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.