ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 5, с. 542-555
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.141.3:539.42
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ РАСТЯЖЕНИИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ С ПЕРЛИТНЫМИ СТРУКТУРАМИ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
© 2007 г. А. В. Макаров*, Р. А. Саврай*, В. М. Счастливцев**, Т. И. Табатчикова**, Л. Ю. Егорова**
*Институт машиноведения УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34 **Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 13.02.2007 г.
Исследованы твердость и механические свойства при испытаниях на растяжение стали У10 (1.03 мас. % С) с перлитными структурами, сформированными при температурах изотермического распада 650°С (грубопластинчатый перлит) и 500°С (тонкопластинчатый перлит), а также при последующем отжиге тонкопластинчатого перлита при температуре 650°С в течение 10-300 мин. Методом электронной сканирующей микроскопии изучены поверхности изломов стали с перлитными структурами различного типа. Проанализирована взаимосвязь механических свойств с особенностями структуры и характером разрушения стали с перлитными структурами, отличающимися дисперсностью, морфологией и дефектностью цементита, а также уровнями твердорастворного упрочнения и микроискажений решетки ферритной составляющей.
PACS 62.20.Mk, 81.40.Np
ВВЕДЕНИЕ
Тонкопластинчатый перлит, образующийся в высокоуглеродистых сталях при температурах, близких к минимальной температуре перлитного превращения (480-500°С), обладает повышенными уровнями прочности, твердости и износостойкости по сравнению с другими перлитными структурами (отожженный тонкопластинчатый перлит, сферо-идизированный перлит, грубопластинчатый перлит) [1-8]. Это открывает новые пути улучшения эксплуатационно важных свойств стальных изделий. Уникальная способность структуры тонкопластинчатого перлита к интенсивной пластической деформации и упрочнению широко используется при производстве высокопрочной проволоки, когда в результате волочения патентированных заготовок из высокоуглеродистых сталей могут достигаться рекордные значения прочности (42005200 МПа) [9-11]. Структура тонкопластинчатого перлита получается не только в результате регламентируемых операций термической обработки, таких как патентирование, которое заключается в изотермическом распаде аустенита в свинцовых или соляных ваннах при температуре 450-550°С [12]. Подобная структура возникает в рельсовой стали типа 75Г при так называемой объемной закалке железнодорожных рельсов, что фактически является их ускоренным охлаждением в масле или
эмульсиях, при котором превращение аустенита развивается при температурах 520-550°С [1, 13].
Однако рассматриваемое структурное состояние стали термически неустойчиво и его повышенные физико-механические свойства устраняются уже кратковременным нагревом при 650-700°С, при котором еще не происходят изменения морфологии цементитных и ферритных пластинок, образующих перлитные колонии [1]. Первые сведения о разупрочнении при отпуске тонкопластинчатого перлита, полученного в стали с 0.94% С в результате изотермического превращения при 480°С (выдержка 30 с), приведены в работе [2]. Понижение твердости перлита на величину, соответствующую уменьшению предела прочности на 300 МПа, происходило после выдержки при температурах 480, 650 и 705°С через 22.2 ч, 40 и 10 с соответственно. В работе [3] резкое снижение предела прочности св в результате отжига при температуре 650°С в течение 5-10 мин наблюдали у патентированной (нагрев 1000°С, распад при 480-500°С, 30 с) заготовки из стали У7 и получаемой из нее волочением проволоки. Позднее эти результаты для стали У7 (0.72% С) были дополнены данными об изменении условного предела текучести с0.2, который, подобно св, интенсивно уменьшался в первые 5 мин выдержки при 650°С [4]. В работах [5-8] при кратковременном высокотемпературном (650°С) отжиге сталей М74 (рель-
совая; 0.75% С, 0.91% МП), У8, У9, У10 и У15 со структурой тонкопластинчатого перлита отмечали падение не только твердости, но и сопротивления изнашиванию в условиях абразивного воздействия и трения скольжения по стальной пластине.
Проведение высокотемпературного отжига различной продолжительности для стали со структурой тонкопластинчатого перлита представляет не только научный интерес, связанный с возможностью трансформации неравновесной перлитной структуры при нагреве. Изучение влияния последующего отжига на механические свойства сталей с перлитными структурами имеет несомненную практическую значимость. Нагрев изделий со структурой тонкопластинчатого перлита может происходить при проведении различных технологических операций, например, при горячей оцинковке или латунировании проволоки [12, 14], смягчающем отжиге для улучшения обрабатываемости резанием и штампуемости стали [1], сварке, отпуске рельсов после объемной "закалки" [15, 16] и др. Нагрев возможен и в процессе эксплуатации изделий, например, фрикционный нагрев поверхностей канатов, а также железнодорожных рельсов и колес [17, 18]. В металлургическом производстве нагрев канатов мостовых литейных кранов до температур 600-800°С теплом, излучаемым расплавленной ванной, может приводить к их разупрочнению, уменьшению площади сечения за счет разрушения отдельных проволок, обрывам канатов и опрокидыванию многотонных ковшей с жидким металлом [19, 20].
В настоящей работе проводится сравнительный анализ прочностных и пластических характеристик перлитных структур различного типа, сформированных в заэвтектоидной стали У10 в процессе изотермического распада при температурах 500 и 650°С, а также при отжиге тонкопластинчатого перлита при температуре 650°С в течение 10300 мин. На основе фрактографического исследования рассмотрены особенности разрушения рассматриваемых структур при испытаниях стали на растяжение.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Материалом исследования служила сталь У10 промышленной выплавки, содержащая в мас. %: 1.03 С; 0.072 Сг; 0.056 №; 0.27 Мп; 0.059 Si; 0.072 Си; 0.023 Р; 0.016 S; остальное Fe (использованная сталь отличалась от марочного состава стали У10 [21] пониженным содержанием кремния). Из прутков диаметром 14 мм изготавливали по ГОСТ 1497-84 разрывные образцы с диаметром рабочей части d0 = 5 мм и расчетной длиной 10 = 5d0 для определения механических свойств.
Структуру грубопластинчатого перлита получали путем изотермической выдержки предвари-
Таблица 1. Влияние температуры изотермического распада и продолжительности последующего отжига на твердость стали У10
Термическая Твердость,
обработка HRCэ
1050°C - — 650°C, 15 мин 29.5
1050°C - — 500°C, 5 мин 41.0
1050°C — — 500°C, 5 мин + 650°C, 10 мин 34.0
1050°C — — 500°C, 5 мин + 650°C, 120 мин 29.0
1050°C — — 500°C, 5 мин + 650°C, 300 мин 27.5
тельно нагретых до 1050°C (15 мин) заготовок при температуре 650°C в течение 15 мин в соляной ванне (с последующим охлаждением в воде). При температуре ванны 500°C и выдержке 5 мин (с последующим охлаждением в воде) в стали получали исходную структуру тонкопластинчатого перлита. Затем часть образцов со структурой тонкопластинчатого перлита отжигали в соляной ванне при температуре 650°C в течение 10, 120 и 300 мин (с последующим охлаждением в воде).
Перед испытаниями образцы шлифовали и электрополировали в хлорно-уксусном электролите (состав 90%CH3C00H + 10%HCl04) при напряжении U = 25 В в течение 6 мин. Механические испытания на одноосное растяжение проводили на сервогидравлической испытательной установке Instron 8801. Структуру сталей и поверхности разрушения после испытаний на растяжение изучали на электронном сканирующем микроскопе Tescan Vega II XMU. Фрактографическим исследованиям подвергали центральную и периферийную зоны поверхности изломов цилиндрических образцов. Диаметр шейки образцов после разрушения измеряли на электронном сканирующем микроскопе с использованием специализированного программного обеспечения Vega Software и дополнительного модуля Measurement.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1, 2 представлены электронные микрофотографии структуры стали У10, подвергнутой диффузионному распаду при температурах изотермической выдержки 650°C и 500°C, а также дополнительному отжигу при 650°C в течение 10-300 мин. В табл. 1, 2 и на рис. 3-7 приведены данные о твердости и механических свойствах, а также результаты фрактографического исследования изломов после испытаний на растяжение стали, подвергнутой указанным режимам термической обработки.
Рис. 1а, б показывает, что после превращения при 650°C сталь У10 имеет структуру грубопластинчатого перлита, состоящего из чередующихся пластин феррита и цементита, со средним меж-
Рис. 1. Электронные микрофотографии структуры стали У10 (рабочая часть разрывных образцов):
а, б - грубопластинчатый перлит (1050°C-- 650°C, 15 мин); в - тонкопластинчатый перлит (1050°C-- 500°C, 5 мин);
г - тонкопластинчатый перлит после кратковременного отжига (1050°C-»- 500°C, 5 мин + отжиг 650°C, 10 мин); д -
частично сфероидизированный перлит (1050°C-»- 500°C, 5 мин + отжиг 650°C, 120 мин); е - частично сфероидизи-
рованный перлит (1050°C-► 500°C, 5 мин + отжиг 650°C, 300 мин).
пластинчатым расстоянием X = 0.20-0.28 мкм. Размер колоний грубопластинчатого перлита достигает 10-30 мкм. При температуре 500°С в стали формируется значительно более дисперсная структура тонкопластинчатого перлита с межпла-
стинчатым расстоянием X = 0.08-0.14 мкм и размерами колоний 5-15 мкм (рис. 1в). В перлитной структуре рабочей части образцов избыточный цементит практически отсутствует (см. рис. 1а), а следовательно, не влияет на определяемые меха-
Рис. 2. Выделения избыточного цементита (указано стрелками) в головках разрывных образцов из стали У10 со структурой:
а - грубопластинчатого перлита (1050°С -»- 650°С, 15 мин); б - тонкопластинчатого перлита (1050°С -" 500°С,
5 мин).
нические свойства стали У10. Однако при этом перлит в заэвтектоидной стали содержит повышенное количество цементита по сравнению с эв-тектоидным составом [1]. В структуре головок разрывных образцов, подвергнутых изо
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.