ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 3, с. 279-289
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.52:539.531
КИНЕТИКА И КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБИДА ВАНАДИЯ НА МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЕ ПРИ ПЕРЛИТНОМ ПРЕВРАЩЕНИИ СТАЛИ © 2013 г. В. И. Изотов, Н. А. Комков, Г. А. Филиппов
Федеральное государственное унитарное предприятие "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина", 105005, Москва, ул. 2-я Баумансая, д. 9/23 e-mail: iqs12@yandex.ru Поступила в редакцию 13.08.2012 г.; в окончательном варианте — 25.09.2012 г.
Установлен температурный интервал (от 600°С и выше) и оценено время (~0.1 с) образования частиц карбида ванадия размером 5—10 нм на межфазной границе при перлитном превращении высокоуглеродистой ванадиевой стали. Проведен кристаллографический анализ их распределения в феррите с привязкой к габитусу цементитных пластин. На основе результатов анализа предложена модель объемного распределения наночастиц карбида ванадия в ферритных промежутках между пластинами цементита перлитной колонии в форме последовательных (периодических) гофрированных сферических поверхностей (период ~20 нм). Такое распределение частиц определяется формой движущейся межфазной границы перлита с аустенитом и направлением роста перлитной колонии.
Ключевые слова: перлит, карбид ванадия, межфазная граница. DOI: 10.7868/S001532301303008X
Стали с перлитной или с перлито-ферритной структурой широко используются при массовом производстве рельсов, железнодорожных колес, канатов и др. изделий. Механизм перлитного превращения хорошо изучен и в настоящее время установлены его кинетические, морфологические и кристаллографические особенности, а также механические и другие свойства стали с перлитной структурой [1]. В частности показано, что дисперсность перлита, оцениваемая по величине межпластиночного расстояния зависит от температуры превращения: S уменьшается на порядок величины (от ~1 мкм до 0.1 мкм) при уменьшении температуры превращения от ~700 до ~500°С. Уменьшение S на порядок приводит к увеличению предела текучести эвтектоидной перлитной стали с 300 до 1000 Н/мм2 [2].
Вследствие требований технологии производства промышленных изделий в составе перлитных сталей кроме углерода могут содержаться марганец, кремний, алюминий, хром, ванадий и др. Введение третьего компонента в систему Бе—С приводит к существенному изменению особенностей перлитного превращения. Так, легирование углеродистой стали 1—2% Мп на порядок уменьшает скорость роста перлита и увеличивает межпластиночное расстояние при одинаковой температуре превращения [3].
В настоящее время отсутствуют данные о том, в каком виде (в растворе или в форме фазы) дополнительные элементы влияют на перлитное превращение системы Бе—С—Х. В принципе, при перлитном превращении в сталях Бе—С—X возможны следующие ситуации [1]:
1. Механизм реакции превращения аустенита в перлит определяется только диффузией углерода, при этом концентрация легирующего элемента в образующихся фазах (феррите и цементите) остается такой же, как в аустените.
2. Механизм превращения контролируется диффузией легирующего элемента. В случае отсутствия перераспределения легирующего элемента на межфазной границе аустенит—перлит может образоваться пик этого элемента, что приводит к торможению превращения [4].
В связи с этим большой интерес представляет установление присутствия (или отсутствия) на межфазной границе аустенит—перлит каких-то фаз на основе третьего элемента или сегрегаций этого элемента. Задача экспериментального обнаружения фаз, создающихся с участием третьего элемента на межфазной границе при перлитном превращении, была решена в предыдущей работе [5] на основе использования уже известных данных.
Во-первых, о форме (профиле) межфазной границы ферритного промежутка перлита с аусте-нитом [6], которая в зависимости от величины
Рис. 1. Ряды дисперсных частиц карбида ванадия в ферритных промежутках перлита: почти прямолинейные (а) и заметно искривленные (б). Сталь № 10, изотерма 650°С, 10 мин. Светлопольный (а) и темно-польный (б) снимки ПЭМ.
межпластиночного расстояния может быть выпуклой в сторону аустенита (при минимальном плоской или выпуклой в сторону феррита. Остановку границы растущей перлитной колонии, ее фиксацию для последующей визуализации и исследования ее формы можно достичь закалкой после кратковременной изотермической выдержки с превращением остаточного аустенита в мартенсит [7]. Во-вторых, о возможности выделения дисперсных карбидов ванадия на межфазной границе феррит-аустенит при изотермическом ("нормальном") образовании феррита в стали Ре—1У—0.2С [8]. Эти карбиды ванадия наблюда-
лись на электронно-микроскопических снимках зерен феррита в форме частиц размером 5—20 нм, составляющих параллельные ряды с периодом 20—50 нм в зависимости от температуры превращения в интервале 600—800°С. Предполагалось, что ряды частиц отражают дискретное движение межфазной у/а-границы скачками или, альтернативно, поперечным движением ступенек вдоль границы.
Было предположено [5], что в высокоуглеродистых ванадиевых сталях при перлитном превращении, в процессе которого перераспределяются углерод и ванадий, на межфазной границе наряду с ферритом и цементитом успеют образоваться карбиды ванадия, которые можно наблюдать в просвечивающем электронном микроскопе.
Исследование [5] по обнаружению выделений нанодисперсных карбидов ванадия и установлению их связи с межфазной границей при перлитном превращении было проведено на сталях базового состава Бе—0.77С—0.8Мп—0.27У, в которых перлитное превращение осуществляли после аустенитизации 1000°С, 2 ч и изотермического превращения при 600—650°С в течение 10 мин и 30—35 с. Работа включала три этапа. Сначала было выявлено распределение карбидных частиц в свободном феррите и в ферритных промежутках перлита в форме периодических рядов (рис. 1). Затем исследована форма границы остановившейся в росте перлитной колонии (рис. 2), которая в основном коррелирует с рассчитанной в [9, 10]. Из сопоставления характера распределения карбидных частиц и формы межфазной границы был сделан вывод о том, что частицы карбидов ванадия могут выделяться на границе по мере роста перлитной колонии, а их ряды визуализируют ее дискретное (ступенчатое) распространение (рис. 3).
Однако в [5] не было однозначно показано, что на межфазной границе между аустенитом и перлитом выделяются именно частицы карбида ванадия, а не сегрегации атомов У и С, которые трансформируются в частицы лишь через некоторое время (~10 мин), пока образец находился в ванне при температуре изотермы 600—650°С.
Настоящая работа является продолжением исследований, проведенных в [5], и посвящена кинетике выделений карбида ванадия при перлитном превращении и в процессе дополнительного отпуска. Кроме того, анализируются особенности распределения частиц карбида ванадия на снимках просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в зависимости от кристаллографической ориентировки фольг, а также предпринята попытка установления связи между характером распределения частиц, габитусной плоскостью пластин цементита и направлением роста перлитной колонии.
Рис. 2. Межфазная граница остановившейся в росте перлитной колонии с аустенитом (мартенситом) с плоскими (а) и сильно искривленными (б) участками. Темнопольные снимки ПЭМ. Сталь № 04, изотерма 630°С, 30 с. у(М) — аустенит (мартенсит), а — феррит.
(а)
(б)
ш «
Y f а
\У>'л
V/ « #
« • * •
/ ê • »V
/ »
• • »
i *
- « « • 0 а • • - » ш
/ » * • •« »« 1
/ « * Г
/ *| 4 •У m * *
VV • • » -у/* t ♦ * • '■Л'. Р
• • * » •
* •
9
а Цементит
Рис. 3. Зависимость расположения рядов дисперсных частиц карбида ванадия между пластинами цементита от формы межфазной у/а-границы перлита: на торцевом (а) и боковом (б) участках границы. у — аустенит, а — феррит, стрелкой указано направление роста перлитной колонии (схема плоского сечения колонии).
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование по выделению нанодисперсных карбидов ванадия в процессе перлитного превращения в интервале температур 560—650°С за время 30—40 с и 10 мин, а также по трансформации выделений в результате отпуска при 600°С в течение 15 мин, 1 ч 15 мин и 2 ч проведено на сталях, состав которых приведен в таблице. Образцы перед перлитным превращением нагревали (аустени-тизировали) при 1000°С, 2 ч. Структуру образцов исследовали методом просвечивающей элек-
тронной микроскопии (ПЭМ) с использованием микроскопа JEM-200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Кинетические исследования. После перлитного превращения исследованных сталей при 650°С, 10 мин (перлит с S~ 0.25 мкм) частицы карбида ванадия размером 5—10 нм распределяются в феррит-ных промежутках параллельными искривленными и почти прямолинейными рядами, расстояние
Химический состав исследованных сталей
Содержание элементов, вес. %
С Si Мп S Р Сг N1 Си №> V Т1 А1
10 0.77 0.33 0.81 0.006 0.008 0.08 0.06 0.12 0.001 0.270 0.002 0.005
04 0.76 0.43 0.84 0.005 0.008 0.08 0.05 0.10 0.020 0.273 0.003 0.030
02 0.84 0.43 1.15 0.008 0.004 0.023 0.015 0.013 0.065 0.64 0.005 <0.005
03 0.74 0.42 0.87 0.008 0.005 0.025 0.020 0.014 <0.01 0.78 0.003 <0.005
между которыми ~20 нм (см. рис. 1, 3). Частицы заполняют объем ферритных промежутков за исключением зон вблизи цементитных пластин (см. рис. 3). Такие же выделения частиц наблюдаются после превращения при 600°С, 10 мин в перлите с ^ ~ 0.15 мкм. После превращения при 560— 570°С, 10 мин дисперсные частицы в ферритных промежутках перлита (^ ~ 0.1 мкм) не были выявлены. Во всех случаях граница ферритных промежутков с аустенитом имеет криволинейный характер (часто с плоскими участками), всегда выпуклостью внутрь колонии (рис. 2, 4). В настоящей работе изотермические выдержки для образования перлита при температуре выше 650°С (вплоть до А1) не проводили, но при медленном непрерывном охлаждении с 1000°С в грубопластинчатом перлите с S ~ 0.4 мкм в ферритных промежутках наблюдались выделения нанодисперсных карбидов ванадия.
Можно было предположить, что в
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.