научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОЙ СТРУКТУРЫ ТРУБНОЙ СТАЛИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ИЗ МЕЖКРИТИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОЙ СТРУКТУРЫ ТРУБНОЙ СТАЛИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ИЗ МЕЖКРИТИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 6, с. 656-663

ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.15-194.52:539.4.016

ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОМ СТРУКТУРЫ ТРУБНОЙ СТАЛИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ИЗ МЕЖКРИТИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА

© 2014 г. А. Н. Маковецкий*, Д. А. Мирзаев**

*ОАО "ЧТПЗ", 454129 Челябинск, ул. Машиностроителей, 27 **Южно-Уральский государственный университет, 454080 Челябинск, пр. Ленина, 76

e-mail: amakoveckiy@chtpz.ru Поступила в редакцию 20.08.2013 г.; в окончательном варианте — 14.11.2013 г.

Исследовано влияние исходной микроструктуры низколегированной трубной стали 13ХФА на механические свойства после закалки от температур межкритического интервала (МКИ). Установлено, что максимальная ударная вязкость КСК-80 достигается в случае исходно-закаленной структуры, а наиболее низкие значения соответствуют исходному отжигу. Принципиально различны и зависимости КСК-80 от температуры второй закалки для отмеченных исходных состояний.

Ключевые слова: структура, низкоуглеродистая сталь, бейнит, мартенсит, межкритический интервал, закалка, ударная вязкость, охрупчивание.

БО1: 10.7868/80015323014060102

ВВЕДЕНИЕ

В [1] показано, что при исходной феррито-перлитной структуре низкоуглеродистой трубной стали 20ФА уровень ударной вязкости и доля вязкого излома после закалки от температур МКИ оказывается значительно ниже, чем в случае полной закалки. Там же представлена простая схема преобразования структур при термической обработке, объясняющая отмеченный эффект. В настоящей статье обсуждаются результаты новых экспериментов на стали 13ХФА. Их цель — расширить класс исследуемых исходных структур, включив структуры отжига, нормализации и закалки при сохранении неизменного исходного размера зерна у-фазы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено на образцах стали 13ХФА, которую используют на Челябинском трубопрокатном заводе для изготовления нефтегазо-проводных труб. Химический состав стали приведен в таблице. Горячекатаные трубы разрезали на

темплеты размером 12 х 12 х 70 мм, из которых изготавливались продольные ударные образцы.

Исследования структур неполной закалки проводили на образцах стали 13ХФА, предварительно подвергнутых 40-минутной выдержке в печи при 1050°С, нормализации, отжигу или закалке от 1050 или от 900°С. Точность регулирования температуры нагрева ±1°. Образцы последовательно помещали в печь, разогретую до 755, 770, 800, 830 и 860°С, выдерживали 40 мин от момента посадки и закаливали в перемешиваемой соленой воде, а затем отпускали при 600°С в течение часа с охлаждением на воздухе.

После термообработки определяли твердость по Бринелю НВ3000, ударную вязкость на стандартных образцах с К-образным надрезом (КСК-80). Металлографическим и электронно-микроскопическим методами исследовали фазовый состав и структуру стали.

Испытания на ударную вязкость проводили при —80°С с помощью копра ИО 5003-0.3. Доля вязкой составляющей в изломе определялась по методике ГОСТ 4543. Металлографические исследования

Химический состав образцом

Марка

Массовая доля элемента, %

стали C Si Mn S P Cr Ni Cu AI N V

13ХФА 0.16 0.3 0.53 0.012 0.007 0.60 0.05 0.06 0.04 0.007 0.06

структуры ударных образцов стали 13ХФА были выполнены на протравленных шлифах с помощью светового микроскопа "НЕОФОТ-30" и растрового электронного микроскопа. Шлифы подвергали травлению в 4-%-ном спиртовом растворе НМ03.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты измерения ударной вязкости образцов исследуемой стали при —80°С в зависимости от температуры окончательной закалки из МКИ для четырех вариантов предварительной термической обработки представлены на рис. 1.

Отчетливо видно, что после отжига или нормализации аустенитизация при температуре 755°С, немного превышающей Ас1, с последующей закалкой в соленой воде и отпуском при 600°С дает чрезвычайно низкую ударную вязкость при —80°С.

В условиях отжига и нормализации от 1050°С распад исходного аустенита проходит по диффузионному варианту с образованием сначала феррита, а ниже Аг1 — перлита. Особенностью низкоуглеродистых сталей является большое количество возникающего феррита. Зерна феррита, врастая в аустенит в условиях локального равновесия, оттесняют избыточный углерод в окружающие их слои у-фазы. Если два зерна а-фазы растут навстречу друг другу, то между ними должен находиться слой насыщенного углеродом аусте-нита, который позднее, ниже Аг1 превращается в перлит. Вероятно, все границы, даже кажущиеся нам тонкими, окаймлены распавшимся высокоуглеродистым аустенитом.

Пленочные приграничные выделения аусте-нита появляются вновь, когда прошедшие отжиг или нормализацию образцы нагревают, например, чуть выше А1 до 755°С. Они возникают либо по границам зерен исходного феррита, там где находились тонкие слои перлита, зажатые в низкоуглеродистой стали зернами а-фазы, либо по границам перлитных колоний, где существуют короткие пути для переноса атомов углерода в образующийся аустенит.

Фотографии микроструктур после рассматриваемой обработки показаны на рис. 2а, 2б. По границам ферритных зерен и перлитных колоний, не претерпевших пока еще значительных изменений, действительно видны светлые каемки, толщина которых у отожженных образцов 0.5 мкм, а у нормализованных — 0.7 мкм. Эти значения превышают среднюю толщину пластин цементита в перлите отожженной стали [2], примерно 0.04 мкм. Поэтому можно предположить, что речь идет не о цементитных, а об аустенитных прослойках, которые образовались вновь при небольшом перегреве относительно Ас1. Последующая закалка превращает аустенит этих слоев в вы-

740 760 780 800 820 840 860 880 Температура закалки, °С

Рис. 1. Зависимость ударной вязкости от температуры закалки из МКИ для различных вариантов предварительной обработки: нагрев 1050°С (О — отжиг, □ — закалка, х — нормализация), закалка от 900°С, отпуск 600°С, 1 ч (Л).

сокоуглеродистый мартенсит. Отпуск на 600°С приводит к выделению карбидных частиц и некоторому снижению плотности дислокаций, но резкая структурная неоднородность сохраняется и в окончательном состоянии.

Садовский неоднократно отмечал [3, 4], что появление на границах зерен пленочных выделений избыточных фаз (феррита, цементита и другие) изменяет характер излома от вязкого, волокнистого к хрупкому кристаллическому. Следует признать, что причиной очень низкой ударной вязкости исходно нормализованных, либо отожженных, а затем закаленных от 755°С образцов, является образование пленкоподобных прослоек мартенсита или бейнита закалки. Но и в этом случае нормализация дает примерно в 2 раза более высокую ударную вязкость нежели отжиг: 12 и 7 Дж/см2 соответственно. Вероятно, это происходит вследствие более существенного измельчения зерна и более низкого содержания углерода в перлите (псевдоперлите), который в условиях нормализации возникает при заметном переохлаждении относительно Ас1.

На представленных фотографиях (см. рис. 2а, 2б) действительно видно, что размер зерна превращенного в ходе нормализации аустенита существенно меньше, чем после отжига. Проведенные нами оценки дали следующие результаты: размер зерна в отожженном состоянии 3.3 мкм, а после нормализации — 1.3 мкм.

Совершенно другая ситуация наблюдается в том случае, когда предварительной термообработкой служит закалка от 1050 или 900°С. Отметим, что охлаждение в соленой воде образца толщиной 12 мм может приводить к образованию не мартенсита, а бейнита закалки. Эти структуры в отпущенном состоянии трудно различить, по-

658

МАКОВЕЦКИЙ, МИРЗАЕВ

Рис. 2. Микроструктура образцов стали 13ХФА с различной исходной обработкой:

а — отжиг на 1050°С, б — нормализация от 1050°С, в, г — закалка от 1050 и 900°С) после закалки от 755°С и отпуска на 600°С; а, б — растровая электронная микроскопия, х2500, х1000, х2000, х1500, в, г — оптическая микроскопия, х600.

скольку они состоят из пакетов реечных кристаллов, содержащих выделения цементита [2]. Поэтому в работе будет употребляться термин бейнит закалки, хотя возможно при низких температурах аустенитизации в МКИ, когда аустенит наиболее сильно насыщен углеродом, при закалке может образоваться истинный мартенсит.

Анализ структур, образовавшихся в случае предварительной закалки от 1050°С и последующей закалки из МКИ от 755°С и более высоких температур, был выполнен в [5]. Он позволил обнаружить специфические процессы образования аустенита, происходящие в ходе выдержки одновременно по двум механизмам: 1) по границам зерен и пакетов реек на оптических микрофотографиях наблюдаются округлые выделения темного цвета, которые разрастаются затем как зерна структурно-неупорядоченного аустенита, вызывая измельчение у-зерен стали; 2) между рейками исходного пакетного бей-нита образуются пластины аустенита, параллельные этим рейкам. Они отчетливо видны на электронно-микроскопических снимках, но их металлографическое наблюдение на начальных стадиях затруднено тем, что рейки образовавшегося аусте-нита расположены внутри пакетов бейнитных реек, дающие пестрые картины травления. Эти пластины при своем росте приобретают повышенную по отношению к ферриту концентрацию углерода, вследствие чего при травлении окрашиваются в более темный цвет. Под микроскопом они видны как тонкие темно-серые иглы, параллельные

рейкам старого нерекристаллизовавшегося пакета. Как следует из [3, 4], именно этот структурно-упорядоченный аустенит, зарождающейся между рейками старого бейнита (мартенсита) и ориента-ционно связанный с его решеткой, при своем развитии вызывает восстановление аустенитного зерна, т.е. структурную наследственность.

Другой особенностью структуры стали является появление белых полей. Их особенность заключается в том, что их форма в пределе совпадает с формой исходного пакета. Особенно отчетливо этот процесс наблюдается при более высоких температурах аустенитизации — 770°С и выше, но и при 755°С эти участки так же отчетливо видны. Речь идет о рекристаллизации пакетного бейнита путем рассыпания малоугловых, дислокационных межреечных границ. В результате соседние рейки пакета геометрически сливаются в общую более широкую пластину

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