ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 11, с. 1160-1170
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.591:539.56
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ СФЕРОГРАФИТНЫХ БЕЙНИТНЫХ "БЕСКАРБИДНЫХ" ЧУГУНОВ
© 2012 г. М. Н. Георгиев*, Е. Г. Волкова**, В. В. Сагарадзе**, К. Г. Валков*
*Институт механики, БАН, Болгария, г. София **Институт физики металлов УрО РАН, 620990Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
E-mail: lena-167@mail.ru Поступила в редакцию 16.02.2012 г.; в окончательном варианте — 11.04.2012 г.
Представлены результаты исследований структуры так называемых бескарбидных нелегированных и легированных бейнитных сферографитных чугунов и их трещиностойкости. Показано влияние остаточного аустенита на статическую трещиностойкость чугунов. Посредством трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) выявлена структурная близость бейнитного феррита (аБ) и дислокационного (реечного) мартенсита. Высокая плотность дислокаций (1.1 х 10 см-2) и небольшое количество чрезвычайно дисперсных карбидов в бейнитном феррите являются основной причиной повышенной прочности чугунов. Наличие упрочненного феррита в сочетании с возможностью пластического деформирования остаточного аустенита обеспечивает высокую трещиностойкость исследованных бейнитных сферографитных чугунов. Определены параметры изотермической закалки, при которых реализуется максимальное сопротивление распространению трещины.
Ключевые слова: бейнитный феррит, остаточный аустенит, бейнитный сферографитный чугун, мартенсит, карбиды, трещиностойкость, дислокации.
ВВЕДЕНИЕ
Характерная для серых чугунов хрупкость в значительной степени ограничивает возможность их использования при производстве ответственных деталей в машиностроении. Первым серьезным шагом в преодолении этого недостатка было создание технологии сфероидизации углерода, находящегося в свободном состоянии в форме графита в структуре чугуна. Впоследствии усилия исследователей сосредоточились на создании такой металлической матрицы сферогра-фитных чугунов, которая обеспечивает высокие механические свойства и хорошую трещиностойкость [8, 9, 11—14, 23—25]. Для решения этой задачи очень полезным оказалось формирование бей-нитной структуры, практически не содержащей цементита и состоящей только из феррита и аустенита [1—7, 10, 15—20]. Этот материал получил название бескарбидного бейнитного чугуна [21, 22, 26].
Были поставлены следующие цели:
1) исследовать влияние легирующих элементов, температуры изотермической закалки и количества термически стабилизированного остаточного аустенита на статическую трещиностой-кость бейнитного сферографитного чугуна;
2) определить структурные особенности бейнитного феррита — основного носителя прочности бейнитного сферографитного чугуна.
1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Чугуны выплавляли в индукционной печи. Осуществляли коррекцию химического состава в отношении кремния и легирующих элементов. После чего при температуре 1480—1500°С проводили сфероидизацию в процессе внепечной обработки жидкого металла по методу "Sandwich" и вторичное модифицирование с целью облегчения процесса графитизации.
Исследовали две группы легированных и нелегированных сферографитных чугунов. Химический состав нелегированных сферографитных чугунов, отличающихся только содержанием кремния, представлен в табл. 1. Состав чугунов, содержащих около 3.0 мас. % кремния и легированных никелем, медью и молибденом, указан в табл. 2.
Критические температуры перлитно-аусте-нитного превращения при нагреве для чугунов разного состава определяли на дифференциальном дилатометре DI 10/2 "ADAMEL". На основании полученных результатов были подобраны температуры аустенитизации. Для получения бес-
Таблица 1. Химический состав исследованных нелегированных сферографитных чугунов с различным содержанием кремния
Номер
Химический состав (вес. %)
плавки C Si Mn S P Cr N Mg Mo Cu Ni
1 3.21 2.01 0.19 0.005 0.03 0.033 0.0080 0.029 — 0.01 -
2 3.01 2.42 0.13 0.003 0.08 0.040 0.0070 0.038 — 0.037 0.035
3 3.18 2.90 0.27 0.007 0.07 0.043 0.0077 0.032 — 0.037 0.035
4 3.02 3.18 0.14 0.006 0.08 0.040 0.0060 0.044 — 0.034 0.033
5 3.21 3.61 0.14 0.007 0.07 0.041 0.0045 0.036 — 0.032 0.034
6 2.98 4.50 0.13 0.005 0.05 0.044 0.0080 0.031 - 0.038 0.032
Таблица 2. Химический состав сферографитных чугунов, легированных медью, никелем и молибденом
Номер
Химический состав (вес. %)
плавки C Si Mn S P Cr N Mg Mo Cu Ni
7 = 4 3.02 3.18 0.14 0.006 0.08 0.040 0.0060 0.044 - 0.034 0.033
8 2.99 2.83 0.13 0.006 0.07 0.044 0.0051 0.036 - 0.60 0.34
9 3.31 2.80 0.33 0.005 0.047 0.064 0.0051 0.036 - 0.80 0.40
10 3.12 2.98 0.33 0.004 0.05 0.066 0.0072 0.035 - 0.16 0.92
11 2.98 3.20 0.13 0.005 0.08 0.043 0.0053 0.042 - 0.59 0.53
12 3.01 2.97 0.14 0.007 0.07 0.044 0.0073 0.033 0.25 0.60 0.59
13 3.35 3.29 0.16 0.003 0.01 0.053 0.0055 0.033 0.20 0.017 0.95
14 3.28 2.81 0.12 0.005 0.05 0.064 0.0054 0.036 0.38 0.55 1.09
15 3.21 2.89 0.15 0.006 0.05 0.060 0.0065 0.039 0.34 1.06 1.19
Таблица 3. Выбранные режимы изотермической закалки сферографитных чугунов с химическими составами 3 и 12 (см. табл. 1 и 2)
Хим. состав Номер образца Аустенизация Изотермическая закалка
Т, °С т, мин Т, °С т, мин
12 1 930 60 290 30
2 890 60 340 30
3 850 60 390 30
3 4 860 60 290 65
5 900 60 340 35
6 900 60 390 30
карбидной бейнитной структуры металлической матрицы сферографитные чугуны подвергали изотермической закалке в соляных ваннах. Термообработка исследованных составов включала аустенитизацию и изотермическую закалку по режимам, представленным в табл. 3.
Стандартные механические свойства при статическом нагружении определяли на гладких цилиндрических образцах в соответствии с ГОСТ 1497—73. В табл. 4 представлены механические свойства тех шести образцов, структуру которых исследовали с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. Рентгеноструктурный анализ выполняли на аппарате APD-15 "Philips" с вертикальным гониометром типа PW 1050/31. Ранее проведенные исследования показали [21, 22],
Таблица 4. Механические свойства исследованных сферографитных чугунов
Хим. состав Номер образца о02,МПа стВ,МПа S5, %
12 1 998 1301 4.5
2 850 1000 7.5
3 777 907 9.0
3 4 5 6 1187 974 772 1291 1115 1040 5.0 12.1 15.4
1С, МРа м1/2 100
90
80
70
60
50
40
\1 \ Г«\ \
К
' \ ■ \ \ 3
! - /• •5Х V /■ \ Х / ! \ ■/ ! \
4 1 - ' ■ / • м ; 1 1 ! 1 ,' 1 1 1 4 * / ! \ ■ \ II » ^ 1 1 ^ \ в '' ! 1 1
90
а
Рч
80
70
60
50 -
40
30
0 10 20 30 40 50 60 АОСТ, об. %
Рис. 1. Влияние количества остаточного аустенита на предел трещиностойкости 1С (штриховыми линиями очерчена группа данных по нелегированным чугунам, а сплошными линиями — по легированным чугунам).
что в структуре изученных сферографитных чугу-нов (см. табл. 1 и 2) после изотермической закалки в исследованной области бейнитного превращения (290—390°С), цементит практически не выявлялся ^е3С < 3% об.). Это обстоятельство дало возможность [22, 23] определить количество остаточного аустенита (табл. 5) и бейнитного феррита. Структуру чугунов исследовали с помощью световой микроскопии на микроскопе №орИо! 21. Анализ тонкой структуры проводили на электронном микроскопе JEM-200CX с использованием микродифракции, светлопольных и темнопольных изображений. Трещиностойкость при статическом нагружении определяли не по вязкости разрушения КС, а по пределу трещиностойкости 1С [27] (см. ГОСТ 25.506-85) в процессе трехточечного изгиба в отсутствии чисто хрупкого разрушения. Эта характеристика не требует записи диаграммы "сила—деформация". Необходимо знать только значение нагрузки Р = Ртах. При вычислении предела трещиностойкости 1С использовали известные формулы для коэффициента интенсивности напряжения К, в которых Р = Ртах, что позволило считать: 1С > К1С. В случае разрушения в условиях значительной пластичности реализуется неравенство 1С > К1С.
290 340 390
Температура изотермической закалки, °С
Рис. 2. Влияние температуры изотермической закалки на предел трещиностойкости 1С (сплошные и штриховые линии относятся соответственно к легированным и нелегированным чугунам).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены значения предела тре-щиностойкости 1С исследованных чугунов (табл. 1, 2) в зависимости от содержания остаточного аустенита Аост в металлической матрице (данные по легированным чугунам представлены в верхней группе, ограниченной сплошными линиями на рис. 1). Из рис. 1 видно, что максимальные значения 1С реализуются в случае, когда в структуре бейнитного сферографитного чугуна остаточный аустенит содержится в пределах 30— 35%. По всей вероятности, этот аустенит имеет оптимальную высокую стабильность по отношению к образованию мартенсита деформации. Увеличение количества остаточного аустенита до 50—60% обычно вызывает уменьшение его леги-рованности углеродом, что снижает устойчивость аустенита и образующийся мартенсит деформации способствует падению трещиностойкости (см. рис. 1). Легированные чугуны при одном и том же количестве остаточного аустенита Аост имеют в два раза более высокие значения 1С по сравнению с 1С нелегированных чугунов, что возможно также связано с повышением деформационной стабильности аустенита при введении легирующих элементов N1, Си и Мо. На рис. 2 показано влияние температуры изотермической закалки на предел трещиностойкости сферогра-
Рис. 3. Структура образца № 1, световая микроскопия:
а — общий вид сферолитов графита и бейнитных пластин, б — образец № 4, ферритно-перлитная структура матрицы нелегированного чугуна после аустенитизации при 900°С (1 ч) и эвтектоидного распада при 600°С (30 мин).
фитных бескарбидных бейнитных чугунов. Для получения максимальных значений 1С в нелегированных чугунах оптимальное соотношение фаз в структуре достигается после изотермической закалки при 340°С. Для легированных чугунов наилучшая трещиностойкость получается при 290°С.
Для электронно-микроскопического исследования были выбраны образцы чугуна двух химических составов: № 3 (нелегированный чугун, см. табл. 1) и № 12 (легированный чугун, см. табл. 2). Было иссле
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.