ва,АЛ*.Плох!1х,В.В.Русаненко и др.// Термомеханическая обработка металлических материалов:Мзтериалы семинара.-М.:ЦРДЗ,1992.-С.4-5.

4.Рахштадт А.Г.,ХовоЕа О.М..Плохих А.И. Влияние условий аус-тенитизации на структурные превращения в фазонаклепанном аустени-те и свойства высокопрочной конструкционной стали с карбидно-ин-' терметаллидным упрочнением // МиТСМ.- 1994.- №5.- С. .15-21.