автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности пластической деформации перлита и разработка эффективных процессов упрочнения сталей с гетерофазной структурой

Р Г Б ОД

2

На правах рукописи

БАТАЕВ Анатолий Андреевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПЕРЛИТА И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЕЙ С ГЕТЕРСФАЗНОЙ СТРУКТУРОЙ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук .

\

Автореферат

Томск - 109Б

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный консультант доктор технических наук, профессор Тушинский Л.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Конева H.A. доктор физико-математических наук, профессор Коротаев А.Д. доктор технических наук,, профессор Черняк С.С.

•Ведущая организация: Уральский государственный технический университет (г. Екатеринбург)

Защита состоится " Ш " //¿>#{£.4. 1995 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 003.61.01 при Институте фиэики прочности и материаловедения СО РАН (634021, Томск, пр. Академический, 2/1). .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан " С " 1995 г4 ...........

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук х^Г^-^^Кульков С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА' РАБОТЫ

Актуальность темы. Стали с гетерогенной структурой являьтся широко распространенными машиностроительными материалами. В этой связи не вызывает сомнений целесообразность проведения глубоких фундаментальных исследований, позволяющих найти рациональные пути повышения прочностных свойств, надежности и долговечности изготовленных из них изделий. Одной из важнейших и наиболее сложных составляющих железоуглеродистых сплавов, имеющих двухфазную структуру, является перлит. Выявление закономерностей пластической деформации и разрушения гетерогенных материалов представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значение. Вопросы эволюции структуры гетерогенных материалов, имеющей место при их нагружении, научены и отражены в технической литературе гораздо в меньшей степени', чем для гомогенных. Современные экспериментальные данные и имеющиеся теоретические представления не позволяют детально и убедительно обосновать специфическую природу пластической деформации и разрушения гетерофазных материалов. В то же время структурные изменения в сплавах, содержащих частицы второй фавы, имеют свои особенности. Это касается сплавов с равноосными частицами второй фазы и еще в большей степени - сплавов со структурой слоистого типа, в первую очередь пластинчатого перлита. Отсутствие ясных представлений о природе явлений, • имеющих место при деформации двухфавных сплавов, сдерживает развитие соответствующих работ прикладного характера, результатом которых могла бы быть разработка эффективных способов упрочнения машиностроительных материалов .

С позиций анализа актуальности диссертационной темы следует подчеркнуть уникальность сталей со структурой пластинчатого перлита как модельных сплавов для изучения процессов дислокационных иоменений и разрушения, происходящих при внешнем нагруже-нии. Четко различающиеся при злектронномикроскопических исследованиях пластины двухфазной структуры являются своеобразными надежными метками, по изменению относительного расположения которых можно воспроизвести и соответсвенно описать микромеханнзми деформации материала.

Традиционные методы термической обработки не позволяют 5на-

чительно повысить эксплуатационные характеристики сталей со структурой перлита. Основываясь на классических трудах отечественных и варубежных ученых Гуляева А.П., Мешкова Ю.Я., Киди-наИ.Н., Баранова А. А., Долженкова И.Е., Счаетливцева В.М., Шура Е.А., Сухомлина Г.Д., Gensamer М., Embury J.D., Fisher R.M., Hull F.С., Mehl R.F., PitschW., GurlandJ., PuttlckK.E., Pró'ger M. и многих других, в работе была поставлена задача существенного повышения уровня конструктивной прочности сталей путем оптимизации гетерофазной структуры на микро- и мезоскопичес-ком масштабных уровнях и разработки новых высоких технологий термического и термопластического упрочнения материалов. Заметный прогресс в решении этой проблемы может быть достигнут путем тщательного анализа и учета соответствующим образом влияние параметров частиц второй фазы на характеристики надежности и долговечности материалов, а также путем использования полученных данных для разработки и применения нетрадиционных способов упрочнения. Фундаментальные исследования физической природы пластической деформации сталей в гетерогенном состоянии, на основе которых могут быть оптимизированы параметры структурных составляющих позволяют разработать эффективные способы термического и термопластического упрочнения изделий.

Отмеченные задачи могут быть решены с применением современных методов исследований, в том числе трансмиссионной и растровой электронной микроскопии, методов оценки статической, усталостной, ударно-усталостной трещиностойкости, контактноусталост-ной выно'сливости и др. К настоящему времени эти методы развиты, на достаточно высоком уровне, что позволяет эффективно использовать их для решения конкретных проблем.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом комплексных научных' исследований АН СССР на 1986...1990 гг. по проблеме "Физико-химическая механика разрушения конструкционных материалов" (темы 6.1.2; 9.4.2), государственной научно-технической программой "Сибирь" (блок "Новые материалы и технологии", раздел 6.01.03.01), Российской национальной научно-технической программой "Глубока переработка сырья и новые материалы", научно-технической программой Миннауки РФ "Новые материалы" (направление "Компьютерное конструирование материалов", проект N 07.08.0080.М).

Дели диссертационной работы заключались в выявлении закономерностей пластической чеформации и разрушения сталей со структурой перлита, оптимизации структуры сталей в гетерофазном состоянии по параметрам прочности, надежности и долговечности, а также разработке на этой базе эффективных схем термического и термопластического упрочнения сталей.

Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование методами оптической и электронной микроскопии закономерностей пластической деформации и разрушения сталей,' содержащих структуру перлита. Анализ особенностей проявления структурных уровней пластической деформации й этих сталях.

2. Выявление оптимальных структурных параметров перлита, обеспечивающих высокий уровень прочностных свойств и трещинос-тойкости сталей.

3. Разработка способа регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением аустенита. Оптимизация режимов выполнения этого способа обработки .сталей.

4. Разработка эффективных способов упрочнения сталей, основанных на реализации смешанных типов превращения переохлажденного аустенита (мартенситного в сочетании с перлитным, мартенсит-ного в сочетании с бейнитным). Оптимизация режимов выполнения этих способов обработки сталей.

5. Исследование, влияния структуры перлита на усталостную и ударноусрзлостную. трещиностойкость, контактноусталостную выносливость ,• скорость■изнашивания в условиях трения о жестко и нежестко закрепленные абразивные частицы.

6. Исследование' характера разрушения сталей с перлитной, ферритоперлитной, бейнитной, маргенситной, мартенсито-перлитной, мартенсито-бейнитной структурой в условиях ударно-усталостного-нагружения.

Для решения этих задач в работе использован следующий комплекс экспериментальных методов исследования: просвечивающая и растровая электронная микроскопия; оптическая микроскопия; статическая, усталостная, ударно-усталостная трещиностойкость; методы исследования абразивной износостойкости (в условиях трения о жестко и нежестко закрепленные частиим абразива) и др. методы.

- е -

Научная новизна работы.

- Установлены основные закономерности пластической деформации и разрушения стали со структурой перлита. Обнаружена ярко выраженная склонность гетерофазной пластинчатой структуры к неоднородному пластическому течению на ме8оскопическом масштабном уровне деформации, проявляющаяся во фрагментации цементитных пластин. Показана роль развития складчатых полос локализованного течения как доминирующего фактора разрушения пластинчатого перлита. Средствами электронной микроскопии обнаружено явление расщепления цементитных пластин на отдельные волокна.

- Обнаружен экстремальный характер зависимости между статической трещиностойкостью и пределом текучести стали со структурой перлита. Выявлены области оптимальных структурных состояний пластинчатого и глобулярного перлита, обеспечивающих лучшие сочетания предела текучести и трещиностойкости сталей. Установлены структурные критерии перехода перлита в хрупкое состояние.

- Разработан способ регулируемого термопластического упрочнения углеродистых сталей с перлитным превращением переохлажденного аустенита. Исследовано влияние основных температурновремен-ных параметров предложенного процесса на уровень важнейших механических свойств средне-и высокоуглеродистых старей.

- Разработаны эффективные способы термического и термопластического упрочнения углеродистых сталей, основанные на частичном распаде аустенита в мартенситной области и последующем пер-' литном или бейнитном превращении остаточного аустенита. Установлены оптимальные температурновременные параметры этих способов упрочнения средне-и высокоуглеродистых сталей..

Научная и практическая ценность • . '

1. Развитые в работе представления о поведении сталей с перлитной структурой в различных условиях внешнего нагружения легли в основу разработки способа регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением аустенита и нет-с-чдшшонных, эффективных методов термического и термопластического упрочнения, основанных на получении слакных гетерофазных '-труктур. .■ '

2. Установленные при выполнении работи закономерности пластического течения и разрушения сталей со с';"/ктурой пластинчатого п гло*-.*ллриого перлита могут быть распространены на более ии-I ■ кг."1 круг гетерофазш-х материалов со слоистой 'структурой и гло-

булярными выделениями упрочняющей фазы. Полученные данные можно использовать для разработки общей теории деформации и разрушения металлических материалов с гетерофазной структурой.

3. Приведенные в работе данные показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств сталей со структурой перлита, предназначенных для использования в различных условиях внешнего нагружения. Результаты экспериментальных исследований, отражающие связь структуры перлита с показателями прочности, надежности и долговечности сталей,могут быть использована при решении прикладных задач, в том числе при назначении оптимальных режимов известных и разработке перспективных способов термического и термопластического упрочнения.

4. Результаты научных исследований использованы при разработке эффективных технологических, процессов упрочнения деталей машин и элементов конструкций, работающих в тяжелых условиях внешнего нагружения (штрипсовых пил для камнеобработки, ударников отбойных молотков и др.).

5. Научные результаты, полученные при выполнении работы, использованы в учебных курсах "Металловедение", "Машиностроительные материалы", "Теория' строения металлов", читаемых в вузах Новосибирска: Новосибирском государственном техническом университете, Сибирской государственной академии путей сообщения, Сибирской государственной академии водного транспорта.

На защиту выносятся:

1. Закономерности пластической, деформации и разрушения сталей со структурой перлита.

2. Экспериментальные данные об оптимальных параметрах структурных составляющих перлита.

3. Результаты структурных исследований процесса распространения трещин при ударноусталостном нагружении сталей.

4. Способ и режимы регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением переохлажденного аустенита.

5. Способ и режимы получения смешанной структуры углеродистых сталей при реализации незавершенного мартенситного превращения в сочетании с перлитным превращением аустенита.

6. Способ и режимы термической обработки сталей, основанной на частичном мартенситном и бейнитном превращении переохлажденного аустенита.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах,совещаниях, семинарах.

1. Девятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии металлических материалов (Фрунзе, 1980 г.).

2. Десятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии (Новокузнецк, 1982 г.).

' 3. Всесоюзной научной конференции по износу, посвященной 1000-летию г. Брянска (Брянск, 1985 г.).

4. Десятом Всесоюзном совещании по теории и практике нанесения гавотермичёских покрытий (Дмитров, 1985 г.).

5. Всесоюзном семинаре по современному оборудованию и технологии термической и химико-термической обработки металлических материалов (Москва, 1986 г.). г

6. Всесоюзной научно-практической конференции по вопросам преподавания машиностроения и основ производства на факультетах общетехнических дисциплин (Новокузнецк, 1986 г.).

7. Пятом Всесоюзном симпозиуме по малоцикловой усталости (Волгоград, 1987г.).

8. Объединенном заседании Всесоюзных семинаров по дифракци-^ сшным методам исследования искаженных структур, актуальных проблем прочности и физико-технологических проблем поверхности металлов (Череповец, 1688 г.).

9. На втором Всесоюзном научно-техническом семинаре по повышению эффективности пневмоударных буровых машин (Новосибирск, 1990 г.).

10. На 4 международной конференции по компьютерному конструированию перспективных материалов и технологий. (Томск, 1995 г.)

11. На Западно-сибирском семинаре по прогрессивным методам упрочнения деталей машин и инструмента (Томск, 1980).

12. На 3 зональной научно-технической конференции по качеству поверхности и эксплуатационным свойствам деталей машин и приборов (Новосибирск, 1982 г.).

13. На Новосибирских городских научных семинарах по металловедению (Новосибирск, 1980 - 1963 гг.).

Результаты диссертации опубликованы в монографии и тридцати других работах, список которых приведен в конце автореферата.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы (£66 наименований) и трех прило-

жений, содержит 397 стр. рисунков, 14 таблиц.

- у -

машинописного текста, в том числе 120

Первая глава "Оптимизация структуры сталей по параметрам прочности и надежности" представляет собой анализ ряда важных аспектов, входящих в проблему научного выбора материалов. Учитывая цели, поставленные в работе и ее общую направленность, в данном разделе, имеющем постановочный характер, решалось несколько задач. Одна из них заключалась в выборе из множества параметров, характеризующих механические свойства сталей, такие, которые в наибольшей степени связаны с прочностью, надежностью и долговечностью изделий. При этом принималось во внимание, что исследуемые материалы имеют явно выраженную неоднородную, гетерогенную структуру. Установлено, что в качестве структурно чувствительных свойств, характеризующих поведение сталей с гетерофазной структурой в сложных условиях внешнего нагружения, наиболее целесообразно использовать показатели, определяемые при проведении прочностных испытаний, испытаний на статическую, усталостную и удар-ноусталостную трещиностойкость, контактную выносливость, испытаний на абразивное изнашивание. Для реализации отмеченных методов испытаний при выполнении представленной работы использовалось как современное стандартное, так и специально разработанное и изготовленное оборудование (комплекс установок для ударноуста-лостных испытаний при нагружении по схемам сжатия й изгиба, для испытаний- на-контактную усталость при нагружении по схеме пульсирующего контакта, для испытаний на изнашивание в условиях воздействия жестко и нежестко закрепленных абразивных частиц).

Обеспечивая путем термического или термопластического воздействия на материал различные комбинации дислокационных механизмов упрочнения, можно конструировать эффективную структуру материала. С позиций обеспечения высокого уровня прочности и надежности необходимо оценивать характер влияния дислокационных механизмов упрочнения одновременно на предел текучести и трещиностойкость сталей:

6г. Кю ~ ?(бп.бд.бр.бф.бэ), где 6П - напряжение трения кристаллической решетки, . или напряжение, которое должна преодолеть движущаяся дислокация в решетке, свободной от препятствий; бд - напряжение, обусловленное сопротивлением передвигающейся ■ дислокации ва счет действия яру-

гих дислокаций, расположенных на пути ее движения; 6Р - упрочнение растворенными атомами; бф - упрочнение диспераяыми фазами; б3 - упрочнение микроструктурными барьерами в виде границ зерен.

Представление предела текучести.и трещиностойкости сплава в виде совокупности взаимосвязанных моделей, основанных (»-проявлении соответствующих дислокационных механизмов упрочнения, ■обеспечивает методическую стройность процессу конструирования структуры сталей. Следует подчеркнуть, что если большинство аспектов проблемы влияния параметров гетерофазной структуры на прочностные свойства сталей достаточно успешно решены, то в отношении связи структуры с характером разрушения материалов такой ясности на сегодняшний день нет. Поэтому для решения задач; поставленных в настоящей работе, необходимо детальное исследование процессов внутренних преобразований структуры, происходящих при нагружзнии сталей. Особенно это касается сталей со структурой пластинчатого перлита.

Анализ приведенной зависимости позволил выбрать в качестве наиболее рациональных механизмов упрочнения сталей механизм упрочнения дисперсными фазами, механизм упрочнения границами зерен (для пластинчатого перлита - цементитными пластинами) и механизм, основанный на создании дислокационных субзеренных построений. Таким образом при термической, пластической и термопластической обработке сталей с гетерофазной структурой необходимо обеспечивать такие условия внешнего-воздействия, которые позволяют активизировать в первую очередь именно эти дислокационные механизмы упрочнения.

Одними из наиболее эффективных технологических процессов, позволяющих использовать рациональные дислокационные механизмы упрочнения и обеспечивать таким образом высокий комплекс показателей конструктивной прочности сталей, являются методы термопластического упрочнения, сочетающие процессы формообразования и термической обработки изделий. Получение конечной структуры, стабильно обеспечивающей высокий комплекс механических свойств сталей, возможно лишь в том случае, если на заключительной стадии деформации формируется оптимальная структура аустенита и обеспечиваются рациональные условия охлаждения сталей. Таким образом разработка современных технологических процессов термопластического упрочнения предусматривает необходимость жесткой регламентации температурных, силовых и временных параметров на

каадой стадии обработки сталей: температуры нагрева, • температуры начала и конца деформации, степеней пластической деформации (особенно на заключительной стадии процесса), мевдеформационных пауз, скорости охлаждения. Выводы, полученные в результате анализа материалов первого раздела, позволили конкретизировать нал- . равления дальнейших исследований и выявить спектр технологических решений, использование которых рационально для упрочнения сталей с гетерофазной структурой.

Во второй главе "Особенности образования и строения перли-. та" анализируются детальное строение пластинчатого и глобулярного перлита, а также основные параметры процессов термической обработки сталей, оказывающие влияние на структуру ферритоцемен-титной смеси. Основной объем структурных исследований и механических испытаний в диссертации выполнен на стали У8 (0,82 %С). Кроме того в работе использовали стали Ст5 (0,34 ХС), У10, 40Х, 5ХВ2С и другие. С целью получения наиболее однородной структуры пластинчатого перлита осуществляли изотермическую обработку стали в свинцовой ванне при температурах 550...700 °С. Структуру ферритоцементитной смеси с глобулярными выделениями карбидов получали в процессе закалки и последующего высокого отпуска. Кроме того структуру перлита с цементитом преимущественно глобулярной формы получали при использовании предложенного И.Г. Узловым и И.И. Долженковым с соавторами процесса анормального.распада аус-тенита, заключающегося в аустенитизации, кратковременном подсту-живании ¿тали до температуры на 30 °С выше точки Ми и последующем распаде аустенита при температурах перлитного Превращения.

Проведенный анализ позволяет говорить о перлите как об уникальной структуре, способной под влиянием ряда технологических факторов приобретать различное строение. Температура и время аустенитизации, температура изотермического превращения, ско-' рость непрерывного охлаждения, степень горячей, теплой и холодной деформации позволяют эффективно управлять структурным состоянием перлита, в частности изменять морфологию карбидной фазы, размеры колоний и субколоний, плотность дислокаций в ферритных промежутках, создавать псевдоячеистую дислокационную структуру, сверхмелкие субзеренные построения в феррите, изменять характер расположения цементитных пластин.

Надежные количественные связи механических свойств стали с" её структурой могут быть получены лшиь в том случае, если обос-

- 12 -. 1 новаино выбраны те параметры внутреннего строения ферритоцемен-титной смеси, которые определяют поведение материала при его нагружении. На основании многочисленных структурных исследований в работе развиты представления о• пластинчатом перлите как о структуре, состоящей из колоний, которые в свою очередь содержат более ■ мелкие образования с границами субзеренного типа - субко-лонин (рис.1а). Основными количественными параметрами колоний и субколоний являются их длина и ширина. Феррито-цементитная смесь характеризуется толщиной цементитных пластин и ферритных промежутков Ьф (рис.1г). Параметрами дислокационной структуры в феррите являются плотность дислокаций и размеры-субзеренных образований , формирующихся в определенных условиях силового и термического воздействия. ^

....................Рис.1. Строение пластинчатого перлита.

а - схема строения колоний и субколоний, б-г - дефекты строения пластинчатого перлита. 1г,12 - длина и ширина субколоний, 1К1.1к2_ длина и ширина колоний, Ь - межпластинчатое расстояние, Ь® - размер ферритного промежутка, 1ц - толщина цементитных пластин.

Описанная схема строения перлита является достаточно удобной при пепске количественных' связей между параметрами структуры и процессами упрочнения и разрушения

сталей. Б тоже время наблюдаются и в г . „

отклонения от данной схемы. В процессе проведенных исследований установлено, что для упорядоченной структуры пластинчатого перлита дефекты строения играют очень важную роль с позиций анализа структурных изменений при деформации материала. Как правило потеря устойчивости пластинчатых карбидов, их деформация и разрушение первоначально фиксируются именно в тех-местах, где имеются дефекты строения перлита. Одним из наиболее часто встречающихся видов дефектов строения пластинчатого перлита является криволинейность цементитных пластин (рис.16). В доэвт-ектоидных сталях снижение температуры рае. лада аустенита способствует формированию прерывистых цементитных пластин (рисЛг). В ряде случаев при трансмиссионных элект-пг.ннпмикроскопических исследованиях наблюдали цементитные плас-

тины Г-, У-образной и более сложной формы (рис. 1в), что свидетельствует о возможности проявления разных вариантов, кристаллографического сопряжения фаз перлита. Об этом же свидетельствует образование микрообъемов перлита с пластинами, расположенными в двух направлениях (рис. 1в).

Варьирование температурой аустенитизации, температурой перлитного превращения и параметрами горячей деформации позволяет в широких пределах управлять структурными изменениями в перлите. Повышение температуры аустенитизации от 900 до 1100 °С приводит к росту аустенитного зерна в стали У8 от 38 до 165 мкм. При этом, в случае изотермического превращения переохлажденного аус-тенита при 600 °С, продольный размер субколоний пластинчатого перлита увеличивается от 7,4 до 14,5 мкм, а поперечный размер -от 4,7 до 9,3 мкм. Уменьшение протяженности границ аустенита -основных мест образования перлита, является одной из наиболее, важных причин увеличения размеров субколоний при повышений температуры аустенитизации. Влияния температуры аустенитизации, а следовательно и размера аустенитного зерна на дисперсность це-ментитных пластин и ферритных прослоек при реализации изотермического превращения не установлено. В. отличие от температуры аустенитизации, температура распада переохлажденного аустенита оказывает влияние как на размер субколоний в перлите, так и на дисперсность феррита и цементита. При понижении температуры распада аустенита от 700 до 550 °С межпластинчатое расстояние уменьшается от .0,37 до 0,09 мкм. Продольный размер субколоний перлита в данном случае снижается от 10,6 до 3,7 мкм.

Основными структурными параметрами глобулярного перлита являются размеры карбидов, межкарбидное расстояние, объемная доля цементита, . размеры зерен и субзерен ферритной матрицы. Наиболее крупные карбиды обычно Выделяются вдоль границ верен и субзерен «-фазы. При высоких температурах образования перлита размеры карбидов, выделяющихся по границам, в Б...6 раз больше, чем карбидов, распределении в ферритной матрице. Наиболее нежелательный случаем является растворение всех матричных карбидов и "перекачивание" углерода на границы субзерен, выделяющегося в виде массивных глобулей цементита. Результатом такого процесса является образование ферритоцементитной смеси псевдокаркасного типа, представляющей собой субзеренную структуру, декорированную карбидами. При отпуске закаленных сталей признаки структуры этого

типа характерны для высоких температур обработки (> 650 °С).

Горячая пластическая деформация является одним из наиболее эффективных методов воздействия на структуру перлита. Способс-. твуя проявлению рекристашшаационных процессов и измельчению структуры аустенита, горячая пластическая деформация вызывает уменьшение размеров субколоний в пластинчатом перлите и субзе-•ренных . построений в глобулярном перлите, Собирательная рекрис-таллиаация аустенита приводит, в свою очередь, к увеличению размеров субколоний и субзеренных построений в перлите. Влияния горячей пластической деформации на дисперсность феррито-цементит-ной смеси при изотермическом превращении как в пластинчатом, так ■И в глобулярном перлите стали У8 не обнаружено.

В' третьей главе "Пластическая деформация и разрушение сталей со структурой перлита" рассмотрены процессы структурный изменений в перлите, происходящих во время статического нагружения •сталей, а также проведен анализ поведения сталей со структурой перлита в условиях усталостного, ударно-усталостного нагружения, изнашивания о жестко и нежестко закрепленные абразивные частицы.

В феррите эвтектоидной стали, изотермически обработанной при 750...550 °С, дислокации распределены в основном равномерно, изолированно (рис. 2а) с плотностью (2...6)-109 см-2. Изменения структуры пластинчатого перлита на начальных стадиях пластической деформации (е < 0,05) связаны, главным образом, с увеличением плотности дислокаций в феррите. 'В центральных объемах феррит-ных промежутков в образцах, прокатанных при комнаткой температуре. со степенью е - 0,05, наблюдается относительно однородное распределение дислокаций с плотностью р - (3...5) 1010 см"2. На- ■ иб'.-льшая плотность дислокаций наблюдается непосредственно вблизи цбь^нтятшх пластин, из-за чего карбидная фаза на экране электродного микроскопа выглядит в виде темных полос с "бахромой" . (рис. 26). На следующих стадиях холодной пластической деформации (е ~ 0,1...О,2) плотность дислокаций возрастает до значений р > 1011 см-2. Независимое перемещение отдельных дислокаций становится затруднительным. В резудьта' .• взаимодействия дислокаций, их совместного скоррелированного движения формируются построения, имеющие основные признаки ячеистой структуры (рис. 2в). Размер ячеек при е - 0,2 составляет - 0,4...1,0 мкм, толщина границ яеек - 0,2...О,6 мкм. Такую структуру следует считать псевдоячеистой, поскольку отдельные части ячеек ограничены не

щ 1И

в Ш

............,,„1^1 с . 1

ЩШШ.

Рис. 2. Схематическое изображение структурных состояний, возникающих при пластической деформации пластинчатого перлита.

а - дислокационная структура в равновесном состоянии; б - дислокационная "бахрома" вблизи цементитных пластин; в - псевдоячеистая структура; г - субзереНные построения в ферритных промежутках; д - деформация цементитных пластин в двух направлениях; е - простая одиночная складка; ж - периодическая складчатая структура; з - прорыв цемен- ' титных пластин в Зоне локализации пластического течения.

только дислокационными построениями, но и цементи-гными пластинами. При дальнейшем увеличении степени деформации (г > 0,2...0,3) образуются построения, имеющие форму простых одиночных или сопрягающихся между собой складок (рис. '2д,е),,

Полосовые построения возникают, как правило, вблизи границ субколоний. Причины их образования могут быть связаны с неоднородностью полей механических напряжений, формированием локальных дислокационных скоплений в ферритных промежутках, наличием дефектных, ослабленных мест в цементитных пластинах. Если деформация стали происходит не по двум, а по нескольким параллельным плоскостям, возникает структура типа "гармошки" (рис. 2ж).

Локальные деформации материала при образовании как одиночных полос локализованного течения, а также регулярной структуры ■типа "гармошки" могут достигать значительной величины. В результате быстро исчерпываются релаксационные возможности сплава. В первую очередь речь идет о поведении карбидной фазы. В наиболее деформированных зонах цементитных пластин возникают трещины, которые, объединяясь, приводят к разрушению всей субколонии (рис. 2з). Минимальная ширина образующихся полос составляет одно... три значения межпластинчатого расстояния и характерна дли деформации сталей растяжением. Механизм образования и развития полос локализованной пластической деформации является доминирующим механизмом разрушения пластинчатого перлита с толщиной карбидов менее 0,02 ■ мкм. Методами растровой И' трансмиссионной электронной микроскопии обнаружен необычный вид разрушения цементитных пластин, еаключающийся в их расслоении й образовании многочисленных волокон. Потеря целостности деформируемых пластинчатых карбидов и образование множества дефектных ослабленных участков обусловливают пониженный уровень трещиностойкости пластинчатого перлита по сравнению с глобулярным.

• Важнейшим структурным параметром, определяющим условия образования полос локализованного пластического течения в пластинчатом перлите, является размер субколоний. С позиций повышения трещиностойкости рационально измельчение субколоний, поскольку общая длина трещин, обусловленных формированием полос локализованного течения, обычно коррелирует с размерами субколоний. Наибольшую склонность к образованию полосовых складчатых построений и связанному с этим процессом разрушению проявляют крупные субколонии. Для субколоний с размерами менее Я...З мкм • образование

складчатых построений не типично. Положительным образом уменьшение размеров субколоний отражается на трещнноетойкоети стали также и при разрушении перлита по механизму декогезии цементита, поскольку как и при развитии полос локализованного течения возникшая трещина при подходе к границе субколонии или меняет свое направление или тормозится.

I Трещины, обусловленные деформацией ферритоце|.1ентнтиой смеси, в любом случае обычно возникают в цементитных пластинах. С позиций обеспечения надежности толщина карбидов имеет ванное значение. Наиболее опасным видом разрушения в перлите является хрупкий скол цементитных пластин. Этот механизм проявляется, главным образом, в грубопластинчатом перлите иц > 0,02...О,03 мкм). Однако характер разрушения стали определяется не только поведением цементитной составляющей, но также и свойствами феррита, о чем свидетельствуют экспериментальные данные. На рис. 3 приведена диаграмма конструктивной прочности стали со структурой пластинчатого перлита, отражающая связь трещиностойкости материала с его пределом текучести. Она имеет вид кривой с экстремумом. Максимальное значение трещиностойкости соответствует пределу текучести, равному -V 700 МПа. Такие свойства обеспечивает структура перлита со .значениями межпластинчатого расстояния, толщины цементитных и ферритных пластин, равными 0,15, 0,Ой и

0,13 мкм соответственно. Ш

ГЙ

I ^

V N

приведенном диаграммы следует важный вывод о том, что отклонение от значения пре-. дела текучести, равного 700 МПа, ведет к снижению вязкости разрушения. Следовательно увеличение межпластинчатого расстояния более 0,15 мкм представляется нерациональным путем изменения структуры, так как при этом одновременно уменьшаются и трещиностойкоеть к предел текучести стали. ' Сложная связь между тревдностойкостыо и пределом текучести зтэли со структурой перлита объясняется, главным обра&ом, йлия-

.450

55!)

КО

Рис. 3. Диаграмма конструктивной прочности стали У8 со структурой пластинчатого перлита.

нием дисперсности ферритных прослоек и цементитных пластин. Способность к деформации цементитных пластин в конкретных условиях нагрукения определяется их толщиной. Чем тоньше карбиды, тем большую деформацию выдерживают они без образования .разрушающих трешдн. Однако одновременно с уменьшением толшдаы цементитных пластин уменьшается и размер ферритного промежутка, т.е. увеличивается количество барьеров для движущихся дислокаций. Кроме того в деформируемом феррите возрастает плотность дислокаций, поскольку межфавные границы являются источниками их возникновения. Результатом отмеченного является увеличение предела текучести и снижение вязкости разрушения стали. Структура перлита с грубопластинчатым цементитом (Ьц > 0,02...0,03 мкм) с позиций влияния на трещинсстойкость также нежелательна, так как пластины карбидов будут разрушаться уже при незначительной пластической деформации. Кроме того на процесс разрушения стали с грубой структурой отрицательное влияние оказывает большая длина плоскостей скольжения в ферритных промежутках, Чем больше межпластинчатое расстояние в перлите, тем большее количество дислокаций скапливается вблизи пластин, а следовательно тем легче в головной части скопления возникает трещина. Таким образом совместное влияние перечисленных выше факторов обусловливает сложный характер связи между трещиностойкостью и пределом текучести стали.

Механизм разрушения стали со структурой глобулярного перлита существенно отличается от разрушения пластинчатой, структуры. .. I; отличии от пластинчатого в глобулярном'перлите, как правило, не происходит разрушение карбидов. Несплошности возникают в результате отслаивания частиц второй фазы от матрицы, обусловленного несоответствием механических свойств феррита и цементита. В' -■условиях статического нагружерия в холодном состоянии поры приобретают шарообразную форму. В процессе слияния этйх микропустот возникает вязкий излом чашечного типа. Энергоемкость этого процесса значительно превышает затраты энергии на разрушение пластинчатой структуры. Поэтому уровень трещиност^йкостя стали со структурой глобулярного перлита в несколько раз выше трещинос-тойкости стали со структурой пластинчатого перлита.

Экспериментально установлено, что в стали У8 с цементитом глобулярной формы при уровне предела текучести более 700 МПа нуждается обычный характер связи между основными показателями конструктивной прочности, т.е. с ростом предела текучести трещи-

нестойкость стали снижается. При уменьшении предала текучести менее 700 МПа (т.е. при увеличении размеров карбидов более 0,13 мкм и межкарбидного расстояния Солее 0,26 мкм) трещиностонкость стали несколько снижается. Таким обравом структурное состояние, обеспечивающее низкую прочность стали (менее 700 МПа), не способствует росту конструктивной прочности. Одна из причин такого поведения стали связана с тем, что вблизи грубых частиц цементита возникают крупице поры. Кроме того крупные частицы легче отслаиваются от матрицы,чем мелкие. Третья причина охрупчивания стали при образовании грубых глобулей состоит в том, что низкий уровень прочностных свойств стали обеспечивается структурой, основной особенностью которой является выделение наиболее крупных карбидов вдоль границ верен и субзерен а-фазы.

, Результаты статических испытаний имеют важное значение, однако не позволяют сделать однозначные выводы о поведении сталей со структурой перлита под нагрузкой. В этой связи в работе проведен анализ влияния структуры феррито-цементитных смесей на показатели ударной вязкости, усталостной и ударно-усталостной тре-щиностойкости, контактно-усталостной прочности сталей. Для повышения стойкости сталей со структурой пластинчатого и глобулярного перлита в условиях действия жестко и нежестко закрепленных абразивных частиц необходимо увеличивать дисперсность ферритоце-ментитной смеси. Износостойкость стали со структурой пластинчатого перлита выше, чем стали со структурой глобулярного перлита. Холодная пластическая деформация, обеспечивая упрочнение феррит-ной составляющей пластинчатого перлита, приводит к дроблению и расщеплению цементлтных пластин. Противоположное влияние отмеченных факторов на характер разрушения не позволяет повысить износостойкость стали со структурой перлита при увеличении ее прочностных свойств путем холодной пластической деформации. В условиях усталостного и ударноусталостного нагружения наиболее высокие показатели трещиностойкости обеспечивает структура глобулярного перлита. При контактноусталостном нагружеяии предпочтительна структура пластинчатого перлита. С целью повышения долговечности сталей в условиях контактноусталостного и ударноусталостного нагружения целесообразно увеличивать дисперсность ментитной составляющей. Повышению долговечности стали в условиях ударноусталостных испытаний способствует измельчение субколоний пластинчатого перлита. Это обусловлено необходимостью частой

смены направления развивающейся трещины, поскольку предпочтительными местами распространения трещин в условиях ударнсуста-лостного нагружения являются границы между субколониями, колониями, пластинами феррита и цементита.

Четвертая и пятая главы представленной работы посвящены проблемам разработки эффективных технологических процессов термического и термопластического упрочнения, обеспечивающих получение высокого комплекса механических свойств сталей с гетеро-фааной структурой. В основу их разработки легли наиболее важные принципы . рационального -конструирования структуры материала, полученные при исследовании поведения сталей со структурой перлита в различных условиях внешнего-нагружения. В, кратком виде они могут быть сформулированы следующим образом: ,

1. Размеры колоний и субколоний пластинчатого перлита должны быть минимальными (снижается опасность проявления локализации пластического течения в виде полос деформации); наиболее рационально образование субколоний с размерами менее 2...3 мкм.

2. С позиций обеспечения высокого комплекса механических свойств, в частности сочетания предела текучести и трещиностой-кости, наиболее нежелательна грубодисперсная структура пластинчатого цементита > 0,02...0,03 мкм). Оптимальными параметрами дисперсности фаз перлита являются следующие: ^ < 0,13 мкм,

< 0,02 мкм, (1 < 0,15 мкм.

3. При получении глобулярного перлита нерационально образование глобулей размером более 0,1...0,15 мкм (огрубление ферри-тоцементитной смеси ведет к падению уровня предела текучести и стэтической трешиностойкости).

4. С позиций повышения статической трещиностойкости сталей' предпочтительна структура с прерывистыми, 'несплошными цементит-нкми выделениями (снижается вероятность локализации пластического течч»ия в пределах узких полос Деформации).

5. Структура глобулярного.перлита предпочтительнее пластинчатого с позиций обеспечения надежности изделий. В глобулярном лерли*.*» необходимо избегать образования существенно отличающихся по размерам глобулей цементита (процессы локализации деформации и (крушения в первую оч"редь развиваются вблизи наиболее крупных цементитпых выделений).

0. С целью получения более однородной ферритоцементитной структуры находимо избегать длительных выдержек сталей при

г 21 -

температурах перлитного превращения (во избежание выделения паи более крупных карбидов по границам верен и суйв&рен « фазьи.

7. С позиций обеспечения надежности особо опасна структура перлита после холодной пластической деформации стали со отеьенл ми s > 0,2...0,3 (происходит хрупкое разрушение карбидов, расщепление цементитных пластин на отдельные волокна, образуется полосы локализованного течения).

8. В условиях усталостного и ударноустадостного разрушении наиболее высокие показатели трещиностойкости обеспечивает структура глобулярного перлита. При контактноусталостном нагружетш предпочтительна структура пластинчатого перлита. С целью повыше ния долговечности в условиях контактноусталостного и ударнсуита лостного нагружения целесообразно увеличивать дисперсность пе-ментитной составляющей. Повышению долговечности сталей в условиях ударноусталоетных испытаний способствует измельчение колоний пластинчатого перлита,

9. С целью повышения стойкости сталей в условиях поверноот--ного разрушения абразивными частицами необходимо повышать дисперсность ферритоцементитной смеси. Холодная пластическая деформация не позволяет существенно повысить износостойкость перлита.

прочности, надежности и долговечности, может быть сформирована лишь в том случае, если при ее создании будут учтены все основные особенности поведения материала в различных условиях нагружения. Анализ результатов проведенных исследований показал, что рациональны}.! способом воздействия на структуру образующегося из аустенита перлита является горячая пластическая деформация. Первый шаг на пути использования этого метода воздействия заключался' к разработке способа регулируемого термопластического упроч-

Рис. 4. Схема процесса регулируемого термопластического упрочнения > стали. А - размельчение зерна аустенита; Б - создание в мелком зерне субзеренной структуры; В - регулируе-

«■» мое охлаждение.

Естественно, что оптимальная структура стали, обеспечивающая наилучшие сочетания показателей

нения (РТПУ) сталей со структурой перлита, в основе которого лежит идея тщательного управления структурным состоянием аустенита и режимами его последующего превращения (рис. 4). Технологический процесс способа РТПУ предусматривает обеспечение условий для ' измельчения аустенитных зерен и создания в них субзеренных построений. Это достигается путем комбинации двух заключительных обжатий в процессе горячей прокатки сталей. За счет управления температурно-временными параметрами и степенью горячей деформации в процессе РТПУ обеспечиваются условия насыщения аустенита дислокациями, развития рекристаллизационных процессов, перераспределения дислокаций и образования в измельченных зернах субзеренных построений.

Проведенные исследования показали, что для средне-и высокоуглеродистых сталей оптимальные параметры РТПУ находятся в пределах: температура конца прокатки 900...950 °С; предпоследнее обжатие со степенью - 20...40%; последеформационная пауза длительностью - 2...40с; окончательная деформация со степенью ег - 5...15%; превращение аустенита при 550..,630 °0. При осуществлении изотермического распада аустенита в перлит основной эффект способа РТПУ заключается в увеличении по сравнению с обычной изотермической обработкой уровня статической трещинос-тойкости (на 15...35 %), что обусловлено измельчением субколоний. Влияния горячей пластической деформации на дисперсность ферритоцементигной смеси не обнаружено. Именно этим объясняется тот факт, что прочностные свойства стали со структурой перлита после горячей пластической деформации существенно не Изменяются.

Результаты исследования процессов РТПУ в широком диапазоне . температур распада аустенита показали, что. наибольший прирост прочностных свойств, связанный с формированием оптимальной структуры и субструктуры аустенита, проявляется при осуществлении сдвигового механизма распада аустенита, .т.е. . при получении структур бейнита и мартенсита. ЗТо обусловлено, вероятно, прямым наследованием бейнитом (в особенности нижним), и мартенситом дислокационной структуры, сформированной на заключительной стадии процесса горячей деформации.' Повышение прочностных свойств углеродистых сталей в процессе РТПУ имеет место также в случае пос-л^доготельного распада аустенита в области температур мартенсит-ного и перлитного превращения. Так например на стали звтектоид-нс го состава прирост предела текучести, обусловленный проведени-

ем регулируемого термопластического упрочнения, при получении смешанной структуры составляет 160...200 Ш1а (при одинаковых значениях статической трещинастойкостн).

Эффективно управлять прочностными свойствами перлита можно, изменяя дислокационное состояние феррита. Установлено, что с позиций обеспечения наилучшего сочетания прочностных свойств и трещиностойкости перлита оптимальной является структура с субае-ренными построениями. Такая структура может быть сформирована в процессе теплой деформации стали, т.е. при температурах 650... 700 °С. В соответствии с результатами проведенных исследований оптимальной степенью теплой деформации является обжатие на 10... 15% при 550...630 °С. Ширина субзерен, образующихся в этих условиях, соответствует толщине ферритного промежутка ь® (-0,1...0.2 мкм), а длина составляет (2...2,5)ЬФ. При сочетании способа РТПУ с теплой деформацией предел текучести звтекгоидной стали возрастает по сравнению с обычной изотермической обработкой на 100...200 МПа, сохраняются на постоянном уровне статическая тре-щиностойкость и ударная вязкость, возрастает пороговый коэффициент интенсивности напряжений к^. Наиболее эффективно в условиях теплой деформации упрочняется сталь со структурой пластинчатого перлита. Дальнейшее повышение комплекса важнейших механических свойств сталей возможно лишь при использовании нетрадиционны^ подходов к проблеме конструирования структуры материала.

Глава 5 посвящена разработке эффективных способов упрочнения сталей, основанных на получении смешанных гетерофазных структур. Необходимость разработки этих способов обусловлена относительно низким уровнем прочностных свойств сталей со структурой перлита. В этой связи, используя основные рекомендации по получению оптимальной структуры сталей, в работе предложен способ упрочнения, основанный на реализации незавершенного мартен-ситного превращения в сочетании с последующим распадом переохлажденного аустенита в перлитной области. Суть его заключается в том, что после аустенитизации при (рис. 5а) сталь быстро охлаждается до температуры Ьп, лежащей мезду точками Ын - и соответствующей образован™ 25...50 2 мартенсита (рис. 56). После выдержки длительностью хп в данной среде стзль ¡¡а время т.иэ помещают в изотермическую ванну с температурой соответствующей области перлитного превращения. В этих условиях оставшаяся часть переохлажденного аустенита превращается в перлит прет,¡у-

щением ауетенита. а - структура стали в аустенитном состоянии; б - образование мартенситных кристаллов в области температур между Ма и Мк; в - конечная структура после выдержки в перлитной области. Ип - пластинчатым перлит; Пг - глобулярный перлит; М0 - продукты отпуска мартенситных кристаллов; С - участки с пластинчатыми и глобулярными карбидами; Ф - участки «-фазы, свободные от карбидов; Кг - карбиды, выделившиеся на границах «-фазы.

щественно глобулярной формы, а сформированный ранее мартенсит частично отпускается (рис. 5в). Проведенные исследования показали, что для стали У8 рациональна термообработка по следующему режиму: ta - 950 °С, tn - 180 °С (оптимально 25...30 % мартенсита), тп- 30 с, tM3 - 550...700 °С, Тиз - 20 с. Для стали Ст5 - . ta - 1000 °С, tn - 200 °С (оптимально 40...50 X мартенсита), тп »5c, tH3 - 550...700 °С, Т„3 - 20 с. ■

Основные достоинства разработанного способа заключаются в следующем. Во-первых, мартенситное Превращение осуществляется не- i полностью. При температуре подстуживания мартенситные кристаллы окружены пластичным аустенитом, что обеспечивает условия для релаксации закалочных напряжений. Во-вторых, Цементит имеет преимущественно глобулярную форму (60...70 Z от всего объема образу-' имейся карбидной фазы). И в третьих, в условиях кратковременной выдержки при Ьиз не происходит существенного' перераспределения угле рода и выделения карбидов по границам зерен и субзерен а-фа-<?ы (что типично для улучшения). Этим объясняется .высокий уровень тр^ацшостойкости сталей, подвергнутых термообработке со смешан-iib'M превращением переохлажденного ауетенита. При обеспечении .одинакового уровня предела текучести статическая трещиностой-кцеть сталей У8 и Ст5 после реализац .. предложенного способа упрочнения - на 100...150 МДж/м2 т.е. на 20...30 % выше по сравне-гш" с традиционным улучшением. По сравнению же с изотермической ■'работкой у стали СтП наблюдается одновременный прирост проч-

ностных свойств (примерно на 200 Ша) и статической трещшостой-кости (на 150 МДж/м2). Еще более высокий уровень конструктивной прочности обеспечивает РТПУ в сочетании с комбинированным превращением аустенита, что объясняется повышением дисперсности основных структурных составляющих сталей.

Развитием данного способа получения смешанной структуры стала разработка способа упрочнения сталей, основанного на сочетании мартенситного и бейнитного превращения переохлажденного аустенита. Его суть заключается в том, что после аустенитнзации стали производится резкое охлаждение, образование определенного количества мартенсита и последующий распад оставшегося аустешгга в области бейнитного превращения. Эффективность разработанного способа упрочнения проверена на сталях У8, 4GX и 5ХВ2С, для которых экспериментально были определены оптимальные температур-но-временные параметры обработки. Основные достоинства этого способа заключаются в повышении ударноусталостной трещинистой-кости сталей. Для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, работающих в условиях ударноусталостного нагружения, наиболее оптимальной является структура, состоящая из 60 % нижнего бейни-та и 40 У, отпущенного мартенсита. По сравнению с изотермической закалкой и закалкой с последующим отпуском после обработки с комбинированным мартенситным и бейнитным превращением аустенита скорость развития трещин при ударноусталостном нагружении сталей снижается в 1,5...2,5 раза. Таким образом разработанные способы термического и термопластического упрочнения позволяют существенно повысить комплекс важнейших механических свойств сталей, определяющих металлоемкость, надежность и долговечность изготовленных ив них изделий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. В условиях внешнего нагружения стали со струстурой перлита характеризуются ярко выраженной склонностью к локализации пластического течения на всех масштабных уровнях деформации. По мере увеличения степени холодной деформации это выражается ь образовании дислокационной "бахромы" на межфазных границах ( при истинной степени деформации в - 0,01.. .С, 1), формировании псеи-доячеистой дислокационной структуры (г - 0,1.. (¿р*ым>мш

полосовой складчатой структуры (г > 0,2...0,;<), разруитш не-

ментитных пластин в полосах локализации пластического течения (£ > 0,2...0,3).

2. Доминирующим механизмом разрушения пластинчатого перлита с толщиной цементитных пластин менее 0,02 мкм является механизм образования и развития полос локализованной пластической деформации. Минимальная ширина образующихся полос составляет одно... три значения межпластинчатого расстояния и характерна для деформации сталей растяжением. Основным структурным фактором, препятствующим образованию полос и снижающим,их роль в процессе разрушения перлита, является уменьшение размеров субколоний. Для перлита с размерами субколоний менее 2...3 мкм образование полос локализовавнного течения не типично. Наиболее опасным механизмом разрушения, определяющим трещиностойкость перлита с толщиной це-ментитных пластин более 0,02...О,03 мкм, является механизм хрупкого скола карбидов.

3. Зависимость между статической трещиностойкостью и пределом текучести стали со структурой пластинчатого перлита имеет экстремальный характер. Такой характер свяви обусловлен одновременным влиянием на процесс деформации стали ряда структурных факторов, важнейшими среди которых являются толщина цементитных пластин, размер ферритных промежутков, размер субколоний перлита. Максимальный уровень трещиностойкости соответствует межпластинчатому расстоянию 0,15 мкм, толщине ферритных промежутков 0,13 мкм, толшине цементитных пластин 0,02 мкм. При образовании" глобулярного перлита наилучшие сочетания, прочностных свойств и статической трещиностойкости эвтектоидной стали обеспечивает структура о диаметром, карбидов менее 0,13 мкм и межкарбидным. расстоянием менее 0,26 мкм. '

4. Важнейшая закономерность поведения сталей.со структурой пластинчатого перлита в условиях холодной деформации прокаткой и растяжением со степенью е > 0,2...0,3 заключается во фрагментации цементитных пластин, проявляющейся в образовании многочисленных осколков и расслоении карбидов на отдельные волокна. Потеря целостности деформируемых пластинчатых карбидов и образование множества дефектных ослабленных участков обусловливают пони-ж!чшпй уровень статической трещиностойкости пластинчатого перлита по с ранению о глобулярным и не позволяют повысить стойкость Х'.чпздиодсЬрмированиого перлита в условиях воздействия абразив-:!':•■: тстиц.

5. С учетом выявленных закономерностей поведения' ферри-то-цементитной структуры в условиях внешнего нагружения разработан эффективный способ регулируемого термопластического упрочнения (РТПУ) сталей с перлитным превращением аустенита, который основан на получении на заключительной стадии горячей пластической деформаций мелкозернистой структуры аустенита с субзеренными построениями и последующем контролируемом превращении аустенита в конечную структуру. Для средне-и высокоуглеродистых сталей оптимальные параметры РТПУ находятся в пределах,- температура конца прокатки 1дбф - 900... 950 °С, предпоследнее обжатие со степенью £1 - 20...40 X, последеформационная пауза длительностью Хг -3...40 с, окончательная деформация со степенью £г - 5...15 превращение аустенита при 550...630 °С.

6. В процессе поиска оптимальных структурных состояний, обеспечивающих высокий уровень конструктивной прочности сталей, разработаны способы термического и термопластического упрочнения сталей, основанные на получении смешанной структуры в результате неполного мартенситного превращения аустениха в сочетании с последующим перлитным превращением остаточного аустенита. На-основании проведенных исследований разработаны оптимальные технологические режимы упрочнения средне-и высокоуглеродистых сталей. Предложенные технологические процессы позволяют в широких пределах управлять прочностными свойствами и показателями надежности сталей. . '

7. Формирование структуры , обеспечивающей сочетание высота« уровней прочностных свойств и ударноусталостной трещяностой-кости сталей, происходит в результате предложенной в работе ступенчатой термической обработки с распадом 30...40% аустенита в структуру мартенсита и распадом, оставшегося аустенита в области температур бейнигного превращения. Использованный при разработке этого способа термического упрочнения принцип получения смешанной структуры обусловливает повышенную релаксационную способность образующегося мартенсита, что в свою очередь обеспечивает высокий уровень показателей надежности сталей.

8. Полученные при выполнении работы результаты легли в основу технологии упрочнения штрипсовых. пил, используемых в камне-обработке. Время работы пил до появления разрушающих трещин увеличено в 4,5 раза. Разработанная технология термического упрочнения стал";"!, основанная на получении структур смешанного типа.

позволяет повысить время службы ударников отбойных молотков в 1,5 раза. Прокатка уголка из стали 45 в условиях прокатного цеха Иркутского завода тяжелого машиностроения по технологии регулируемого термопластического упрочнения позволяет повысить по сравнению с серийной технологией прочностные свойства на 10.. 18 пластичности на 14%, ударной вявкости более чем на 40 статической трещиностойкости на 11 %, снизить порог хладноломкости на 30 °С.

Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, статьях и тезисах докладов:

1. Тушинский Л.И., БатаевА.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е, 1993.- 280 с.

2. Тушинский Л.И., БатаевА.А. Субструкгурное упрочнение стали // Изв. вузов. Физика. - 1991.- N 3.- С. 71-80.

3. Батаев A.A., Тушинский Л.И., Батаев В.А., Юдошенко П.В. Пластическая деформация и разрушение сталей со структурой перлита/ Тез. докл. 4-й межуунар. -конф. - Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий,- Новокузнецк, 1995.- С.271.

4. Власов B.C., Батаев A.A., Потапов В.М. Регулируемое термопластическое упрочнение сталей // Структуры объемно и поверхностно упрочненной стали. - Новосибирск: Новосиб. электрогехн. ин-т, 1984. - С. 69-73. •

5. Батаев A.A. Особенности структуры пластинчатого перлита// Объемное и поверхностное ' упрочнение конструкционных сталей.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т,'1091.- С. 13-19.

6. Тушинский Л.И., Батаев А.А;, Батаев В.А. Пластическая деформация и разрушение сталей с гетерофазной 'структурой/ Тез. докл. междунар. научно-техн. российско-германской конф. - Пластическая и термическая обработка современных металлических мате-ри-иов. - Санкт-Петербург, 1995. - С. 126-128.

7. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Потапов В.М. и др. Стойкость упрочненных материалов в условиях контактного нагружения // МиТОМ.- 1988.- N 5.- С. 36-38.

3. Батаев A.A., Тушинский Л.И., Поп-лтох А.К., Батаев В.А. ОеоС—нн"ста разрушения сталей при ударно-циклическом нагружении/ ?<•£. докл. . 4-й междунар.. конф. - Прочность и пластичность мате-

риалов в условиях внешних энергетических воздействий,- Новокузнецк, 1995.- С.272.

9. Тушинский Л.И., Батаев В.А., Батаев A.A. Влияние структуры перлита на трещиностойкость стали J Тез. Всесоюзн. сешш. Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов,- Череповец, 1988.- С. 126-127.

10. Тушинский Л.И., Батаев В.А., Батаьв A.A., Миронов E.H. Ударная вязкость стали 45 с защитными покрытиями // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1988,- N 8,- С. 85-88.

И. Батаев A.A., Миронов E.H. Влияние условий горячей деформации на структуру и свойства перлитной стали // Оптимальная структура стали для повышения конструктивной прочности.- Новосибирск: Новосиб.. электротехн. ин-т, 1983.- С. 10-14.

12. Тихомирова Л.Б., Батаев A.A., Потапов В.М. Влияние условий превращения аустенита на эффект РТПУ // Оптимальная структура стали для повышения конструктивной прочности,- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1983.- С. 23-26.

13. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Батаев В.А., Потапов В.М. Конструктивная прочность стали со структурой перлита // Новые методы повышения конструктивной прочности стали,- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-г, 1985.- С. 3-13.

14. Тушинский Л.И., Батаев В.А., Батаев А.А. Регулируемое термопластическое упрочнение стали с изотермическим превращением // Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов,- М.: МДНТП, 1986.-' С. 119-122. ' .

15. Батаев A.A., Тушинский Л.И., Миронов E.H. и др. Структурные изменения в стали при сложном нагружении // Объемное и поверхностное упрочнение деталей машин.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1987,- С. 138-148.

16. Плохое A.B., Батаев A.A. Влияние особого структурного состояния аустенита малоуглеродистой стали на вязкость разрушения // Тез. докл. на 9 научно-техн. совещ. по тепловой микроскопии металлических материалов,- Структура и прочность металлических материалов в широком'диапазоне температур,- Фрунзе, 1980.-С. 97-99.

17. Тихомирова Л.Б., Плохов A.B., Батаев A.A. Термопластическое упрочнение стали 20 с различным аустенитным зерном // Новые методы упрочнения и обработки металлов.-.Новосибирск: Ново-

- -so -

сиб. электротехн. ин-т, 1980.- С. 84-93.

18. Батаев В.А., Батаев A.A., Тихомирова Л.Б. Ударная вязкость комбинированно упрочненных сталей // Структура и свойства упрочненных • конструкционных материалов.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1990.- С. 8-12.

' 19. Тушинский Л.И., Батаев В.А., Батаев A.A. и др. Пластическая деформация и разрушение стали со структурой пластинчатого перлита // Структура и конструктивная прочность стали.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1989.- С. 3-11.

20. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Батаев В.А., Тихомирова Л.В. Конструктивная прочность стали со структурой перлита / Тез. Всесоюзн. научно-практ. конф.- Структура и свойства конструкционных' и инструментальных материалов.- Ч. 111.- Новокузнецк, 1986.- С. 19-20. ' "

21. Потапов В.М., Батаев A.A. Исследование процессов рекристаллизации звтектоидной стали // Новые методы упрочнения и обработки металлов.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1981,- С. 99-107.

22. Тихомирова Л.В., Батаев A.A., Власов B.C., Потапов В.М. Рекристаллизационные про.цессы в горячедеформированном аустените звтектоидной стали / Тез. докл. 10 Всесоюзн. соьещ. по тепловой микроскопии.- Структура и свойства металлов в широком диапазоне температур.- Новокузнецк, 1982.- С.36.

23. Тихомирова Л.В., Власов В.Я., Потапов В.М., Батаев A.A. Комплексноё выявление структуры аустенита горячедеформированной

■ углеродистой стали // Структуры объемно и поверхностно упрочненной стали.- Новосибирск: Новосиб. электротехн, ин-т, 1984,- С. 66-69.

24. Плохов A.B.., Артемьев А.П., Батаев A.A. Вязкость разрушения стали 20 после регулируемого термопластического упрочнения // Новые методы упрочнения и обработки металлов,- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1981.- С. 21-33.

25. Батаев В.А., Батаев A.A. Структура стали У8 после смешанного мартенсито-перлитного превращения // Структура и оптимальное упрочнение конструкционных материалов.- Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1988.- С. 16-21.

26. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Батаев В.А., Гельтман И.С.

, Изнашивание защитных покрытий в условиях воздействия газоабразивной среды /У Проблемы прочности,- 1988.- N 5,- С. 108-110.

27. Тушинский JI.И., Батаев A.A., Понелюх А.И. Деформации и разрушение сталей при ударноусталостном нагрукении/ Тез. докл. междунар. научно-техн. российско-германской конф. - Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов. -Санкт-Петербург, 1S95, - С. 128-129.

28,. Тушинский Л. И., Батаев A.A. Проблемы повышения износостойкости новых материалов / Тез. докл. .научно-техн. конф. -Проблемы современных материалов и технологий. Производство наукоемкой продукции. - Ч. 1. - Пермь, 1993.- 0.91-94.

29. Тушинский Л.И., Батаев A.A. Структурные уровни пластической деформации перлита/ Докл. междунар. конф. - Проблемы современного- материаловедения. - Днепропетровск, 1995. - С. 16-25.

30. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Тихомирова Л.Б., Батаев В.А. Влияние субструктуры перлита на развитие трещин при усталостном нагружении / Тез. докл. Y Всесоюан. симпоз. по малоцикловой усталости.- Малоцикловая усталость - критерии разрушения и структуры материалов.- Волгоград, 1987.- С. 119-120.

31. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Батаев В.А. Пластическая -деформация и разрушение сталей с гетерофаэной структурой/ Тез. докл. междунар. научно-техн. российско-германской конф. - Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов. - Санкт-Петербург, 1995. - С. 126-128.

дписано в печать 29.09.95. Формат 60 х 84 1/16. Бумага ерточная. Тираж 100 экз. Печ.л. 2,0. Заказ N 4/fi Бесплатно

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20