научная статья по теме МОРФОЛОГИЯ И КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ МЕДЬСОДЕРЖАЩЕЙ ФАЗЫ И ДИСПЕРСИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ FE–C–MN–CU И FE–C–MN–CU–V Физика

Текст научной статьи на тему «МОРФОЛОГИЯ И КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ МЕДЬСОДЕРЖАЩЕЙ ФАЗЫ И ДИСПЕРСИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ FE–C–MN–CU И FE–C–MN–CU–V»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 40-50

СТРУКТУРА, ^^^^^^^^

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.15-194.52:539.531

МОРФОЛОГИЯ И КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ МЕДЬСОДЕРЖАЩЕЙ ФАЗЫ И ДИСПЕРСИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ Fe-C-Mn-Cu И Fe-C-Mn-Cu-V © 2015 г. В. И. Изотов, Н. А. Комков, Г. А. Филиппов

Федеральное государственное унитарное предприятие "ЦНИИчерет им. И.П. Бардина", 105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 9/23 e-mail: iqs12@yandex.ru Поступила в редакцию 04.02.2014 г.; в окончательном варианте — 05.04.2014 г.

Изучены особенности выделения в стали Fe—C—Mn—Cu частиц меди (Cu-фазы) размером 10—30 нм при перлитном превращении и последующем отпуске в интервале температур 500—650°C. Показано, что Cu-фаза выделяется после завершения перлитного превращения на пластинах цементита и в ферритных промежутках (преимущественно на дислокациях). В стали Fe—C—Mn—Cu—V исследовано влияние выделений карбида ванадия на межфазной границе при перлитном превращении на процесс выделения частиц Cu-фазы при последующем отпуске. Оценен эффект дисперсионного упрочнения перлитной стали от выделений частиц Cu-фазы.

Ключевые слова: перлит, выделения, медьсодержащая фаза, кинетика, морфология, кристаллография, упрочнение.

DOI: 10.7868/S0015323014100088

ВВЕДЕНИЕ

Углеродистые перлитные стали, широко используемые для производства рельсов, железнодорожных колес, проволоки и др. изделий, обладают меньшей прочностью и пластичностью, чем стали с мартенситной структурой. Одним из путей увеличения прочности перлитной стали является дисперсионное упрочнение при легировании стали карби-дообразующими элементами (V, Сг, № и др.).

В [1—4] было установлено, что в процессе перлитного превращения в стали, содержащей ванадий, на межфазной границе могут выделиться дисперсные (5—10 нм) частицы карбида ванадия. Карбидные частицы располагаются в перлитной колонии в фер-ритных промежутках в форме скоплений (рядами), соответствующих дискретному (ступенчатому) перемещению межфазной границы. Однако распределение частиц неоднородно: в зонах, прилегающих к пластинам цементита, частицы карбидов отсутствуют [4, 5]. Кроме того, было обоснованно предположено [5], что в этих зонах низка концентрация углерода в феррите.

Упрочнить зоны ферритных промежутков перлита, примыкающих к пластинам цементита, в принципе можно выделением фаз (или сегрега-ций элементов) вдоль всей поверхности превращения аустенита в перлит или выделением фаз после завершения перлитного превращения в результате отпуска ("старения"). При этом необхо-

димо, чтобы дополнительный легирующий элемент обладал ограниченной растворимостью в a-фазе (феррите) и большой растворимостью в у-фазе (аустените), или изменялась его растворимость в a-фазе при изменении температуры. Одним из подобных элементов является медь. Согласно [6], максимальная растворимость меди в y-Fe при 1094°C составляет ~9 вес. %, в a-Fe (при 850°C) ~1.4 вес. % и уменьшается до ~0.2 вес. % при комнатной температуре. Присутствие меди в системе Fe—C снижает содержание углерода в эвтектоиде и замедляет процесс перлитного превращения. При отпуске стали с медью проявляются особенности дисперсионного твердения: выделение дисперсных частиц меди (или твердого раствора на ее основе) приводит к упрочнению; "перестаривание" сопровождается укрупнением частиц и снижением твердости.

Что касается возможности выделения меди на межфазной границе при перлитном превращении стали, то литературные данные по этому вопросу неизвестны.

В настоящей работе исследованы особенности структуры углеродистой стали, легированной 1.2—1.3 вес. % Cu, после перлитного превращения и последующего отпуска. Установлено выделение медьсодержащей фазы (возможно, чистой меди) на пластинах цементита и в ферритных промежутках перлита. Сопоставлены особенности вы-

Химический состав исследованных сталей

Содержание элементов, вес. %

С Мп Р 8 Сг N1 Мо Си А1 Т1 V

1 0.585 0.39 1.03 0.003 0.005 0.015 <0.001 <0.005 1.25 <0.005 <0.002 <0.005

2 0.78 0.41 1.09 0.003 0.005 0.018 <0.001 <0.005 1.33 <0.005 <0.002 0.30

деления карбида ванадия и Си-содержащей фазы в стали, легированной Си и V. Оценен эффект упрочнения перлита выделениями частиц Си-фазы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено на двух сталях, состав которых указан в таблице.

В стали № 1, содержащей 1.25% Си, оценена возможность выделения частиц на межфазной границе при перлитном превращении, изучены особенности выделений меди в процессе отпуска перлитной структуры и оценен эффект упрочнения от выделения дисперсных частиц Си-фазы.

В стали № 2, содержащей 1.33% Си и 0.3% V, исследовали влияние выделившихся первыми дисперсных карбидов ванадия на последующее выделение частиц Си-фазы в перлитной структуре.

Стали были выплавлены в открытой индукционной печи, слитки весом 10 кг подвергали горячей прокатке с получением полос толщиной 12 мм, из которых изготавливали образцы для структурных исследований и механических испытаний.

Образцы сечением 5 х 10 и 10 х 10 мм аустени-тизировали при 900°С, 1 ч и 1000°С, 2 ч соответственно для стали № 1 и № 2. Перлитное превращение осуществляли в изотермических условиях в щелочной ванне в интервале температур 550— 650°С, время выдержки образцов в ванне составляло от 15 с до 10 мин.

Образцы со структурой перлита подвергали отпуску при 500—650°С в течение от 15 мин до 3 ч.

Структуру образцов исследовали методами световой микроскопии на травленых в нитале шлифах и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на фольгах, приготовленных стандартным методом электрополировки. Твердость измеряли по методу Роквелла.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Кинетика, морфология и локализация мест выделений медьсодержащей фазы в перлите. По

аналогии с выделением в стали Fe—C—Mn—V при перлитном превращении наноразмерных частиц карбида ванадия на межфазной границе в форме периодических рядов (в пространстве — поверхностей) [1—5] можно было ожидать подобного же распределения частиц Си-фазы в перлите иссле-

дованных сталей. Однако после изотермического превращения при 650°С, 10 мин в структуре перлита стали № 1 обнаружены частицы не только в ферритных промежутках, но и на пластинах цементита (рис. 1а, 1б).

Такое распределение частиц Си-фазы в перлитной структуре могло означать, что частицы выделились не в процессе перлитного превращения, не

(б)

0.1 мкм

I_I

Рис. 1. Морфология и распределение частиц медьсодержащей фазы после перлитного превращения 650°С, 10 мин. Сталь № 1:

а — в ферритных промежутках перлита, преимущественно на дислокациях; б — на кромках и поверхности пластин цементита. Ф — феррит, Ц — цементит. ПЭМ.

1 4л ш 4 К-

ЫПСЕеАг ■ ОЛл. ^ «Ц» ' ¿Г * 1 . ьЧВ^ВЧГ "О

V Ы 5 у^ЛВ Х2 г."' V- >

10 мкм|

Рис. 2. Перлитные колонии в стали № 1 после превращения при 600°С, 15 с и закалки. Шлиф, травление в нитале:

1 — фронт остановившейся в росте перлитной колонии; 2 — граница зерен аустенита — место зарождения колонии перлита.

на межфазной границе с аустенитом, а после превращения, за время выдержки на изотерме. Для однозначного установления места (локализации) и кинетики выделения частиц Си-фазы в перлите и оценки влияния меди на скорость роста перлита были проведены эксперименты с прерыванием изотермического перлитного превращения.

Тонкие (<5 мм) образцы стали № 1 после аусте-нитизации при 900°С, 1 ч перемещали в ванну с температурой 600°С, выдерживали в ней 15 с, 20 с, 30 с, 1 мин, 5 мин и закаливали в воде. За время выдержки 15—30 с в средней части образцов доля перлита увеличивалась от 1—2% до 90%. Около 10% объема структуры в образцах после выдержки 30 с и более составлял свободный феррит в форме прослоек по границам исходных аустенит-ных зерен и в форме видманштетовых игл.

Протяженность перлитных колоний, выросших за 15 с, не превышала 30—45 мкм (рис. 2). Таким образом, скорость роста перлита составляла 2—3 мкм/с (2—3 х 10-4 см/с), что на порядок меньше , чем для нелегированной эвтектоидной стали [7].

Методом ПЭМ исследовали форму межфазной границы перлит-аустенит (мартенсит) и внутреннюю структуру колонии перлита. У колонии с межпластиночным расстоянием ~0.15 мкм граница практически прямолинейна в каждом ферритном промежутке между пластинами цементита (рис. 3). Для сравнения, в стали Ре—С—Мп—У, легированной ~0.3% У и не содержащей медь, межфазная граница, как правило, криволинейная и выгнута в сторону перлита (т.е. против направления роста) [3, 5]. В образце исследованной стали № 1 после изотермического перлитного превращения при 600°С в течение 15 и 20 с в структуре перлита не выявлено частиц Си-фазы. Небольшое количество очень дисперсных (~5 нм), частиц на пластинах цементита обнаружено в структуре образца после выдержки 5 мин при 600°С (рис. 4). Таким образом, в процессе перлитного превращения исследованной стали № 1 на межфазной границе перлита с аустенитом не происходит выделение частиц Си-фазы, они образуются после завершения перлитного превращения, при отпуске.

Рис. 3. Граница остановившейся в росте колонии пер- Рис. 4. Начальная стадия выделения частиц Си-фазы

лита с аустенитом (мартенситом). Сталь № 1, превра- на пластинах цементита (Ц) при перлитном превра-

щение при 600°С, 20 с и закалка. ПЭМ. щении при 600°С, 5 мин. Сталь № 1. ПЭМ.

При увеличении времени выдержки на изотерме до 1 ч после завершения перлитного превращения или соответствующего дополнительного отпуска заметно увеличиваются доля и размеры выделяющихся частиц Си-фазы, что позволяет детально изучить их форму и распределение. Форма частиц Си-фазы, выделившихся в ферритных промежутках перлита, близка к равноосной. На ПЭМ снимках колоний перлита при ориентировках фольги параллельно плоскостям (100)ф, (110)ф, (111)ф частицы представляются в виде гло-булей размером 10—20 нм (рис. 5а—5в).

Частицы Си-фазы, выделившиеся на цементит-ных пластинах перлита, на ПЭМ снимках представляются в форме округлых пластинок (рис. 1б) и эллипсов, большая ось которых отклоняется от следа пластин цементита на поверхности фольги (рис. 6а) или совпадает с ним (рис. 6б). Анализ показ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»