ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 107-112
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.111.223:539.67
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 12Х2Г2НМФТ ПРИ ЗАКАЛКЕ
© 2004 г. С. С. Югай, Л. М. Клейнер, А. А. Шацов, Н. Н. Митрохович
Пермский государственный технический университет, 614600, г. Пермь, Комсомольский просп. 29а Поступила в редакцию 04.03.2003 г.; в окончательном варианте 02.04.2003 г.
Прогресс металловедения в области разработки сталей в последней трети XX века привел к созданию двух классов сталей с рекордными показателями конструкционной прочности - мартенситос-тареющих и трипсталей, стоимость этих материалов уже на стадии создания в 5 раз превышала стоимость низколегированных высокопрочных. Почти одновременно с мартенситостареющими и трипсталями появились низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС), выгодно отличающиеся низкой концентрацией добавок, отсутствием в составе дорогих и дефицитных легирующих элементов, универсальностью, простотой и экологической безопасностью термической обработки в сочетании с высокими характеристиками механических свойств. Одной из лучших НМС по соотношению цена/качество является сталь 12Х2Г2НМФТ. В результате исследований этой стали установлено сохранение реечной структуры а-фазы до температуры Ас1 и при нагреве в МКИ, асимптотическое стремление дислокационной структуры к полигонизованному состоянию в процессе отпуска, снижение критической точки Ас1 при быстром нагреве. Особенности структуры позволяют предложить новые режимы, расширяющие технологические возможности упрочняющей термической обработки НМС 12Х2Г2НМФТ.
ВВЕДЕНИЕ
Низкоуглеродистые мартенситные стали и режимы их термической обработки разработаны в 70-80-х годах [1-3]. Рациональное сочетание концентраций легирующих элементов и углерода в НМС обеспечивает высокую устойчивость переохлажденного аустенита (позволяет получать структуру пакетного мартенсита при медленном охлаждении в крупных сечениях) и минимизирует деформации и коробление в процессе превращения, вследствие малых объемных изменений и низких скоростей охлаждения. Изделия из НМС могут быть использованы в закаленном состоянии, например, при охлаждении от температуры горячего формообразования. В неотпущенном ("свежезакаленном") состоянии НМС обладают повышенной пластичностью и вязкостью благодаря низкой концентрации углерода в твердом растворе, что актуально в технологических процессах производства прокатной продукции, труб, сварных конструкций и т.д.
Традиционные технологические процессы изготовления подавляющего большинства деталей из распространенных сталей с содержанием углерода С = 0.2-0.3% включают механическую обработку. Хорошей технологичностью отличаются стали с твердостью в интервале 25-30 ИЯС. НМС в состоянии поставки имеют твердость до 40 ИЯС, поэтому перед механической обработкой необходимо применение разупрочняющей термической
обработки (ТО), а после нее - окончательной ТО. Обычно ТО низколегированных конструкционных сталей включает закалку из аустенитной области и отпуск. НМС содержат малое количество углерода, поэтому для аустенитизации необходим нагрев до 930-950°С, что для принятых технологических циклов не всегда приемлемо.
Цель настоящей работы - исследование роли термической обработки в формировании структуры и свойств НМС 12Х2Г2НМФТ, включая нагрев в область межкритических температур.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для изготовления образцов использована сталь 12Х2Г2НМФТ, состав которой приведен в табл. 1.
Исходной заготовкой служил горячекатаный лист толщиной 6 мм. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы 55 х 10 х 5 мм, на которых после различных режимов термической обработки были проведены дюрометричес-
кие, металлографические, рентгеноструктурные1, электронно-микроскопические исследования, испытания на одноосное растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84, ударную вязкость (KCU) по ГОСТ 9454-78. Критические точки определяли
1 Авторы выражают благодарность А.С. Иванову за рентгеновские исследования структуры НМС.
Таблица 1. Химический состав стали 12Х2Г2НМФТ
Марка стали C Mn Si Cr Ni Mo V Ti S P
12Х2Г2НМФТ 0.13 2.24 0.4 2.39 1.38 0.45 0.1 0.03 0.009 0.004
Примечание. Содержание легирующих элементов дано в мас. %.
дилатометрическим методом и методом пробных закалок [4]. Для определения критических температур при непрерывном нагреве использовали стандартный дилатометр Шевенара. В качестве образцов применяли исследуемую сталь 12Х2Г2НМФТ и эталон - сплав "пирос" (82% N1, 7% Сг, 5% 3% Бе, 3% Мп) диаметром 3.3 мм. Образцы нагревали в кварцевых трубках с запаянной термопарой. При нагреве образцов регистрировали температуру и время. Температуры критических точек определяли по перегибам на дилатометрической кривой. При термической обработке (ТО) образцов варьировали скорость нагрева (10-100 град/мин), за быстрый нагрев принимали среднюю скорость нагрева V = 100 град/мин в интервале температур 500-850°С, которая обеспечивается посадкой образцов в печь, нагретую до температуры 950°С. Медленный нагрев (10 град/мин) осуществляли на образцах, посаженных в холодную печь и постепенно увеличивали температуру, регулируя силу тока на нагревателях дилатометра. Охлаждение во всех случаях проводили на воздухе. Точность определения температуры начала фазового превращения составляла 10°С.
Для выявления особенностей распределения дислокаций исходили из того, что поля дислокаций
Таблица 2. Критические точки стали 12Х2Г2НМФТ
Способ нагрева Ас1 Ас3 Мн
Быстрый нагрев 650 830 400
(100 град/мин)
Медленный нагрев 720 830 400
(10 град/мин)
Таблица 3. Параметр решетки, физическое уширение рентгеновской линии и плотность дислокаций стали 12Х2Г2НМФТ
Режим термообработки йэф, нм в, рад р, см 2
Закалка с про- 0.2873 0.00447 4.0 х 1011
катного нагрева
Отпуск 650°С, 0.2870 0.00075 1.2 х 1010
1 ч,воздух
Закалка 750°С, 0.2874 0.00347 2.4 х 1011
1 ч,воздух
Закалка 900°С, 0.2872 0.00260 2.2 х 1011
1 ч,воздух
вызывают смещения атомов из узлов кристаллической решетки, а это приводит к уширению рентгеновских линий. Известно, что хаотическому распределению дислокаций соответствует зависимость физического уширения линии в как функции от tg б, а преимущественному выстраиванию дислокаций в виде стенок малоугловых границ соответствует зависимость в как функции от sec б [5]. Согласно [6] отношение tg б110 / tg б220 = 0.26 определяет хаотическое распределение дислокаций, а отношение sec б110 / sec б220 = 0.52 определяет упорядоченное. Данные выражения проверены для ряда материалов [6]. Параметр решетки мартенсита определяли для линии (220) по формуле sin б = = ^/(2аЭф)(Я2 + K2 + L2)1/2. При малой концентрации углерода степень тетрагональности невелика, поэтому вычисленные значения принимали за эффективную величину параметра решетки (аэф). Плотность дислокаций в мартенсите оценивали расчетным путем по данным о величине физического уширения линии (220) [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ дилатометрических кривых и зависимостей механических свойств от температуры нагрева стали 12Х2Г2НМФТ показал, что положение критической точки Ac1 определяют исходная структура и скорость нагрева (табл. 2, рис. 1 и 2). Положение температуры Ac3 в интервале от 100 до 10 град/мин не зависит от скорости нагрева и составляет 830°С. Критическая температура Ac1 для закаленной стали при скорости нагрева 100 град/мин снижается до 650°С по сравнению с медленным нагревом (унагр = 10 град/мин), которому соответствует значение Ac1 = 720°С (рис. 3).
Температура Ac1, определенная методом пробных закалок (см. рис. 1) и по дилатометрическим измерениям, практически совпадает. При быстром нагреве образцов с исходной мартенситной структурой критическая температура Ac1 составляет 650°С, закалка с более высокой температуры приводит к повышению твердости и снижению ударной вязкости. Предварительный отпуск обеспечивает структуру отпущенного мартенсита и повышение Ac1 до 720°С (рис. 2, а и б).
Изменение положения критической температуры Ac1, а именно снижение, может быть обус-
ИЯС
40 35 30 25 20 15
КСи, МДж/м2
(а)
(б)
600
700 800
т, °с
900
Рис. 1. Зависимость твердости (а) и ударной вязкости (б) закаленной стали 12Х2Г2НМФТ от температуры нагрева (быстрый нагрев).
ловлено двумя факторами: скоплениями хаотически распределенных дислокаций и влиянием остаточного аустенита, сохранившегося в виде прослоек на межреечных границах [8]. Исследованием влияния дислокационной структуры на положение Ас1 деформированной углеродистой стали 20 обнаружено, что снижение температуры фазового перехода в зависимости от степени неравновесности структуры может быть определено следующим образом [9]: АТ ~ Т0(5Е/АЕ), где Т0 - равновесная температура фазового перехода; АТ - смещение этой температуры; АЕ - изменение внутренней энергии системы при фазовом превращении в бездефектном кристалле; 5Е - дополнительная внутренняя энергия, обусловленная наличием дефектов. Следовательно, увеличение плотности дефектов кристаллического строения ведет к понижению температуры Асъ поскольку скопления хаотически распределенных дислокаций повышают 5Е и, тем самым, инициируют а —»- у-превра-щение. Полигонизованная структура повышает свободную энергию системы в гораздо меньшей степени и практически не влияет на положение Ас1.
Нерегулярное распределение дислокаций и соответствующее ему наименьшее значение соотношения р110/р220 характерно для образцов из стали марки 12Х2Г2НМФТ после закалки (рис. 4). В процессе отпуска дислокации перераспределяются и
ИЯС
40 35 30 25 20 15
КСи, МДж/м2
(а)
(б)
600
700 800
т, °с
900
Рис. 2. Зависимость твердости (а) и ударной вязкости (б) отпущенной (650°С, 2 ч) стали 12Х2Г2НМФТ от температуры нагрева (медленный нагрев).
100° 200°
(а)
300°
400°
500°
600°
700°
800(
...» 900°
100° 200° .......-.......300° 400°
(б) 500°
600°
700°
800°
900°
Рис. 3. Дилатометрические кривые закаленной стали 12Х2Г2НМФТ при быстром (а) и медленном (б) нагреве.
0
0
Pf110)/Pf220)
0.55
sec8iio
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.