автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Строение и условия формирования промежуточных структур зернистой морфологии в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса

На правах рукописи

Филатов Юрий Александрович

СТРОЕНИЕ И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СТРУКТУР ЗЕРНИСТОЙ МОРФОЛОГИИ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ БЕЙНИТНОГО КЛАССА

Специальность 05.02.01 Материаловедение (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00345374Б

Барнаул - 2008 г.

003453746

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова».

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Чепрасов Дмитрий Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Околович Геннадий Андреевич

кандидат технических наук Земляков Сергей Анатольевич

Ведущее предприятие - ОАО «Алтайский научно-исследовательский институт технологии машиностроения».

Защита состоится 11 декабря 2008г. в 12ш на заседании диссертационного совета Д 212.004.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова». (АлтГТУ) по адресу: 656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46; адрес электронной почты berd50@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова»

Автореферат разослан «Ю» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент

А. А. Бердыченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема повышения прочности тяжело нагруженных деталей и узлов машин из высокопрочных сталей бейнитного класса стоит как никогда остро не только в России, но и за рубежом. Повышение прочности достигается путем легирования дорогостоящими элементами, а также за счет создания неравновесной структуры.

Исследованиями как отечественных, так и зарубежных ученых было установлено, что по сравнению с игольчатыми структурами, такими как мартенсит, верхний или нижний бейнит, структуры зернистой морфологии с глобулярной карбидной фазой, являются более предпочтительными как с точки зрения технологичности, так и ее надежности в эксплуатации, особенно в условиях низких климатических температур. Поэтому, задача получения в машиностроительных деталях из высокопрочных сталей бейнитного класса не игольчатых промежуточных структур, а структур зернистой морфологии, является весьма актуальной.

В настоящее время не создано единой стройной теории бейнитного превращения, которая бы позволила удовлетворительно объяснить ряд экспериментальных фактов, наблюдаемых при распаде аустенита на зернистый бейнит в верхнем интервале температур промежуточного превращения в условиях изотермического распада. Имеющиеся немногочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов, посвященные изучению фазовых превращений аустенита в зернистый бейнит, не раскрывают его природы, а некоторые заключения о формировании промежуточной структуры зернистой морфологии сделаны на основе данных оптической микроскопии и косвенных, а не прямых доказательств, которые не могут быть интерпретированы однозначно.

В связи с этим представляется необходимым и целесообразным комплексно изучить общую и тонкую структуру, фазовый состав и морфологические особенности мезоферрита и зернистого бейнита и на этой основе уточнить условия их формирования в низкоуглеродистых низколегированных сталях в результате изотермического распада аустенита.

Цель работы: Установить природу и условия формирования мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях при изотермическом распаде аустенита и разработать эффективный способ термической обработки конструкционных сталей на промежуточные структуры зернистой морфологии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать методики исследования механизма распада аустенита в промежуточной области на мезоферрит и зернистый бейнит;

2) определить кинетику, механизм и условия формирования мезоферрита и зернистого бейнита при изотермическом распаде аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях;

3) экспериментально установить основные закономерности влияния температуры изотермы, времени выдержки и содержания углерода в стали на морфологию бейнитных структур;

4) разработать способ изотермической обработки на зернистый бей-нит конструкционных сталей бейнитного класса.

Научная новизна. Анализ экспериментальных наблюдений за состоянием полированной поверхности образцов в процессе изотермического распада аустенита и структурными изменениями при изотермических выдержках в интервале температур промежуточного превращения, позволил установить природу и механизм формирования мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса. Показано, что:

- в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса зернистый бейнит, сформировавшийся в верхнем интервале температур промежуточного превращения при изотермических выдержках, представляет собой многофазную композицию с характерным глобулярным строением, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - до-бейнитной (мезоферритной), бейнитной, мартенситной и двух видов карбидов - карбида хрома (РеСг)2зС6 и карбидов железа Ре3С;

- механизм образования а-фазы является смешанным: диффузионный и бездиффузионный. В верхнем интервале промежуточных температур, но не ниже 450 °С, начальный этап распада аустенита протекает по диффузионному механизму с образованием добейнитной а-фазы, названной собственным именем - мезоферрит, зерна которого имеют полиэдрическую (равноосную) форму с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки, близкими к доэвтектоидному ферриту. На полированной поверхности образцов при формировании мезоферрит-ных кристаллов отсутствовал рельеф;

- в нижнем интервале промежуточных температур переохлажденный аустенит по сдвиговому механизму распадается на бейнитную а-фазу. На поверхности нетравленого шлифа наблюдается микрорельеф, как и при мартенситном превращении.

- в верхнем температурном интервале промежуточного превращения основной карбидной фазой, выделяемой из аустенита, является карбид хрома типа (РеСг)2зС6, имеющий округлую форму и вместе с бейнитной а-фазой составляет механическую смесь, названную собственно зернистым бейнитом. Показано, что формирование карбида хрома протекает в результате перераспределения на фронте фазовой у—*а перекристаллизации как атомов углерода, так и атомов хрома.

Практическая значимость. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита, обеспечивающие формирование наиболее благоприятного комплекса механических

свойств по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит.

Экспериментально установлено, что при равной прочности зернистый бейнит обладает в 1,4 раза большей пластичностью и способностью сопротивляться ударным нагрузкам по сравнению с игольчатыми структурами.

На основе анализа полученных результатов исследований на уровне изобретения разработан способ термической обработки конструкционных сталей позволяющий сформировать в изделиях промежуточную структуру зернистой морфологии, обеспечивающую сохранение комплекса механических свойств при полном исключении закалочных деформаций.

Реализация результатов работы. Разработанный способ ступенчатой изотермической обработки был опробован на опытно-промышленной партии в условиях крупносерийного производства пластин многорядных приводных роликовых цепей из стали 24Х2НАч на базовом предприятии ОАО «Геомаш» г. Барнаула. Получены положительные результаты. Разработанный способ рекомендован к внедрению в условиях массового производства деталей приводных роликовых цепей, а также может быть использован на других предприятиях Российской Федерации, выпускающих негабаритные детали машин крупносерийного и массового производства.

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, совпадением теоретических расчетов и экспериментально полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- особенности структуры, кинетики и механизма образования зернистого бейнита в условиях изотермического распада аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса;

- влияние температуры изотермы на кинетику и механизм формирования промежуточных зернистых структур;

- результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств низкоуглеродистых низколегированных сталей со структурой зернистого бейнита;

- особенности изотермической обработки низкоуглеродистых низколегированных сталей бейнитного класса на структуру зернистого бейнита.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (г. Барнаул, 2004);

- Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2004;2005; 2006);

- Научно-практическая конференция «Барнаул на рубеже веков: итоги, проблемы, перспективы» (г. Барнаул, 2005).

- Международная конференция «Сварка и родственные технологии -в третье тысячелетие» (г. Киев, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, работ опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией - 1; 5 статей в сборниках научных трудов; 1 тезисов докладов в материалах международных и всероссийских научно-практических конференций. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ термической обработки конструкционных сталей» по заявке № 2007115377/02(016683) решением от 22.08.08.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 86 наименований, приложения, в котором представлен акт промышленного внедрения работы.

Диссертация изложена на 164 страницах машинописного текста с 73 рисунками и 8 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор литературных данных как отечественных, так и зарубежных авторов. Показано, что к настоящему времени отсутствует однозначное толкование тех структур, которые наблюдаются при промежуточном распаде аустенита, особенно в низкоуглеродистых низколегированных сталях. При этом подчеркивается, что если строение верхнего и нижнего бейнита изучено достаточно полно, в том числе и с применением современных электронно-микроскопических и дифракционных методов, то бейнит зернистой морфологии является малоизученной структурной составляющей.

Показано, что большинство зарубежных авторов считают, что промежуточные структуры зернистой морфологии, так называемый гранулированный (зернистый) бейнит, образуются только в сталях, которые были охлаждены из аустенитного состояния непрерывно, и, что он не может быть образован изотермической обработкой. Однако, в работах Чепрасо-ва Д.П. было показано, что промежуточная структура зернистой морфологии в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса может реализовываться и при распаде аустенита в изотермических условиях. При этом, особенности строения этой структуры остались не изученными.

По результатам литературного обзора были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе обоснован выбор сталей для исследования. Приведены методики исследования механизма формирования структур на установке ИМАШ АЛА-ТОО 20-75, методика исследования кинетики фазовых превращений аустенита при различных температурах изотермы, а также приведены общепринятые методики металлографических, электронно-микроскопических, рентгеноструктурных исследований, методы количественной обработки результатов и методики исследования физико-механических свойств.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач материалом исследования служили стали бейнитного класса с суммарным содержанием легирующих элементов до 3,0 % и с содержанием углерода от 0,1 до 0,4 %.

Для определения механизма промежуточного превращения были разработаны две методики исследования на установке ИМАШ АЛА-ТОО 20-75. Согласно первой состояние полированной поверхности наблюдали на кромках выступов, расположенных в центре шейки образца, форма и расположение которых исключала тепловую деформацию за счет наличия достаточной степени свободы. Вторая методика позволяла наблюдать состояние полированной поверхности исследуемых образцов, размером 5><3Х0,3 мм, свободно лежащих на образцах - нагревателях. В качестве образцов-нагревателей применяли стандартные для ИМАШ АЛА-ТОО образцы. Работоспособность обоих методик была подтверждена отсутствием рельефа при полностью перлитном превращении и наличием формирования рельефа на всей поверхности исследуемых образцов при мартенсит-ном.

Кинетику фазовых превращений аустенита при различных температурах изотермы изучали, используя следующую методику. Образцы для термообработки имели прямоугольную форму и размеры 15><15х6,5 мм. Термическую обработку осуществляли в двух шахтных печах типа СШОЛ. В первой печи в соляной ванне при температуре 870 °С проводили гомогенизацию образцов. Затем образцы переносили (время переноса не более 1 секунды) в щелочную ванну. Температуру в щелочной ванне для каждой новой партии образцов понижали на 30 °С в диапазоне от 580 до 380 °С. Время выдержки каждого последующего образца партии увеличивали, и оно соответственно составляло 10, 30, 60 и 120 секунд. После выдержки в щелочной ванне образцы охлаждали в воде для перевода не распавшегося аустенита в мартенсит. На всех образцах, полученных в результате термообработки, проводили исследование микроструктуры.

При изучении микроструктур использовали современные общепринятые металлофизические методы с привлечением оптической и электронной микроскопий, а также рентгеноструктурного анализа.

Методы испытания механических свойств включали в себя определение прочностных и пластических характеристик образцов, имеющих в

исходном состоянии как структуру зернистого бейнита, так и неравновесные структуры игольчатых бейнитов, мартенсита и продуктов их распада.

В третьей главе приведены результаты исследований фазового состава и особенностей строения зернистого бейнита низкоуглеродистых низколегированных сталей, сформировавшегося при распаде аустенита в промежуточной области в условиях изотермической выдержки. Определены объемные доли структурных и фазовых составляющих, параметры кристаллических решеток а- и у-фаз, типы карбидов, дефектная структура металла.

Анализ изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита показал, что формирование промежуточных зернистых структур возможно в интервале температур верхней части бейнитной области, ограниченного областью перлитного превращения и областью образования нижнего бейнита.

Типичная микроструктура зернистого бейнита приведена на рисунке I. Она состоит из мезоферрнга, образовавшегося на начальном этапе промежуточного превращения (светлые кристаллы), остальная часть - механическая смесь, состоящая из бейнитной а-фазы, в которой присутствуют отличающиеся по размерам карбиды.

Электронной микроскопией и рентгеноструктурными исследованиями показано, что данная структура состоит из трех морфологических составляющих а-фазы добейнитной, бейнитной и мартенситной, а также выявлено наличие двух типов карбидной фазы - карбид железа и карбид хрома.

Рисунок 1 - Оптическое (а) и растровое электронное (б) изображение микроструктуры бейнита зернистой морфологии

Фрагментированный и зернистый мезоферрит, являющийся основной структурной составляющей, имеет четко выраженные границы фрагментов и зерен (рис. 2,а), на микродифракционной картине присутствуют рефлексы только альфа-фазы. В поле кристаллов мезоферрита и по границам как самих кристаллов, так и их фрагментов карбидной фазы РедС не наблюдается. Размеры мезоферритных кристаллов сравнительно большие, в пределах 2000 3000 нм. Размеры фрагментов колеблются от 620 до 1400 нм.

8

шш

* птг.нй/™'

В)

Рисунок 2 - Микроструктура п дифракционные картины фрагмеитированно-го зернистого феррита (а), верхнего бейнита (б) и нижнего бейнита (в), частицы цементита отмечены стрелками

Границы кристаллов и фрагментов не напряжены. Амплитуда кривизны кручения не превышает 500-600 см'1. Скалярная плотность дефектов кристаллического строения мезоферритных кристаллов находится в пределах скалярной плотности доэвтектоидного феррита, формирующегося при распаде аустенита по диффузионному механизму.

Игольчатые промежуточные структуры формируются в нижнем интервале температур, т.е. в интервале температур ниже 450 "С, но выше температуры начала мартенситного превращения. На микродифракционных картинах присутствуют рефлексы а-фазы и карбида железа. В верхнем пластинчатом (реечном) бейните карбиды расположены преимущественно по границам пакетов и реек, рисунок 2,6. В нижнем бейните - внутри пластин, рисунок 2,в.

Исследованиями кинетики распада аустенита было установлено, что полного превращения аустенита на промежуточные структуры не происходит даже при очень длительных выдержках (300 мин). Остаточный аустенит, после прекращения изотермической выдержки и последующего охлаждения, распадается на мартенсит.

В отличие от бейнигной а-фазы. мартенситная имеет четко выраженное игольчатое строение с наличием двойников, Такую морфологическую составляющую ге-фазы следует классифицировать как двойникованный пластинчатый (игольчатый) феррит мартенситного происхождения. Границы двойникованных пластин напряжены. Уровень амплитуды кривизны-кручения кристаллической «-решетки достигает 1350-1400 см"1, что более чем в два раза выше аналогичного уровня решетки мезоферрита.

Плотность дефектов кристаллического строения составляет (7,6-7,8)хЮ10 см"2. Рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования показали, что при изотермической обработке в интервале температур ниже 450 °С наряду с а-фазой в структуре исследуемых сталей присутствует до 13,0 % остаточного аустенита. Содержание углерода в нем составляет 0,5 %, что более чем в 1,5 раза превышает его содержание в исследуемых сталях в исходном состоянии. Остаточный аустенит присутствует в 3-х морфологических формах: в виде прослоек по границам фрагментов а-фазы, в виде отдельных сравнительно крупных зерен, расположенных по границам мезоферритных кристаллов, а также в виде отдельных скоплений между бейнитными пластинами.

Карбидная фаза представлена двумя типами карбидов: Ме2зСб - карбиды хрома (РеСг)23С6 и карбиды Ме3С- карбиды железа (РеСгМп)3С. Частицы специальных карбидов располагаются как внутри добейнитной а-фазы, так и по ее границам. Следует отметить, что специальные карбиды были обнаружены только в структуре, образовавшейся в верхнем интервале температур бейнитной области. При температурах ниже 450 °С карбидов типа Ме2зСб не обнаружено.

В отличие от специальных карбидов, которые имеют глобулярную форму, карбид железа имеет вытянутую пластинчатую форму и располагается как внутри, так и по границам бейнитной пластинчатой альфа-фазы. Такие участки представляют собой структуры верхнего (рисунок 2,6) и нижнего (рисунок 2,в) бейнита. Присутствие карбида (РеСг)2зС6, в исследуемой структуре, можно предположительно объяснить тем, что на начальных стадиях промежуточного превращения наряду с перераспределением углерода происходит и перераспределение хрома. Углерод перераспределяется от фронта фазовой у—>а-перекристаллизации, а хром, наоборот, - к фронту, навстречу углероду. В результате, на фронте перекристаллизации, часть аустенита (его отдельные зерна) оказывается обогащенной как по углероду, так и по хрому. Из аустенита такого состава и происходит выделение глобулярных карбидов хрома. Обедненный низкоуглеродистый аустенит затем претерпевает у—»а-превращение.

Исследованиями установлено, что основными дефектами кристаллической структуры зернистого бейнита являются дислокации, границы фрагментов, реек, пластин, зерен. Величина скалярной плотности дислокаций меняется по фазовым морфологическим составляющим в пределах от 3,0x10ю см"2 до 7,8><1010 см"2. Она имеет наименьшее значение в мезофер-рите и наибольшее - в двойникованном мартенсите. Во всех структурных составляющих тип дислокаций хаотически-сетчатый.

Выполненные комплексные исследования позволили раскрыть и уточнить природу промежуточного изотермического распада аустенита на мезоферрит и зернистый бейнит в низкоуглеродистых низколегированных сталей бейнитного класса.

Показано, что зернистый бейнит есть продукт промежуточного превращения аустенита в условиях изотермического распада. В отличие от верхнего и нижнего бейнита, он имеет характерное глобулярное (зернистое) строение. Первым и непременным условием его формирования является высокая температура промежуточного распада аустеннта, что реализуется в низкоуглеродистых низколегированных сталях, имеющих более высокие температуры бейнитной области, по сравнению со средне- и высокоуглеродистыми сталями.

Установлено, что промежуточные структуры зернистой морфологии представляют собой многофазную композицию, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - добейнитной (мезоферрнтной), бейнитной, мартенеитной, остаточного аустенита и двух типов карбидов: карбида хрома и карбида железа. Структура мезоферритных кристаллов без-карбидна, достаточно релаксирована, равновесна с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки близкими к плотности дефектов и параметрам решетки доэвтектоидного феррита. Это позволяет предполагать, что формирование зернистого бейнита и мезофер-рита в верхней части температур промежуточного превращения шло (по крайней мере, какая-то их часть) не но сдвиговому, а по диффузионному механизму.

Четвертая глава посвящена исследованиям кинетики и механизма

распада аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях на промежуточные структуры зернистой морфологии, а также влиянии содержания углерода на механизм распада аустенита на зернистый бейнит.

Установлено, что, как и при распаде аустенита на структуры игольчатой морфологии, при формировании промежуточных структур зернистой морфологии, переохлажденный аустепит начинает распадаться после некоторого инкубационного периода, который с понижением температуры вначале убывает, а затем — возрастает (рисунок 3).

При температурах изотермической выдержки 580-450 °С начальный этап промежуточного превращения сопровождается образо-

1 Л-

| ,| "Ш

Г 1 <: '

! ! 1 [

1

! 10 101) 1000 10£»

Время, с

Рисунок 3 — Кинетические кривые распада переохлажденного аустенита стали 16Х2НАч. Кривые 1, 2, 3 и 4 соответствуют температурам изотермической выдержке образцов 580,550,450 и400°С

ванием добейнитной (мезоферритной) а-фазы. С течением времени выдержки, образование мезоферрита прекращается, и продуктами, продолжающегося распада переохлажденного аустенита, становятся верхний и нижний бейнит. Чем выше температура изотермы, тем больше образуется мезоферрита, наличие которого обуславливает зернистый характер конечной структуры. В процессе изотермической выдержки часть аустенита сохраняется и при последующем охлаждении в воде превращается в мартенсит. Было установлено, что в верхней части вейнитной области (до температуры изотермы 450 °С) на поверхности шлифа можно отчетливо наблюдать отсутствие рельефа на мезоферритных кристаллах, в то время, как бей-нитно-мартенситные зерна а-фазы имеют четко выраженное рельефное строение (рисунок 4).

Рисунок 4 - Состояние плоской полированной поверхности образцов после ступенчато-изотерм н чес к ой закалки. Температура изотермы: а-550°С;

Это свидетельствует о том, что мезоферрнст формируется по диффузионному механизму, а бейнито-мартенситяый феррит - по сдвиговому.

В пользу представления о наличии диффузионного механизма распада аустенита на мезоферрит, говорят следующие факты: мезоферри тная а-фаза имеет межплоскостное расстояние, близкое к доэвтекгоидному ферриту; малую плотность дефектов кристаллического строения, равную скалярной плотности дислокации отожженной стали; минимально? физическое уширение; в верхнем интервале температур промежуточного превращения, когда формируется мезоферритная а-фаза, в структуре стали после окончания превращения отсутствует аустенит остаточный и формируется не карбид железа, а карбид хрома типа (РеСг^С^, в то время, как при распаде аустенита в нижнем интервале температур, ниже 450 °С, в структуре стали появляется аустенит остаточный и формируется карбид железа.

На основе полученных данных и, используя известную схему бей-нитного превращения Р. И. Энтина, последовательность распада аустенита

на мезоферрит и зернистый бейнит можно представить следующим образом (рисунок 5). Превращению предшествует флуктуационное перераспределение углерода в исходном переохлажденном аустените с образованием в приграничных зернах участков аустенита с низкой концентрацией углерода, близкой к равновесному ферриту. При дальнейшей выдержке эти участки становятся центрами диффузионного у—»а-превращения с образованием добейнитной (мезоферритной) структурной составляющей по границам аустенитных зерен, где зарождение центров новой фазы облегчено. В последующем количество мезоферритной а-фазы увеличивается за счет отвода углерода от прилегающих к фронту перекристаллизации участков аустенита с одновременным возникновением новых центров кристаллизации а-фазы.

Дгоеохлаядеиный до 530-450°С а?стеиит

|

^луктуацнеинос перераспределение улерсда |

I I

| Еезуглероднстый аустенит | [Выйокоугдерод истый аустсндт |

I 1

[Переохлажденный аустенит ниже 450°С | 1

'1'л>ттуационное перераспределение углерода

[Диффу?.

ионное у—«а превращение

1

[Цезоферрит|

Частичное <>6ссо6ленае углерода Выделение спецкарбида

I I

| Обедненный аусгениг | | Обогащенный аусгенит |

1 и I

[бсздиФФузионный у—'Драспад ||Еыделенис кдр6идажелеза|

1

Безяиффузионный у—«йраспад

Зернистый 6ейнит(а+К)

1

|"БезднффузионныЙу-*д-распад)

,_I

| Игольчатый (а^фаза + карбид железа)]

Рисунок 5 - Схема превращений при изотермической обработки в промежуточной области температур

В результате с течением времени мезоферритная а-фаза охватывает оставшейся обогащенный по углероду аустенит, из которого в последующем выпадает карбид хрома и происходит бездиффузионный распад по реакции Ре^С)—>Реа(С)+РезС , то есть обогащенный по углероду аустенит распадается на бейнитную а-фазу и карбиды хрома округлой формы. Эти участки механической смеси а-фазы и зернистых карбидов следует считать зернистым бейнитом.

Часть аустенитных кристаллов с высокой концентрацией углерода, вследствие повышенной его устойчивости к распаду при последующем (после окончания изотермической выдержки) охлаждении, распадается на верхний бейнит и мартенсит. В условиях изотермической обработки, при температурах ниже 450 °С (рисунок 5), диффузионная подвижность атомов металлических элементов практически полностью подавлена. Поэтому,

становится невозможным образование мезоферрита путем неупорядоченной (диффузионной) у-»а-перестройки, но при этих температурах еще достаточно активно идет диффузия углерода, которая делает возможным выделение карбида из аустенита. Частично обедненный по углероду аустенит затем распадается по сдвиговому механизму на бейнитную а-фазу. Легирующие элементы, растворенные в у-фазе по способу замещения, не успевают перераспределиться при бейнитном превращении, вследствие чего, формирование карбида хрома не происходит.

В результате исследования влияния содержания углерода на механизм распада аустенита в промежуточной области, было установлено, что при малом содержании углерода в стали (до 0,25 %), процесс распада аустенита в промежуточной области происходит, преимущественно, на мезо-феррит и зернистый бейнит, образующийся диффузионным путем. С увеличением содержания углерода более 0,25 %, распад аустенита сопровождается образованием игольчатых структур, формирующихся по сдвиговому механизму.

Объяснение механизма образования зернистого бейнита для данных сталей заключается в специфике расположения на изотермической диаграмме области распада аустенита на добейнитную а-фазу (мезоферрит), которая сдвигается вправо по оси времени и вниз по оси температуры с увеличением содержания углерода в стали. В этом случае процесс распада аустенита на мезоферрит при изотермической обработке будет начинаться при более низких температурах и по прошествии более длительного инкубационного периода. Следовательно, количество образовавшейся зернистой составляющей будет уменьшаться, а количество сформировавшихся игольчатых структур будет увеличиваться.

Пятая глава посвящена определению физико-механических свойств низкоуглеродистых низколегированных сталей со структурой зернистого бейнита, а также разработке способа изотермической обработки сталей на структуру зернистого бейнита.

Физико-механические свойства зернистого бейнита сравнивались с другими неравновесными структурами (верхний и нижний бейниты, мартенсит), формирующиеся в данных сталях.

Было показано, что твердость образцов со структурой как зернистого, так и игольчатого бейнита, слабо зависела от среды охлаждения после изотермической обработки, рисунок 6. При проведении последующего отпуска наблюдалось некоторое различие в изменении твердости образцов, обработанных по разным режимам. При изотермическом распаде аустенита на зернистые бейнитные структуры при отпуске от 200 до 400 °С твердость росла, а затем неуклонно падала и при температуре 600 °С ее значение при любом режиме обработки выравнивалось. Рост твердости образцов со структурой зернистого бейнита при отпуске до 400 °С, очевидно, объясня-

310 300 > 290 ё 280 |270 Ь 260

250 240

1

- т

к \

4 4 \ \

'Ж

ется процессом старения, механизм которого требует самостоятельного исследования.

После испытаний на статическое растяжение было установлено, что максимальной прочностью обладает наиболее неравновесная мартенситная структура. Меньшим значением прочности обладает зернистый бейнит, сформировавшийся при охлаждении на спокойном воздухе после изотермической выдержки. Однако, последующий отпуск в интервале 370-400 °С практически обеспечивает прочность стали со структурой зернистого бей-нита, близкой к прочности закаленной на мартенсит и отпущенной на туже температуру стали. Наибольшими значениями пластичности обладает сталь со структурой зернистого бейнита, что объясняется глобулярным характером его строения.

В целях проверки экспериментальных данных, полученных на образцах, были дополнительно проведены эксперименты на штатных изделиях, в качестве которых были выбраны пластины приводных роликовых цепей для буровых установок шага 38,1 мм.

В предлагаемом способе термическую обработку пластин цепей осуществляли следующим образом. Производили изотермическую ступенчатую закалку при охлаждении из аустенитного состояния в два этапа в двух охлаждающих средах. Изотермическая ступенчатая закалка включала нагрев изделий из конструкционной стали в закалочной печи до закалочной температуры, как при обычной закалке, охлаждение в жидкой горячей среде (в ванне с расплавленной щелочью), от температуры закалки до температуры изотермической выдержки со скоростью, не менее критической, изотермическую выдержку-ступеньку в этой жидкой горячей среде в интервале температур 550±10 °С, то есть при температуре верхней части бейнитной области в интервале образования микроструктуры мезоферрита, и, по окончании изотермической выдержки-ступеньки (что является окончанием первого этапа термической

200

600

300 400 500 Темперэт^ра от/:ка.°С

Рисунок 6 — Изменение твердости в зависимости от температуры отпуска. Исходная структура: 1-игольчатый бейнит полученный при охлаждении в воду после изотермической выдержки, 2 - игольчатый бейнит полученный при охлаждении на воздухе после изотермической выдержки, 3 - зернистый бейнит полученный при охлаждении в воду после изотермической выдержки, 4 - зернистый бейнит полученный при охлаждении на воздухе после изотермической выдержки

обработки), охлаждение изделий на воздухе (второй этап термической обработки). В конце первого этапа микроструктура изделий состояла из ау-стенита и мезоферрита. В процессе охлаждения на воздухе (второй этап) в стали формируется микроструктура зернистого бейнита.

В опытах использовали полосовой прокат стали 24Х2НАч толщиной 4,8 мм. Пластины были изготовлены путем точной чистовой вырубки и имели после штамповки разброс по межцентровому расстоянию не более 0,03 мм. Погрешность измерения составляла не более 0,005 мм. Полученные результаты показали, что разработанный способ термической обработки обеспечивает минимальное коробление изделий, и позволяет получить комплекс механических свойств близкий к комплексу механических свойств, получаемых при известной термической обработке, применяемой для пластин приводных многорядных роликовых цепей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Подводя итоги выполненных исследований, можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. Установлено, что зернистый бейнит - продукт промежуточного превращения аустенита с характерным глобулярным строением. Он формируется в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса при изотермических выдержках в верхней части температур промежуточной области и представляет собой многофазную композицию, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - добейнитной (мезоферритной), бейнитной, мартенситной, остаточного аустенита и двух видов карбидов: карбида хрома и карбида железа.

2. Структура мезоферритных кристаллов безкарбидна, достаточно релаксирована, равновесна с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки, близкими к плотности дефектов и параметрам решетки доэвтектоидного феррита. Образование мезоферритных зерен в верхнем интервале промежуточных температур протекает по диффузионному механизму.

3. Карбидная фаза в верхнем интервале температур промежуточного распада - Ме2зС6, а в нижнем - Ме3С. Карбиды хрома имеют округлую форму и расположены по границам зерен и фрагментов мезоферрита. Карбиды железа имеют дискообразную форму и расположены либо по границам пластин верхнего бейнита, либо внутри пластин нижнего бейнита.

4. В низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса в верхнем интервале промежуточных температур механизм распада аустенита является смешанным, состоящим из диффузионного образования добейнитной (мезоферритной) а-фазы и бездиффузионного образования бейнитной а-фазы.

5. В процессе изотермической выдержки часть аустенита сохраняется и при последующем охлаждении превращается в мартенсит. Наиболее

высокая устойчивость аустенита к изотермическому распаду наблюдается в верхнем интервале температур промежуточной области.

6. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита, обеспечивающей формирование наиболее благоприятного комплекса механических свойств, по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит. Экспериментально установлено, что последующий отпуск зернистого бейнита в интервале температур 370-400 °С способствует росту прочностных характеристик в 1,4 раза за счет развития процесса старения.

7. Разработан новый способ термической обработки конструкционных сталей, обеспечивающий получение структуры мезоферрита и зернистого бейнита с лучшим комплексом механических свойств по сравнению с аналогичными свойствами, формирующимися в сталях при закалке на игольчатые структуры. Опытно-промышленное опробование способа на примере пластин приводных роликовых цепей для буровых установок из стали 24Х2НАч подтвердило его эффективность. Снизились на 30 % коробление и деформации, повысилась на 35-40% пластичность стали. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного способа на ОАО «Алтайгеомаш» составит 252 руб. на 1 погонный метр цепи.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Чепрасов Д.П. Кинетика формирования мезоферрита стали 24Х2НАч при изотермической обработке. / Д.П. Чепрасов, Е.А. Иванай-ский, A.A. Иванайский, Ю.А. Филатов. // Ползуновский альманах-2004.-№ 4.-С. 76-79.

2. Филатов Ю.А. Металлы XXI века для сварных конструкций / Ю.А. Филатов, Е.А. Иванайский. // Ползуновский альманах-2005.-№ З.-С. 148-149.

3. Чепрасов Д.П. Кинетика и механизм образования мезоферрита в низкоуглеродистой низколегированной стали 20Х2НАч / Д.П. Чепрасов, С.Ф. Дмитриев, Ю.А. Филатов. // Вестник Томского государственного университета. Бюллетень оперативной научной информации №44, Апрель 2005.-С. 116-118.

4. Чепрасов Д.П. Методика определения рельефа на поверхности полированных образцов при фазовых превращениях / Д.П. Чепрасов, Ю.А. Филатов, A.B. Кривов, К.В. Коваленко. // Вестник АлтГТУ-2005,-№ 3-4.-С. 78-80.

5. Свнщенко В.В. Особенности фазового состава продуктов промежуточного превращения в стали 24Х2НАч / В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов, A.A. Иванайский, Ю.А. Филатов. // Ползуновский Вестник - 2005.-№ 2(ч2).-С. 95-97.

6. Иванайский Е.А. Кинетика формирования мезоферрита стали 24Х2НАч при изотермической обработке. / Е.А. Иванайский, Д.П. Чепра-

сов, Ю.А. Филатов. // Материалы докладов VI-й международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств». Барнаул. Изд-во АлтГТУ, 2004.-С. 32.

7, Чепрасов Д.П. Исследование механизма бейнитного превращения в низкоуглеродистых сталях бейнитного класса. / Д.П. Чепрасов, Ю.А. Филатов, C.B. Ковалев. // Ползуновский альманах - 2006. - № 3. -С. 121-124.

Подписано в печать 6.11.08 г. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 2008 - 70

Отпечатано в типографии АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.:(8-3852) 36-84-61

ВВЕДЕНИЕ.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СТРУКТУР

ЗЕРНИСТОЙ МОРФОЛОГИИ В СТАЛЯХ.

1.1 Промежуточное превращение аустенита в сталях бейнитного класса в условиях непрерывного охлаждения и изотермической обработки.

1.2. Строение промежуточных структур зернистой морфологии в сталях бейнитного класса.

1.3. Существующие представления о механизме формирования промежуточных структур зернистой морфологии в сталях бейнитного класса.

1.4. Существующие методики изучения механизма промежуточного превращения в сталях.

1.5. Свойства промежуточных структур зернистой морфологии в сталях бейнитного класса.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА

ПРОМЕЖУТОЧНОГО РАСПАДА АУСТЕНИТА В

НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ.

2.1. Разработка методики исследования механизма формирования промежуточных структур зернистой морфологии на установке ИМАШ АЛА - ТОО 20-75.

2.2 Разработка методики исследования кинетики распада аустенита в промежуточной области на структуры зернистой морфологии.

2.3 Методика количественной обработки результатов.

2.4 Разработка методики исследования строения и фазового состава промежуточных структур зернистой морфологии.

2.5 Определение физико-механических свойств промежуточных структур зернистой морфологии в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса.

3. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТОНКАЯ СТРУКТУРА ПРОДУКТОВ ПРОМЕЖУТОЧНОГО РАСПАДА АУСТЕНИТА ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ БЕЙНИТНОГО КЛАССА.

3.1 Общая структура и свойства продуктов промежуточного распада аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса.

3.2 Фазовый состав продуктов промежуточного распада аустенита при изотермической обработке и их морфологические особенности.

3.2.1 Альфа-фаза и ее морфологические составляющие. Свойства альфа-фазы.

3.2.2 Остаточный аустенит и его морфологические составляющие.

3.2.3 Карбидная фаза зернистого бейнита.

3.3 Дефектная структура фаз и их морфологических составляющих.

3.4 Объемные доли структурных составляющих бейнита зернистой морфологии.

3.5 Выводы по разделу 3.

4. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ РАСПАДА АУСТЕНИТА В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ НА ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ ЗЕРНИСТОЙ МОРФОЛОГИИ.

4.1 Кинетика формирования продуктов промежуточного превращения зернистой морфологии в условиях изотермической обработки.

4.2 Механизм распада аустенита на мезоферрит и зернистый бейнит в низкоуглеродистых низколегированных сталях в условиях изотермической обработки.

4.3 Влияние содержания углерода в низкоуглеродистых низколегированных сталях на механизм распада аустенита в промежуточной области.

4.4 Выводы по разделу 4.

5. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ НА СТРУКТУРУ ЗЕРНИСТОГО БЕЙНИТА.

5.1 Выбор и обоснование основных режимов изотермической обработки на структуру зернистого бейнита на примере стали 24Х2НАч.

5.2 Физико-механические свойства стали 24Х2НАч со структурой зернистого бейнита.

5.3 Экспериментальное опробование разработанного способа изотермической обработки на зернистый бейнит на примере пластин приводных роликовых цепей из стали 24Х2НАч для буровых установок.

5.4 Выводы по разделу 5.

Актуальность темы. В настоящее время проблема повышения прочности тяжело нагруженных деталей и узлов машин из высокопрочных сталей бейнит-ного класса стоит как никогда остро не только в России, но и за рубежом. Повышение прочности достигается путем легирования дорогостоящими элементами, а также за счет создания неравновесной структуры.

Исследованиями как отечественных, так и зарубежных ученых было установлено, что по сравнению с игольчатыми структурами, такими как мартенсит, верхний или нижний бейнит, структуры зернистой морфологии с глобулярной карбидной фазой, являются более предпочтительными как с точки зрения технологичности, так и ее надежности в эксплуатации, особенно в условиях низких климатических температур. Поэтому, задача получения в машиностроительных деталях из высокопрочных сталей бейнитного класса не игольчатых промежуточных структур, а структур зернистой морфологии, является весьма актуальной.

В настоящее время не создано единой стройной теории бейнитного превращения, которая бы позволила удовлетворительно объяснить ряд экспериментальных фактов, наблюдаемых при распаде аустенита на зернистый бейнит в верхнем интервале температур промежуточного превращения в условиях изотермического распада. Имеющиеся немногочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов, посвященные изучению фазовых превращений аустенита в зернистый бейнит, не раскрывают его природы, а некоторые заключения о формировании промежуточной структуры зернистой морфологии сделаны на основе данных оптической микроскопии и косвенных, а не прямых доказательств, которые не могут быть интерпретированы однозначно.

В связи с этим представляется необходимым и целесообразным комплексно изучить общую и тонкую структуру, фазовый состав и морфологические особенности мезоферрита и зернистого бейнита и на этой основе уточнить условия их формирования в низкоуглеродистых низколегированных сталях в результате изотермического распада аустенита.

Цель работы. Установить природу и условия формирования мезоферри-та и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях при изотермическом распаде аустенита и разработать эффективный способ термической обработки конструкционных сталей на промежуточные структуры зернистой морфологии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать методики исследования механизма распада аустенита в промежуточной области на мезоферрит и зернистый бейнит;

2) определить кинетику, механизм и условия формирования мезоферри-та и зернистого бейнита при изотермическом распаде аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях;

3) экспериментально установить основные закономерности влияния температуры изотермы, времени выдержки и содержания углерода в стали на морфологию бейнитных структур;

4) разработать способ изотермической обработки на зернистый бейнит конструкционных сталей бейнитного класса.

Научная новизна. Анализ экспериментальных наблюдений за состоянием полированной поверхности образцов в процессе изотермического распада аустенита и структурными изменениями при изотермических выдержках в интервале температур промежуточного превращения, позволил установить природу и механизм формирования мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса. Показано, что:

- в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса зернистый бейнит, сформировавшийся в верхнем интервале температур промежуточного превращения при изотермических выдержках, представляет собой многофазную композицию с характерным глобулярным строением, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - добейнитной (мезоферрит-ной), бейнитной, мартенситной и двух видов карбидов - карбида хрома (РеСг)2зСб и карбидов железа Ре3С;

- механизм образования а-фазы является смешанным: диффузионный и бездиффузионный. В верхнем интервале промежуточных температур, но не ниже 450 °С, начальный этап распада аустенита протекает по диффузионному механизму с образованием добейнитной а-фазы, названной собственным именем - мезоферрит, зерна которого имеют полиэдрическую (равноосную) форму с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки, близкими к доэвтектоидному ферриту. На полированной поверхности образцов при формировании мезоферритных кристаллов отсутствовал рельеф;

- в нижнем интервале промежуточных температур переохлажденный аустенит по сдвиговому механизму распадается на бейнитную а-фазу. На поверхности нетравленого шлифа наблюдается микрорельеф, как и при мартен-ситном превращении.

- в верхнем температурном интервале промежуточного превращения основной карбидной фазой, выделяемой из аустенита, является карбид хрома типа (РеСг)2зСб, имеющий округлую форму и вместе с бейнитной а-фазой составляет механическую смесь, названную собственно зернистым бейнитом. Показано, что формирование карбида хрома протекает в результате перераспределения на фронте фазовой у—>а-перекристаллизации как атомов углерода, так и атомов хрома.

Практическая значимость. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита, обеспечивающие формирование наиболее благоприятного комплекса механических свойств по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит.

Экспериментально установлено, что при равной прочности зернистый бейнит обладает в 1,4 раза большей пластичностью и способностью сопротивляться ударным нагрузкам по сравнению с игольчатыми структурами.

На основе анализа полученных результатов исследований на уровне изобретения разработан способ термической обработки конструкционных сталей позволяющий сформировать в изделиях промежуточную структуру зернистой морфологии, обеспечивающую сохранение комплекса механических свойств при полном исключении закалочных деформаций.

Реализация результатов работы. Разработанный способ ступенчатой изотермической обработки был опробован на опытно-промышленной партии в условиях крупносерийного производства пластин многорядных приводных роликовых цепей из стали 24Х2НАч на базовом предприятии ОАО «Геомаш» г. Барнаула. Получены положительные результаты. Разработанный способ рекомендован к внедрению в условиях массового производства деталей приводных роликовых цепей, а также может быть использован на других предприятиях Российской Федерации, выпускающих негабаритные детали машин крупносерийного и массового производства.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (г. Барнаул, 2004);

- Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2004;2005; 2006);

- Научно-практическая конференция «Барнаул на рубеже веков: итоги, проблемы, перспективы» (г. Барнаул, 2005).

- Международная конференция «Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие» (г. Киев, 2008).

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ термической обработки конструкционных сталей» по заявке № 2007115377/02(016683) решением от 22.08.08.

Работа выполнена на кафедре «Малый бизнес и сварочное производство» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползу-нова под руководством кандидата технических наук, профессора Чепрасова Дмитрия Петровича. Автор считает своим приятным долгом выразить ему сердечную благодарность за постоянную помощь и внимание при выполнении работы.

Приношу искреннюю благодарность заведующему кафедрой «Малый бизнес и сварочное производство» академику Международной академии наук (МАН) ВШ, члену-корреспонденту Академии инженерных наук (АИН) РФ, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату Ленинской премии, доктору технических наук, профессору Радченко Василию Григорьевичу, а также Демьянову Борису Федоровичу за ценные указания и консультации по отдельным разделам работы.

Автор благодарит научных сотрудников кафедры и университета Радченко М.В., Шабалина В.Н., Шевцова Ю.О., Тимошенко В.П., Иванайско-го Е.А., Пильберга С.Б., Клюеву Н.В., Приходько С.А., Шаханова Д.Д. за помощь в подготовке и проведении ряда экспериментов, а также активное участие в обсуждении результатов работы на научно-технических семинарах механико-технологического факультета.

5.4 Выводы по разделу 5.

1. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита, обеспечивающей формирование наиболее благоприятного комплекса механических свойств по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит.

2. Экспериментально установлено, что последующий отпуск зернистого бейнита в интервале температур 370-400 °С способствует росту прочностных характеристик за счет развития процесса старения при некотором снижении пластичности стали.

3. Разработан эффективный режим термической обработки пластин приводных роликовых цепей, обеспечивающий повышение эффективности термического упрочнения изделий из конструкционных сталей путем уменьшения закалочных деформаций и короблений, снижения себестоимости продукции за счет уменьшения технологических операций связанных с рихтовкой изделий.

148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги выполненных исследований, можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. Установлено, что зернистый бейнит - продукт промежуточного превращения аустенита с характерным глобулярным строением. Он формируется в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса при изотермических выдержках в верхней части температур промежуточной области и представляет собой многофазную композицию, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - добейнитной (мезоферритной), бейнитной, мар-тенситной, остаточного аустенита и двух видов карбидов: карбида хрома и карбида железа.

2. Структура мезоферритных кристаллов безкарбидна, достаточно ре-лаксирована, равновесна с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки близкими к плотности дефектов и параметрам решетки доэвтектоидного феррита. Образование мезоферритных зерен в верхнем интервале промежуточных температур протекает по диффузионному механизму.

3. Карбидная фаза в верхнем интервале температур промежуточного распада - МегзСб, а в нижнем - Ме3С. Карбиды хрома имеют округлую форму и расположены по границам зерен и фрагментов мезоферрита. Карбиды железа имеют дискообразную форму и расположены либо по границам пластин верхнего бейнита, либо внутри пластин нижнего бейнита.

4. В низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса в верхнем интервале промежуточных температур механизм распада аустенита является смешанным - диффузионное образование добейнитной (мезоферритной) альфа-фазы и бездиффузионное - бейнитной а-фазы.

5. В процессе изотермической выдержки часть аустенита сохраняется и при последующем охлаждении превращается в мартенсит. Наиболее высокая устойчивость аустенита к изотермическому распаду наблюдается в верхнем интервале температур промежуточной области.

6. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита обеспечивающей формирование наиболее благоприятного комплекса механических свойств по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит. Экспериментально установлено, что последующий отпуск зернистого бейнита в интервале температур 370-400 °С способствует росту прочностных характеристик в 1,4 раза за счет развития процесса старения.

7. Разработан новый способ термической обработки конструкционных сталей, обеспечивающий получение структуры мезоферрита и зернистого бейнита с лучшим комплексом механических свойств по сравнению с аналогичными свойствами, формирующимися в сталях при закалке на игольчатые структуры. Опытно-промышленное опробование способа на примере пластин приводных роликовых цепей для буровых установок из стали 24Х2НАч подтвердило его эффективность. Снизились на 30 % коробление и деформации, повысилась на 35-40 % пластичность стали. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного способа на ОАО «Алтайгеомаш» составит 252 руб. на 1 погонный метр цепи.

150

1. Гуляев, А. П. Термическая обработка стали. / А. П. Гуляев - М.: Машгиз, 1960. - 496 с.

2. Штейнберг, С. С. Избранные статьи / С. С. Штейнберг М.: Машгиз, 1950. - 255 с.

3. Лебедев, Д. Б. Бейнитно-мартенситные структуры в металле низколегированных швов / Д. Б. Лебедев // Свароч. пр-во- 1974.-№10.-С. 16-17.

4. Садовский, В.Д. Структурные превращения при закалке и отпуске сталей./ В.Д. Садовский Свердловск: УФАН СССР, 1945. - 72 с.

5. Ефименко, Л.А. Влияние исходного структурного состояния металла на сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению / Л.А. Ефименко, О.В. Коновалова // Свароч. пр-во. 1992. - №8. - С. 9-12.

6. Николаев, Е.Н. Термическая обработка металлов токами высокой частоты. /Е. Н. Николаев, И. М. Кортин -М.: Высшая школа, 1977. 213 с.

7. Davenport, E.S. Technical Publications / E.S. Davenport, E.C. Bain // Trans. АШЕ. 1930. -v90. -№ l.-P. 117-154. - Англ.

8. Aaronson, H.I. Another Visit to the Three Definitions of Bainite / H.l. Aaronson, H. J. Lee // Scripta Metallurgica. 1987. - P 1011-1016. - Англ.

9. Balaguer, J.P. Development of ultra-low carbon bainitic steels with low haz hardness / J.P. Balaguer, E.F. Nipes // Abstr. Pap present 70th AWS Annu. Meet., Apr. 2-7, 1989. Miami (Fla). - 1989. - P. 28-30. - Англ.

10. Bhadeshia, H.K.D.H. Bainite in Steels / H.K.D.H. Bhadeshia // London: The Institute of Materials. 1992. - P. 468. - Англ.

11. Лахтин, Ю.М. / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева // Материаловедение. -М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

12. Основы материаловедения: учебник для вузов. / под ред. И.И. Сидорина. М.: Машиностроение, 1976. - 436 с.

13. Krauss, G. Ferritic Microstructures in Continuously cooled Low- and Utralow-carbon Steels / G. Krauss, S.W. Thompson // ISIJ Int. 1995,- V.35. -№8. -P. 937-945. - Англ.

14. Новиков, И.И. Теория термической обработки / И.И. Новиков М.: Металлургия, 1986. -480с.

15. Малышевский, В.А. Влияние легирующих элементов и структуры на свойства низкоуглеродистой улучшаемой стали / В.А. Малышевский, Т.Г. Семичева, Е.И. Хлусова // МиТОМ. 2001. - №9. С. - 5-9.

16. Гудремон, Э. Специальные стали: пер. с нем.: в 2-х т. / Э. Гудремон // М.: Металлургия, 1966. Т. 1.-736 с.

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

18. Счастливцев, В.М. Новые представления о природе бейнитного превращения в сталях / В.М. Счастливцев // МиТОМ. 2005. - №7. - С. 24-29.

19. Бейнитное превращение в сталях / Д.А. Мирзаев и др. // Фазовые и структурные превращения в сталях: сб. науч. Трудов.-2005.-Вып. 2.-С. 121-156.

20. Теплухин, Г.Н. Условия, механизм образования и морфология бейнитных структур / Г.Н. Теплухин // Изв. РАН Металлы.-1994.-№6.-С. 98-104.

21. Металлография железа: пер. с англ.: в 3-х т. / Под ред. Ф.Н. Тавадзе-М.: Металлургия, 1972. -Т.1.

22. Чепрасов Д.П. Условия формирования структуры зернистого бейнита при сварке стали 24Х2НАч / Д.П. Чепрасов, В.В. Свищенко // Свар, пр-во. -1996.-№11.-С. 27-30.

23. Кремнёв, JI.C. Строение и механизм формирования зернистого бейнита в стали 20Х2НАч / JI.C. Кремнёв, В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов // МиТОМ. 1997. - №9. - С. 6-9

24. Кремнев JI.C. Скоростной диапазон образования зернистого бейнита при распаде аустенита стали 20Х2НАч / JI.C. Кремнёв, В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов // МиТОМ. 1998. - № 5. - С. 17-19.

25. Влияние температуры аустенитизации стали 20Х2НАч на строение бейнита / JI.C. Кремнев, В.В. Свищенко, A.B. Степанов, Д.П. Чепрасов // МиТОМ.- 1999,-№ 11.-С. 15-17.

26. Свищенко, В.В. Образование мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистой низколегированной стали / В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов, О.В. Антонюк // МиТОМ. 2004. - № 8. - С. 7-11.

27. Фазовый состав и тонкая структура зернистого бейнита в низкоуглеродистой низколегированной стали / Д.П. Чепрасов, В.В. Свищенко, Э.В. Козлов, A.A. Иванайский // МиТОМ. 2006. - №5. - С. 3-7.

28. Чепрасов, Д.П. Некоторые положения разработки высокопрочных сталей с улучшенной обрабатываемостью при чистовой вырубке / Д.П. Чепрасов //Вестник машиностроения. 1986. - №9. - С. 53-56.

29. Новая высокопрочная сталь 24Х2НАч для чистовой вырубки / Д.П. Чепрасов и др. // Сталь. 1990. - №8. - С. 76-79.

30. Борисов, И.А. Разработка технологии изготовления и исследование качества ковано-сварных роторов турбин из стали 25Х2НМФА / H.A. Борисов, Г.Р. Меринов, Е.В. Слезкина // МиТОМ. 1997. - №4. - С. 2-6.

31. Борисов, И.А. Технологические и эксплуатационные свойства сталей для сварных роторов турбин / И.А. Борисов, Ю.М. Никитин, Р.В. Слезкина // МиТОМ. 1998.-№1.-С. 12-16.

32. Борисов, И.А. Сталь 20Х2НМ2ФА для сварных изделий/ И.А. Борисов // МиТОМ. 2005. - №8. - С. 43-47.

33. Энтин, Р.И. Превращение аустенита в стали / Р.И. Энтин М.: Металлургиздат, 1960. - 252 с.

34. Barford, J. Kinetic Aspects of the Bainite Reaktion / J. Barford // Journal of the Iron and Steel Institute. 1966. - P. 609-614. - Англ.

35. Joarder, A. Bainite morfologies in 0,2 C-1,5 Mn steel /А. Joarder, S.P. Subrahmanya // Steel Res. 1992. - 63 №1. - P. 33-38. - Англ.

36. Umemato, M. Morphology and transformation kinetics of bainite in Fe-Ni-C and Fe-Ni-Cr-C alloys / M. Umemato, S. Mando, I. Tamura // Proc. Int. Conf. Martensit. Transform. 1986. - P. 595-600. - Англ.

37. Habraken, L. J. Microstructures in Low Carbon Alloy Steels and Their Mechanical Properties In Transformation and Hardenability in Steels / L. J. Habraken, M. Economopolus // Climax Molybdenum, Ann Arbor, Michigan, USA. 1967. -P. 69-107.-Англ.

38. Ridal, K. Physical Properties of Martensite and Bainite / K. Ridal, J. McCann // Special Report 93, Iron and Steel Institute (London). 1965. - P. 147148. - Англ.

39. Ridley, N. Phase Transformations in Ferrous Alloys / N. Ridley // TMS-AIME, Warrendale. 1984. - P. 210-236. - Англ.

40. Spanos, G. Influence of Carbon Concentration and Reaction Temperature upon Bainite Morphology in Fe-C-2 Pet Mn Alloys / G. Spanos, H.S. Fang, D.S. Sarma, H.I. Aaronson // Metallurgical Transactions A Vol 21A. 1990. - P. 13911411. - Англ.

41. Aaronson, H.I. Partition of Alloying Elements Between Austenite and Proeutectoid Ferrite or Bainite / H.I. Aaronson, H.A. Domian // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1966. - P. 781-797. - Англ.

42. Чепрасов, Д.П. Структура и фазовый состав зернистого бейнита на участке полной перекристаллизации ЗТВ сварного соединения из низкоуглеродистых низколегированных сталей / Д.П. Чепрасов // Сварочное производство. 2006. - № 2. - С. 3-8.

43. Блантер, М.Е. Фазовые превращения при термической обработке. / М.Е. Блантер // М.: Металлургиздат, 1962. - 268 с.

44. Курдюмов, Г.В. Превращение в железе и стали. / Г.В. Курдюмов, JI.M. Утевский, Р.И. Энтин М.: Наука, 1977. - 238 с.

45. Bain, E. С. Alloying Elements in Steel / E. C. Bain // ASM, Cleveland, Ohio, USA. 1939. - P. 235-269. - Англ.

46. Radcliffe, S.V. The Kinetics of the Formation of Bainite in High Purity Iron - Carbon Alloys / S.V. Radcliffe, E.C. Rollason // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1959. - P. 56-65. - Англ.

47. Aaronson H.I. Sympathetic Nucleation of Ferrite / H.I. Aaronson, C. Wells // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1957. - P. 12161223. - Англ.

48. Hehemann, R.F. A debate on the bainite reaction / R.F. Hehemann, K.R. Kinsman, H.I. Aaronson // Metallurgical Transactions Vol 3. 1972. - P. 1077-1094.-Англ.

49. Коган Л.И., Усиков М.П., Энтин Р.И.-ФММ, 1980, т. 50, вып. 5, -С. 1088-1090.

50. Christian, J.W. Simple Geometry and Crystallography Applied to Ferrous Bainits / J.W. Christian // Metallurgical Transactions A vol 21 A. 1990. - P. 799803. - Англ.

51. Oblak J. M. Structure and Growth of Widmannstaetten Ferrite and Bainite In "Transformation and Hardenability in Steels" / J. M. Oblak, R. F. Hehemann // Climax Molybdenum Symposium. - 1967. - Англ.

52. Занг, С. Влияние микроструктуры на свойства зоны перегрева сварных соединений из сталей типов Т-1 / С. Занг //Чина велдинг. №1. -1992-С. 13-20.-Кит.

53. Геллер, Ю.А., Материаловедение. / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт М.: Металлургия, 1983. - 384 с.

54. Hillert, М. Diffusion and Interface Control of Reactions in Alloys. / M. Hillert // Met. Trans., 1975, v.6A, № 1, P. 5-19. - Англ.

55. Speich, G.R. The Growth Rate of Bainite / G.R. Speich, M. Cohen // Trans. Met. Soc. AIME v.218. 1960. - P. 1050-1059. - Англ.

56. Любов, Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений / Б.Я. Любов М.: Металлургия, 1969. - 264 с.

57. Сильман, Г.И., Бейнитное превращение в чугунах со стабильно графитизированной структурой / Г.И. Сильман, В.В. Камынин, М.С. Полухин // МиТОМ. №4. - 2007,- С. 47-51.

58. Лозинский, М.Г. Строение и свойства металлов и сплавов при высоких температурах / М.Г. Лозинский. М.: Металлургиздат, 1963. - 535 с.

59. Bhadeshia, H.K.D.H. The mechanism of bainite formation in steels / H.K.D.H. Bhadeshia, D.V. Edmonds // Acta Melallurgica, Vol. 28. 1979. -P. 1265-1273.-Англ.

60. Bhadeshia, H.K.D.H. Bainite: the incomplete-reaction phenomenon and the approach to equilibrium / H.K.D.H. Bhadeshia // Proceedings of an International Conference on Solid—>Solid Phase Transformations. August 10-14. 1981. - P. 10411048. - Англ.

61. Коган, Л.И. Промежуточное превращение аустенита в углеродистой стали / Л.И. Коган, Р.И. Энтин // ФММ. - 1961. - т. 12, вып. 2. - С. 204-207.

62. Лозинский, М. Г. Некоторые особенности превращения аустенита в мартенситной и промежуточной областях. / М. Г. Лозинский // Изв. АН СССР, ОТН 1954. -№11.

63. Механические свойства сварного соединения стали 24Х2НАч со структурой зернистого бейнита/ Д.П. Чепрасов, В.В. Свищенко, В.П. Петров, А.В Степанов// Сварочное производство. 1999. -№2. - С. 22-25.

64. Kluch, R.L. Bainite inchromium-molybdenum steel / R.L. Kluch // Proc. int. conf. martensit. Transform (ICOMAT-86), Nara, Aug. 26-30, 1986. Sendai. -1987.-P. 601-606.-Англ.

65. Vidojevic, N. The microstracture of high strength low alloyed Mn-Ni-V steel dependence on heat treatment / N. Vidojevic, N. Simovic, Z. Acimovic // J. Serb. Chem. Soc. №3-4. - 1993. - P. 243-250. - Англ.

66. Smith, N. J. Microstructiire and mechanical properties of submerged-arc welds deposited in HY 100 steel / N. J. Smith, J. A. Gianetto // CIM Bull. 82. -№926.-P. 100.-Англ.

67. Кинетика превращения аустенита экономно легированного металла швов с пределом текучести 600-800 МПа / Миходуй Л.И., и др. // Автомат. Сварка. 1996. - №11. - С. 3-10.

68. Ефименко, Л.А. Влияние исходного структурного состояния металла на сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению / Л.А. Ефименко, О.В. Коновалова // Свароч. пр-во. 1992. - №8. - С. 9-12.

69. Беккерт М. Способы металлографического травления, справочное издание: пер. с нем. / М. Беккерт, X. Клемм. 2-е изд-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1988. - 400 е.: ил.

70. Попов, А. А. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлаждённого аустенита: справочник термиста / А.А Попов, Л.Е. Попова. -М.: Металлургия, 1965.-495 с.

71. Миркин, Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов: справочник/ Л.И. Миркин-М.: Машиностроение, 1979.-134 е.: ил.

72. Горелик, С.С. Рентгенографический и электроннооптический анализ / С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Скаков. М.: Металлургия, 1970. -368 с.

73. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский и др.. М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

74. Русаков, A.A. Рентгенография металлов / A.A. Русаков М.: Атомиздат, 1982. - 480 с.

75. Корнеев, А.Е. Определение количества остаточного аустенита в сталях мартенситного класса / А.Е. Корнеев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Том 72. - №2. - С. 34-35.

76. Гольдштейн, М. И. Дисперсионное упрочнение стали / М.И. Гольдштейн, В.М. Фарбер. М: Металлургия,- 1979. - 208 с.

77. Демиденко, B.C. Структурная неустойчивость в металлах и сплавах /

78. B.C. Демиденко, И.И. Наумов, Э.В. Козлов // Изв. вузов. Физика. 1998. - №8.1. C. 16-25.

79. Курдюмов, Г. В. Превращение аустенита при охлаждении. // Металловедение и термическая обработка стали: справочник: в 3 т. — М.: Металлургия, 1983. Т. 2. - С. 111-177.

80. Градиентные структурно-фазовые состояния в сталях/ Ю.Ф. Иванов и др.. Новосибирск: Наука. - 2006. - 280 с.

81. Смирнов, А.Н. Субструктура, внутренние поля напряжений и проблема разрушения пароводов из стали 12Х1МФ / А.Н. Смирнов, Э.В. Козлов. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. 163 с.

82. Проведение количественного металлографического анализа с использованием копьютерной технологии / Е.Е. Бадиян и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. Том 71, - №2. - С. 32-34.

83. Евсюков, М.Ф. Металлофизика / М.Ф. Евсюков, М.И. Притоманова. -Киев: Наукова думка, 1976. Вып. 64. - С. 77-81.

84. Чепрасов, Д.П. Некоторые положения разработки высокопрочных сталей с улучшенной обрабатываемостью при чистовой вырубке / Д.П. Чепрасов// Вестник машиностроения. 1986. -№9. - С. 53-56.