книги / Наноструктурные стали

лено, что при уменьшении размера аустенитного зерна и при измельчении рейки зависимость характеристик прочности имеет сложныйхарактер. Зависимость предела текучести (σ0,2) от размера зерна аустенита и среднего поперечного размера рейки подчиняется закону Холла – Петча (σ0,2 = 899 + 751dа–1/2) при диспергировании аустенитного зерна до 10 мкм и рейки мартенсита до 200 нм, а при дальнейшем диспергировании структуры до наноуровня наблюдается отклонение от установленной линейной зависимости. С ростом характеристик прочности разница между пределом прочности и пределом текучести уменьшается, что вызвано снижением коэффициента деформационного упрочнения при диспергировании структуры. Данный факт обусловлен снижением плотности дислокаций из-за наличия большого количестваих стоков– границ исубграниц [53].

Рис. 2.27. Вырезка образцов из листовой заготовки из стали 12Х2Г2НМФТ

Следует отметить, что при диспергировании структуры закаленной системно легированной стали 12Х2Г2НМФТ наилучшие характеристики прочности наблюдаются у образцов с самым мелким аустенитнымзерноми снаименьшим размером пакетови реек мартенсита.

При исследовании влияния дисперсности структуры закаленной стали 12Х2Г2НМФТ и направления вырезки образцов из листовой заготовки на ударную вязкость (КСТ) (рис. 2.28) показано, что измельчение аустенитного зерна от 65 до 40 мкм на продольных образцах (см. рис. 2.27) не влияет на уровень КСТ. Разрушение в этом

61

случае происходит поперек волокна листа в условиях плоскодеформированного состояния (рис. 2.29, а), а уменьшение размера аустенитного зерна менее 40 мкм вызывает рост уровня КСТ и реализацию условий плосконапряженного состояния с образованием боковой утяжки (рис. 2.29, б) [54]. В результате диспергирования структуры закаленной стали 12Х2Г2НМФТ происходит смена микромеханизма разрушения с квазискола на вязкий (рис. 2.30, а, б).

Рис. 2.28. Зависимость характеристик ударной вязкости (КСТ) идоли продольных канавок в изломе стали 12Х2Г2НМФТ в за-

определенныена продольныхобразцах

Уровень КСТ закаленной стали 12Х2Г2НМФТ, полученной на поперечных образцах (см. рис. 2.27), на которых разрушение при испытаниях проходило вдоль волокна листа, при диспергировании структуры снижается (рис. 2.28, б), что вызвано влиянием вытянутых в направлении прокатки листа неметаллических включений [51] – преимущественно сульфидов марганца.

62

Рис. 2.29. Макростроение изломов стали 12Х2Г2НМФТ после испытаний на ударную вязкость (КСТ) продольных (а, б) и поперечных (в, г) образцов, ×5: а, в – dа = 65 мкм; б, г – dа = 2,5 мкм

Рис. 2.30. Микрофрактография изломов закаленной стали 12Х2Г2НМФТ после испытаний на ударную вязкость (КСТ) продольных (а, б)

и поперечных (в, г) образцов: а, в – da = 65 мкм; б, г – da = 2,5 мкм

63

Микрофрактографический анализ показал, что в состоянии стали 12Х2Г2НМФТ с высоким уровнем КСТ в структуре плоской части излома наблюдается небольшое количество канавок – 3 % площади (рис. 2.30, в), которые вытянуты вдоль направления разрушения. В состоянии с низким уровнем КСТ доля продольных канавок в изломе составляет уже 17 % площади излома (рис. 2.30, г). По-видимому, обнаруженные канавки сформированы при разрушении на месте вытянутых при прокатке неметаллических включений. Доля канавок в изломе увеличивается при диспергировании структуры, что хорошо согласуется с изменением уровня ударной вязкости: уменьшение доли канавок в изломе сопровождается снижением уровня ударной вязкости (КСТ) (см. рис. 2.28).

Обнаруженная тенденция изменения значений ударной вязкости КСТ поперечных образцов вызвана тем, что методика получения аустенитного зерна различного размера связана с нагревом до различных температур (см. табл. 2.6), причем аустенитное зерно выращивали путем увеличения температуры обработки, что сопровождается растворением неметаллических включений, в том числе сульфидов марганца. Вытянутые вдоль прокатки неметаллические включения (преимущественно сульфиды марганца) уменьшают энергоемкость распространения трещины при испытаниях на ударную вязкость в случае, если они вытянуты вдоль направления развития трещины, так как выступают в качестве готовых микротрещин [51], количество которых зависит от температуры последней аустенитизации перед закалкой.

Микромеханизм разрушения в областях между канавками определяется дисперсностью структуры и схож с поперечным разрушением сформированного при прокатке волокна: в крупнозернистом состоянии основным элементом излома являются фасетки транскристаллитного скола (см. рис. 2.30, в), в наноструктурном состоянии – ямки (см. рис. 2.30, г).

64

Вопросы для самоконтроля

1.В чем заключается особенность интенсивной термоциклической обработки исходно закаленных низкоуглеродистых сталей?

2.Опишите процессы, происходящие при интенсивной термической обработке низкоуглеродистых сталей с исходно закаленной и холоднодеформированной структурой.

3.Как зависит уровень характеристик прочности и надежности от размера элементов структуры и направления вырезки образцов из листовых заготовок низкоуглеродистых сталей?

65

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Капуткин Д.Е. Неравновесные состояния структуры закаленных многокомпонентных сплавов железа и их приближение к равновесию // Фундаментальные проблемы современного метал-

ловедения. – 2007. – Т. 4, № 1. – С. 58–65.

2.Пластическая обработка металлов простым сдвигом / В.М. Сегал, В.И. Резников, А.Е. Дробышевский, В.И. Копылов // Известия АН СССР. Металлы. – 1981. – № 1. – С. 115–123.

3.Процессы пластического структурообразования металлов / В.М. Сегал [и др.]. – Минск: Навука i тэхнiка, 1994. – 231 с.

4.Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Ло-

гос, 2000. – 272 с.

5.Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов

суникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии. – 2006. – Т. 1, № 1–2. –

С. 208–216.

6.Тюрин В.А., Лазоркин В.А., Поспелов И.А. Ковка на ради- ально-обжимных машинах. – М.: Машиностроение, 1990. – 256 с.

7.Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов: моногр. – 2-е изд. – М.: Металлургия, 1978. – 568 с.

8.Митрохович Н.Н., Симонов Ю.Н., Клейнер Л.М. Технологичность и конструкционная прочность низкоуглеродистых сталей

смартенситной структурой: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. –

Пермь, 2004. – 123 с.

9.Липчин Н.Н. Перераспределение легирующих элементов при перекристаллизации стали в процессе нагрева // МиТОМ. – 1990. – № 11. – С. 8–11.

10.Симонов Ю.Н. Условия получения структуры пакетного мартенсита при замедленном охлаждении низкоуглеродистого аустенита // ФММ. – 2004. – Т. 97, № 5. – С. 77–81.

66

11.Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. – М.: Металлургия, 1973. – 208 с.

12.Изотов В.И., Вознесенский В.В., Бащенко А.П. Влияние величины исходного зерна на структуру и предел текучести стали, закаленной на мартенсит // Проблемы металловедения и физики металлов:

сб. науч. тр. – М.: Металлургия, 1976. – № 3. – С. 192–199.

13.Армстронг Р.В. Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном // Сверхмелкое зерно в металлах: пер. с англ. –

М.: Металлургия, 1973. – С. 11–40.

14.Кейн Р.Х., Грант Н.Дж. Рекристаллизация и измельчение зерна // Сверхмелкое зерно в металлах: пер. с англ. – М.: Металлур-

гия, 1973. – С. 164–181.

15.Штремель М.А., Андреев Ю.Г., Козлов Д.А. Строение

ипрочность пакетного мартенсита // МиТОМ. – 1999. – № 4. –

С. 10–15.

16.Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. – М.: Металлургия, 1984. – 264 с.

17.Формирование структуры и механических свойств углеродистой конструкционной стали в процессе наноструктурирования методом равноканального углового прессования / Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, М.П. Барышников, О.А. Никитенко // Деформация

иразрушение материалов. – 2011. – № 7. – С. 11–16.

18.Lee D. The nature of superplastic deformation in the Mg – Al eutectic // Acta Met. – 1969. – Vol. 17, № 8. – P. 1057–1069.

19.Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлических материалов. – Л., 1984. – 192 с.

20.Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термическиобработаннойстали. – М.: Металлургия, 1994. – 288 с.

21.Кушталова И.П. Рекристаллизация и дисперсионное упрочнение металлов исплавов. – Киев: Наукова думка, 1969. – 123 с.

22.Физические основы термоциклической обработки стареющих сплавов / Р.Л. Тофпенец [и др.]. – Минск: Навука i тэхнiка, 1992. – 190 с.

23.Zwell L., Gorman L., Weissman S. // ASM. – 1966. – Vol. 59, № 1. – P. 491.

67

24.Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. – М.: Металлургия, 1971. – 496 с.

25.Grange R.A. Strengthening steel by austenite grain refinement // Trans. Quart. ASM. – 1966. – Vol. 59. – Р. 26–47.

26.Портер Л.Ф., Дабковски Д.С. Регулирование размера зерна путем термоциклирования // Сверхмелкое зерно в металлах: пер.

сангл. – М.: Металлургия, 1973. – С. 135–164.

27.Перкас М.Л., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситостареющие стали. – М.: Маталлургиздат, 1970.

28.Заяц Л.Ц., Панов Д.О., Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации сис- темно-легированных сталей // МиТОМ. – 2008. – №10. – С. 18–23.

29.Упрочнение сталей / Н.А. Бородина [и др.]. – Свердловск: Металлургиздат, 1960. – 79 с.

30.Баранов А.А. Структурные изменения при термоциклической обработке металлов // МиТОМ. – 1983. – № 12. – С. 2–10.

31.Архаров В.И., Семенова А.К. // Докл АН СССР. – 1952. –

Т. 83, № 5. – С. 681–683.

32.Штейнберг М.М., Трифонов Г.А., Мирмельштейн В.А. Влияние термического наклепа на структуру и свойства жаропроч-

ных сплавов // ФММ. – 1967. – Т. 23, № 2. – С. 336–338.

33.Васильев В.В., Осташев В.В. Влияние термоциклической обработки на механические свойства мартенсито-стареющей стали ВНС-17 // Проблемы металловедения теплоэнергетического оборудования атомных электростанций. – Л., 1984. – С. 82–85.

М.Д. Перкас, А.Ф. Еднерал // МиТОМ. – 1981. – № 4. – С. 28–31. 35. Ряпосов И.В., Клейнер Л.М., Шацов А.А. Формирование

нано- и субмикронных размеров характерных элементов структуры сплавов железа термическим воздействием // Перспективные технологии и материалы: материалы междунар. науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – С. 386–410.

68

36.Dependence of martensite start temperature on fine austenite grain size / A. Carsia-Junceda [et al.] // Scripta mater. – 2008. – № 58. – С. 134–137.

37.Баранов А.А. Фазовые превращения и термоциклирование металлов. – Киев: Наукова думка, 1974. – 232 с.

38.Заяц Л.Ц., Панов Д.О., Симонов Ю.Н. Диспергирование структуры сталей в условиях интенсивного термического воздействия. Часть 1. Выбор оптимальной системы легирования // МиТОМ. – 2010. – № 11. – С. 13–19.

39.Заяц Л.Ц., Панов Д.О., Симонов Ю.Н. Диспергирование структуры сталей в условиях интенсивного термического воздействия. Часть 2. Исследование влияния системы легирования на эволюцию структуры при аустенитизации // МиТОМ. – 2010. – № 11. –

С. 20–25.

40.Клейнер Л.М., Шацов А.А. Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали. Прикладное металловедение: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. –

Пермь, 2004. – 142 с.

41.Исследование фазовых и структурных превращений закаленной низкоуглеродистой стали в условиях многократного интенсивного термического вохдействия / Д.О. Панов, Ю.Н. Симонов, П.А. Леонтьев, А.И. Смирнов, Л.Ц. Заяц // МиТОМ. – 2012. –

№11. – С. 28–32.

42.Быкова П.О., Заяц Л.Ц., Панов Д.О. Выявление границ аустенитных зерен в сталях с мартенситной структурой методом окисле-

ния // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2008. –

№6. – С. 42–45.

43.Счастливцев В.М., Копцева Н.В. Электронно-микроско- пические исследования образования аустенита при нагреве конст-

рукционной стали // ФММ. – 1976. – Т. 12, вып. 4. – С. 837–847.

44.Зельдович В.И. Три механизма образования аустенита

иструктурная наследственность в сплавах железа // МиТОМ. – 2008. – № 9. – С. 40–47.

45.Особенности процессов образования аустенита в межкритическом интервале температур в исходно закаленных низкоугле-

69

родистых сталях разных систем легирования / Л.Ц. Заяц, Д.О. Панов, Ю.Н. Симонов, А.Н. Балахнин, А.И. Смирнов, И.Л. Яковлева //

ФММ. – 2011. – Т. 112, № 5. – С. 505–513.

46.Бернштейн Л.М., Займовский В.А., Липчин Т.Н., Фельд-

ман Э.П. // ФММ. – 1976. – Т. 42, № 3. – С. 654.

47.Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. – М.: Металлургия, 1982. – 128 с.

48.Эволюция структуры и свойств при интенсивной термоциклической обработке холоднодеформированной закаленной системнолегированной стали 10Х3Г3МФ / Д.О. Панов, А.Н. Балахнин, М.Г. Титова Е.Н., Орлова, А.И. Смирнов, Ю.Н. Симонов // МиТОМ. – 2012. –

№11. – С. 17–22.

49.Влияние холодной пластической деформации методом радиальной ковки и последующей термической обработки на структуру и свойства стали 10Х3Г3МФ / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, М.Г. Титова, А.С. Перцев, А.И. Смирнов, Ю.Н. Симонов // Ми-

ТОМ. – 2012. – № 11. – С. 22–27.

50.Зависимость уровня ударной вязкости конструкционной низкоуглеродистой стали от характера распределения микротвердости по сечению / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, Ю.Н. Симонов, А.А. Никулина // Обработка металлов: технология, оборудование,

инструменты. – 2013. – № 1. – С. 18–21.

51.Георгиев М.Н. Вязкость малоуглеродистых сталей. – М.: Металлургия, 1973. – 234 с.

52.Иванов Ю.Ф. Влияние технологических параметров на размерную однородность пакетного мартенсита // ФММ. – 1992. –

№9. – С. 57–63.

53.Конева Н.А., Козлов Э.В., Попова Н.А. Влияние размера зерен и фрагментов на плотность дислокаций в металлических материалах // Фундаментальные проблемы современного материало-

ведения. – 2010. – Т. 7, № 1. – С. 64–70.

54.Орлова Е.Н., Панов Д.О. Ударная вязкость закаленной стали с различным размером зерна аустенита // Научное обозре-

ние. – 2012. – № 55. – С. 51–55.

70