ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 8, с. 1120-1122
УДК 539.219:539.25:539.26
ФАЗЫ ЛАВЕСА В ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ ЭК-181
© 2011 г. О. Б. Перевалова1, А. В. Панин1, Е. А. Мельникова1, М. В. Леонтьева-Смирнова2, В. М. Чернов2
E-mail: perevalova52@mail.ru
Исследованы микроструктура и фазовый состав ферритно-мартенситной стали ЭК-181 в зависимости от режима термической обработки, а именно температуры и времени старения после закалки от 1080°С. Установлено, что фазы Лавеса образуются только по границам ферритных зерен, тогда как карбиды Me23C6 и V2C — как в ферритной, так и в мартенситной составляющих структуры.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в закаленных высоколегированных сталях при отпуске наряду с карбидами происходит образование интерметаллидных фаз, что способствует упрочнению стали. Ранее было установлено [1], что оптимальное сочетание прочностных и характеристик термостабильности стали ЭК-181 (16Х12В2ФТаР) получается при старении при 720°С в течение 3 ч, хотя обычно для среднеуглеродистых легированных сталей старение проводится при температурах 600—650°С [2]. Цель работы — исследование влияния режима старения на образование интерметаллидных фаз.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе исследовали сталь ЭК-181, подвергнутую закалке на воздухе от 1080°С и последующему старению при различных режимах: I — при 600°С, 5 ч, II - при 600°С, 5 ч + 720°С, 1 ч, III - при 720°С, 3 ч. Были использованы методы рентгеноструктур-ного анализа и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
После закалки сталь имеет структуру пакетного мартенсита с анизотропными фрагментами и прослойками остаточного аустенита по границам мар-тенситных кристаллов. Старение по I режиму дает два типа эволюции микроструктуры: 1) дальнейшая фрагментация пакетного мартенсита с образованием изотропных фрагментов, превращением малоугловых границ фрагментов в большеугловые и началом формирования субмикрокристаллической структуры с кольцевыми микродифракциями, 2) миграция границ мартенситных кристаллов и
1 Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск.
2 ОАО "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А.А. Бочвара", Москва.
превращение анизотропных фрагментов в более крупные ферритные зерна с извилистыми границами, но сохраняющими анизотропную форму. Второй тип эволюции микроструктуры пакетного мартенсита является преимущественным. Таким образом, микроструктура пакетного мартенсита превращается в ферритную. При этом в микроструктуре наблюдаются отдельные мартенситные кристаллы, которые можно рассматривать как остатки пакетного мартенсита. По границам и внутри ферритных зерен и оставшихся мартенсит-ных кристаллов, а также на дислокациях выделяются нанокристаллические частицы карбида Ме23С6 размером до 10 нм. Частицы фазы Лавеса Fe2W имеют размеры до 30 нм и располагаются только по границам ферритных зерен (рис. 1).
После двойного старения по II режиму микроструктура стали также является преимущественно ферритной с остатками пакетного мартенсита, как и после старения по I режиму, но фазовый состав претерпевает некоторые изменения (рис. 2): появляется фаза Лавеса ИСг2, которая, согласно диаграммам состояния Fe—W и Т—Сг [3], имеет более высокую температуру образования, чем фаза Fe2W: 1060°С ^е^ и 1220°С (ИСг2). Методами ПЭМ фаза Т1Сг2 неотличима от фазы Fe2Zr, так как обе фазы имеют одинаковую пространственную группу ¥й3ш и близкие значения параметра кристаллической решетки (Аа ~ 0.01 нм) [3]. Оценки объемной доли вторых фаз, проведенные методом рентгеноструктурного анализа, показали, что при старении по II режиму происходит увеличение объемной доли всех фаз до 6% в основном за счет увеличения объемной доли фазы Fe2W (таблица). При этом параметр кристаллической решетки а-фазы уменьшается на Аа = = 0.0008 нм по сравнению с параметром решетки образца, состаренного по I режиму.
При старении по III режиму в стали формируется преимущественно фрагментированная структура пакетного мартенсита, по границам и внутри которого происходит выделение карбида ванадия У2С, а также зёренная структура феррита. Фазы Лавеса
ФАЗЫ ЛАВЕСА В ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ ЭК-181
1121
2 1 1а^е
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры стали после старения по I режиму: а — светлое поле, б — темное поле в рефлексе В! ={[42 2](113)М?2ЗС6 + [110] а + [211](011)Ре2^>, в — темное поле в рефлексе в2 = {[110]а _ Fe+[2 42] М^2зСб1, г — микроэлектронограмма, д — схема мик-роэлектронограммы.
Fe2W и ИСг2 (Fe2Zr) располагаются только по границам ферритных зерен. Общая доля вторых фаз меньше, чем в стали, состаренной по режимам I и II. Фрагментация мартенситных кристаллов происходит с образованием преимущественно вторичных фрагментов, которые по классификации, предложенной в [2], представляют собой субзёрна в пакетном мартенсите с сетчатой дислокационной структурой.
Параметр кристаллической решетки а стали уменьшается с увеличением доли вторых фаз, т.е. с уходом из твердого раствора элементов внедрения (углерода) и замещения (хрома, ванадия, вольфра-
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры стали после старения по II режиму; а — светлое поле; б — темное поле, полученное в рефлексе [ 111] ИСг2, принадлежащем плоскости (112) этой фазы; в — микроэлектронограмма.
ма, титана). При линейной аппроксимации зависимости параметра решетки от объемной доли вторых фаз (а—8) на нулевое значение их объемной доли параметр кристаллической решетки а-фазы а составляет 0.28753 нм. Близкое значение имеет параметр решетки, определенный методом рентгеноструктур-ного анализа, в закаленной стали (а = 0.28751 нм), в которой карбидные и интерметаллидные фазы отсутствуют.
При старении в стали одновременно происходят следующие процессы: фрагментация пакетного мартенсита, миграция границ мартенситных кристаллов, образование карбидов Ме23С6, У2С и фаз Лавеса. Анализ показывает, что скорость развития того или иного процесса зависит от температуры и времени старения. При низкотемпературном и длительном старении (I режим) фрагментация пакетного мартенсита сопровождается миграцией границ мартенситных кристаллов, что приводит к превращению последних в более крупные ферритные зёрна. Выделение карбидных частиц происходит как на дислокациях, так и на любых границах, а фаз Лавеса — на мигрирующих границах. Процесс миграции границ зёрен всегда сопровождается уходом дислокаций из зерна в границы [4]. При их
500 нм
I_I
1 й
5И V . .V 4 к
в 500 нм ■ I-1
д
2 10 4Ме23С6
4 8 4М?2ЗС6
3 0 1а^е
2 1 1а^е
2 2 0а^е
: 6 6 4Ме2з
2 4 2Мв23Св _ 4*2 2Ме1ЪС,
1 1 0а-?е*1 1 0а-:ре 2 I Ше^
4 2 2Ме2зСб
0 0 0
• (113)а^е X (113)Ме23С6
2 4 2Ме23С6 1 1 0а^е"
2 2#0а^е
V щ
г \ V
1 1 1 Ч -X 2 2 0
. 4
2 2 2
4 0 2
5 1 3
100 нм
3 1 1
1 1
в
б
1122 ПЕРЕВАЛОВА и др.
Параметр (а) и искажения (б) кристаллической решетки а-фазы, объемная доля (8) всех вторых фаз (карбидов, нитридов, фаз Лавеса и оксидов) и доля фаз Лавеса Fe2W и Т1Сг2 (Fe2Zr) (8фЛ) в зависимости от режима старения
Режим старения а, нм Б 5, % ^фЛ , %
Fe2W TiCr2 (Fe2Zr)
600°С, 5 ч (I) 0.2878 0.0012 4 1 -
600°С, 5 ч +720°С, 1 ч (II) 0.2870 0.0013 6 4 <1
720°С, 3 ч (III) 0.2872 0.0013 2 1 <1
движении происходит перенос легирующих элементов на границы зёрен [5], что создает условия для образования фаз Лавеса. В том случае, когда фрагментация пакетного мартенсита сопровождается выделением карбидных фаз по границам мартен-ситных кристаллов, их миграция не происходит, а форма и размеры кристаллов пакетного мартенсита практически не изменяются по сравнению с закаленной сталью (III режим).
Таким образом, необходимое условие образования фаз Лавеса при старении стали ЭК-181 — миграция границ мартенситных кристаллов и превращение последних в ферритные зёрна.
Работа выполнена при финансовой поддержке СО РАН (проект 111.20.1.1.), РФФИ (проект № 0801-00706) и президента РФ (МД-188.2010.8).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леонтьева-Смирнова М.В., Агафонов А.Н., Ермолаев Т.Н. и др. // Перспективные материалы. 2006. № 6. С. 40.
2. Козлов Э.В., Попова Н.А., Кабанина О.В. и др. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. 177 с.
3. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1023 с.
4. Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зёрен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. 212 с.
5. Клявин О.В., Чернов Ю.М., Швец Г.И. Взаимодействие движущихся дислокаций с внешней средой и точечными дефектами в кристаллических телах. Ч. 2. Л: Изд-во ФТИ, 1989. 36 с.
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.