ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 114-120
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.591:539.537
ПОВЫШЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ БЕСКАРБИДНОГО БЕЙНИТА
© 2015 г. А. Ю. Калетин*, А. Г. Рыжков**, Ю. В. Калетина*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ** Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
e-mail: akalet@imp.uran.ru Поступила в редакцию 24.04.2014 г. в окончательном варианте — 20.06.2014 г.
Исследована структура и определены механические свойства хромоникельмолибденовых сталей с содержанием углерода от 0.1 до 0.4% после медленного непрерывного охлаждения в бейнитной области. Показано, что при содержании углерода около 0.10—0.15%, а также при дополнительном легировании кремнием и алюминием после такой термообработки в стали образуется структура бескарбидного бейнита и наблюдается существенное повышение ударной вязкости по сравнению с бейнитом, содержащим карбидные выделения. Повышение уровня вязкости связывается с присутствием в бескарбидном бейните значительного количества обогащенного углеродом остаточного аустенита.
Ключевые слова: бейнитные стали, непрерывное охлаждение, бескарбидный бейнит, остаточный аустенит, прочность, ударная вязкость.
DOI: 10.7868/S0015323015010064
ВВЕДЕНИЕ
Проблема использования сталей бейнитного класса для производства ответственных деталей и конструкций в настоящее время как в России, так и за рубежом является актуальной. Такие стали часто обладают повышенным комплексом механических и эксплуатационных свойств, достаточно технологичны, и при экономном легировании характеризуются пониженной стоимостью. Интерес к переходу на стали бейнитного класса проявляют производители железнодорожных рельсов, поскольку возможности дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик рельсов из перлитной стали оказались исчерпаны. Это вызвало необходимость создания альтернативных сортов рельсовой стали, качество которой превосходило бы качество перлитных сталей. Практика использования трубных сталей также показывает, что при формировании в них феррито-перлитной структуры невозможно получить требуемые функциональные характеристики. Высокие прочностные свойства этих сталей обеспечивают режимы термообработки, при которых формируется фер-рито-бейнитная, чисто бейнитная или бейнитно-мартенситная структуры.
В последние годы накоплен обширный материал о промежуточном превращении переохлажденного аустенита [1—4] и свойствах бейнита конструкционных сталей [2—5]. Бейнитная структура
имеет сложную природу и может существенно менять свою морфологию в зависимости от содержания в стали углерода, легирующих элементов и условий охлаждения.
Проявлением многообразия бейнитной структуры в зависимости от легирования и особенностей термической обработки стали является возникновение структуры так называемого "бескарбидного бейнита", представляющего собой сочетание малоуглеродистого бейнитного феррита и высокоуглеродистого остаточного аустенита [2—4]. Строение альфа-фазы и морфология остаточного аусте-нита в бескарбидном бейните определяются температурой превращения и степенью легирован-ности стали. Бескарбидный бейнит может быть верхним и нижним, но в любом случае в нем отсутствуют выделения карбидов. При этом практически весь углерод стали находится в остаточном аустените. Содержание углерода в остаточном аустените может в несколько раз превышать среднее содержание углерода в стали. Известно [3, 6, 7], что наличие в структуре мелкодисперсного бейнитного феррита без выделения карбидов цементитного типа в сочетании со стабильным остаточным аустенитом обеспечивает получение высокого комплекса прочности и вязкости конструкционных сталей.
Несмотря на достаточно большое количество данных, касающихся особенностей структуры
Таблица 1. Химический состав исследованных сталей, мас. %
Сталь С Cr Ni Mn Si Mo V Al S P
40Х2Н2МА 0.41 1.37 1.52 0.50 0.36 0.25 - - 0.014 0.025
40Х2Н2МЮ 0.37 1.59 2.01 0.78 0.52 0.36 - 1.27 0.017 0.018
27Х2Н2СМ 0.27 1.75 1.96 0.36 0.93 0.40 - - 0.015 0.010
18Х2Н2СМ 0.18 1.78 2.10 0.34 0.98 0.43 - - 0.013 0.010
15Х2Н3МФ 0.16 2.21 3.28 0.35 0.26 0.66 0.22 - 0.024 0.012
14Х2Н2ГМФ 0.14 2.05 2.33 0.76 0.21 0.38 0.17 - 0.026 0.016
10Х2Н3ГМ 0.10 2.23 2.68 0.91 0.44 0.34 - - 0.022 0.012
бескарбидного бейнита и ее свойств, остается невыясненным целый ряд вопросов, среди которых важными являются возможности получения структуры бескарбидного бейнита в среднелегирован-ных конструкционных сталях при непрерывном медленном охлаждении и механические свойства такой структуры.
При проведении изотермической закалки обычно используют стали, легированные кремнием: 38ХС, 35ХГСА, 60С2, в которых промежуточное превращение протекает в две стадии [4, 8]. На первой стадии образуется малоуглеродистый бейнит-ный феррит и сохраняется обогащенный углеродом остаточный аустенит. Протекание второй стадии связано с выделением карбидной фазы и уменьшением количества остаточного аустенита. Задержать выделение карбидов во время промежуточного превращения можно не только при легировании кремнием, но и алюминием [1, 3, 5]. Изотермически закаленная сталь со структурой бескарбидного бейнита характеризуется высоким уровнем трещи-ностойкости и вязкости [3, 9—11], тогда как выделение карбидов сопровождается резким снижением сопротивления ударному разрушению [10].
Для тяжелонагруженных деталей ответственного назначения широко применяются среднеуг-леродистые хромникельмолибденовые стали типа 40Х2Н2МА, 35Х2НМФА, 38ХН3МФА, обладающие повышенной устойчивостью аустенита в перлитной области. Однако в производстве при закалке в масле крупных деталей в центральных участках неизбежно образовывается бейнит, что приводит к снижению ударной вязкости.
В настоящей работе исследовали влияние содержания углерода и легирования кремнием и алюминием на возможность обеспечения высокого уровня ударной вязкости бейнитной структуры в хромоникелевых сталях после непрерывного охлаждения со скоростью приблизительно 5°С/мин, которая характерна для охлаждения центральных участков достаточно массивных деталей. Для этого было необходимо исключить карбидообразование в процессе промежуточного превращения переохлажденного аустенита, обеспечить получение структуры бескарбидного бей-
нита и оценить механические свойства сталей с бейнитом различного типа.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовали структуру и свойства легированных сталей, химический состав которых приведен в табл. 1. Для получения бейнитной структуры заготовки исследуемых сталей нагревали на 870°С с выдержкой 30 мин. Затем образцы охлаждали с печью с постоянной скоростью Уохл = 5°С/мин.
Структуру сталей изучали электронно-микроскопическим методом на микроскопе JEM-200 CX на фольгах, вырезанных из соответствующих образцов, приготовленных по стандартной методике. Поверхность изломов сталей после различных режимов термообработки исследовали на сканирующем электронном микроскопе "Quanta-200". Количество остаточного аустенита измеряли магнитометрическим методом. Механические свойства определяли при комнатной температуре статическим растяжением пятикратных образцов с диаметром рабочей части 5 мм. Ударную вязкость определяли на образцах типа I по ГОСТ 9454—78. Для определения параметра решетки остаточного аустенита на аппарате ДРОН-3.0 в ^-излучении железа снимали линию (311)Y. Полученные данные использовали для расчета содержания углерода в остаточном аустените по методике [2].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В промышленной стали 40Х2Н2МА после охлаждения от температуры 870°С со скоростью V = = 5°С/мин формируется глобулярная зернистая структура бейнита, который обычно образуется в стали в изотермических условиях при температурах 400—450°С. Электронно-микроскопические исследования показали, что бейнитная структура отличается большим разнообразием. В структуре наблюдали участки как глобулярной, так и реечной формы, а также значительное количество карбидов цементитного типа, выделившихся как внутри, так
Ч
(в)
Рис. 1. Структура сталей 40Х2Н2МА (а), 14Х2Н2ГМФ (б), 10Х2Н3ГМ (в, г) после охлаждения от 870°С со скоростью 5°С/мин:
а, б, в — светлопольное изображение; г — темнопольное изображение в рефлексе 002^.
и по границам кристаллов бейнитного феррита (рис. 1а). Остаточный аустенит присутствует в незначительном количестве. Такая структура обладает низкой ударной вязкостью — 0.3 М Дж/м2 при уровне прочности около 1100 МПа (табл. 2).
Очевидно, что при непрерывном охлаждении со скоростями, характерными для охлаждения средней части массивных деталей, задержать выделение карбидов в таких легированных сталях с содержанием около 0.4% С затруднительно. Было предположено, что для получения бескарбидного бейнита, обеспечивающего повышение ударной
вязкости материала, необходимо уменьшить в нем содержание углерода.
Для проверки этого предположения исследовали серию специально выплавленных хромоникельмо-либденовых сталей с пониженным содержанием углерода - 10Х2Н3ГМ, 14Х2Н2ГМФ, 15Х2Н3МФ, в которых при медленном охлаждении с печью (V= = 5°С/мин) формируется бейнитная структура. Механические свойства этих сталей и стали 40Х2Н2МА, термически обработанных по одинаковому режиму, обеспечивающему образование бейнита, приведены в табл. 2. Видно, что
Таблица 2. Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита А^ и механические свойства сталей после непрерывного охлаждения от 870°С в бейнитном интервале температур (Кохл = 5°С/мин)
Сталь МПа KCU, МДж/м2 Твердость, HRC Аост, % Содержание углерода, мас. % Доля углерода в %
в стали в А ост
40Х2Н2МА 1110 0.30 36 6 0.41 1.0 15
15Х2Н3МФ 1150 1.33 37 14 0.16 0.9 79
14Х2Н2ГМФ 1090 1.25 36 15 0.14 0.8 86
10Х2Н3ГМ 1240 1.10 38 9 0.10 0.8 72
Рис. 2. Бейнитная структура исследованных сталей:
а - 40Х2Н2МЮ; б - 40Х2Н2МЮ, темнопольное изображение в рефлексе 002у; в - 27Х2Н2СМ; г - 18Х2Н2СМ; а, в, г — светлопольное изображение.
при примерно одинаковых прочностных характеристиках у
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.