ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2010, том 110, № 3, с. 275-284
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15 194:539.89
ВЛИЯНИЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 10Г2ФТ
© 2010 г. Е. Г. Астафурова*, Г. Г. Захарова*, Е. В. Найденкин*, С. В. Добаткин**, Г. И. Рааб***
* Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск пр. Академический, 2/4 ** Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, 119991 Москва, Ленинский проспект, 49 *** Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000 Уфа, ул. К. Маркса, д. 12
Поступила в редакцию 26.06.2009 г.; в окончательном варианте — 15.03.2010 г.
Представлены результаты исследования механических свойств, микроструктуры и фазового состава низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ (Бе—1.12Мп—0.08У—0.07Т1—0.1С) до и после равнока-нального углового прессования. Установлено, что равноканальное угловое прессование стали 10Г2ФТ при Т = 200°С в случае феррито-перлитного и при Т = 400°С в случае мартенситного состояния приводит к формированию преимущественно субмикрокристаллической структуры со средним размером структурных элементов 0.3 мкм, вызывает рост прочностных свойств, уменьшение пластичности и локализацию пластического течения. Экспериментально показано, что исходно мартенситная структура после РКУП обусловливает более высокие прочностные свойства по сравнению с феррито-перлитной.
Ключевые слова: равноканальное угловое прессование, низкоуглеродистые стали, феррит, перлит, мартенсит, субмикрокристаллическая структура.
ВВЕДЕНИЕ
Низкоуглеродистые стали являются важным классом конструкционных материалов и находят применение в различных отраслях промышленности и строительства [1, 2]. Получение низкоуглеродистых сталей с субмикрокристаллической (СМК) и нанокристаллической (НК) структурой открывает возможность улучшения исходных параметров прочности. К настоящему времени экспериментальных работ по интенсивной пластической деформации (ИПД) много, и исследований СМК и НК сталей с каждым годом становится все больше [3—24]. Они демонстрируют хорошую перспективу создания новых высокопрочных материалов с уникальным комплексом физических и механических свойств. Получение СМК- и НК-сталей является нетривиальной задачей и сопряжено со сложностью подготовки специальной оснастки для их деформирования. В настоящее время большинство работ по СМК-сталям проведено с использованием метода равноканального углового прессования (РКУП). Метод РКУП не позволяет достичь экстремальных степеней деформации, как, например, при кручении под квазигидростатическим давлением, но его несомненным преимуществом является возможность получения объемных СМК-загото-вок. Это преимущество позволяет изучать не только структуру, сформированную при ИПД, но и меха-
нические свойства СМК-сталей при растяжении и сжатии.
Уровень прочностных свойств и деформационное упрочнение сталей существенным образом превышают соответствующие характеристики для чистых металлов. По этой причине, ИПД сталей часто проводят при повышенных температурах, не исключающих фазовые превращения. Последние не только играют важную роль в процессе формирования структуры при деформировании, но и определяют механические и функциональные характеристики полученных при ИПД заготовок. В зависимости от термической обработки, предшествующей ИПД, в низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ возможно сформировать феррито-перлитную или мартенситную структуры. Более того, микролегированная сталь 10Г2ФТ содержит добавки ванадия и титана, которые являются сильными карбидообразователями. Следовательно, представляется целесообразным изучить влияние исходного состояния стали (мартенсит или феррито-перлит) на эволюцию структуры при РКУП и превращения в карбидной подсистеме, а также установить корреляцию между микроструктурой и механичскими свойствами исследуемых сталей. В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является исследование микроструктуры и механических свойств при растяжении низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ до и после
РКУП в двух исходных состояниях — феррито-пер-литном и мартенситном.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Сталь 10Г2ФТ (Fe-1.12Mn-0.08V-0.07Ti-0.1C) в исходном состоянии после горячей ковки (температура конца ковки ~1000°С, охлаждение на воздухе) и нормализации 30 мин при 950°С имела феррито-перлитную структуру. Вторая партия образцов после закалки от 1180°С (выдержка 30 мин) в воду имела структуру пакетного мартенсита. РКУП цилиндрических заготовок диаметром 10 мм проводили по режиму ВС (4 прохода) при Т = 200°С в случае феррито-перлитного и при Т = 400°С в случае мартенситного состояния, угол сопряжения между каналами составлял Ф = 120°. После РКУП образцы имели размер: 60 мм в длину и 10 мм в диаметре. Эквивалентная деформация, реализуемая в результате РКУП, была рассчитана по соотношению eN =
= N— ctg (Ф /2) [4] и составила 2.7.
V3
Металлографические наблюдения проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-71. Микроструктуру стали изучали при помощи просвечивающего электронного микроскопа Philips CM30. Образцы для микроскопических исследований получали стандартными методами, описанными в [25, 26]. Средний размер структурных элементов определяли методом секущих по оптическим и электронно-микроскопическим снимкам [27].
Образцы для механических испытаний растяжением в форме двойных лопаток с размером рабочей части 2.6 х 0.5 х 10 мм3 вырезали в продольном сечении заготовок, используя электроискровую резку. После механической шлифовки образцы электролитически полировали при напряжении U = 20-30 В в растворе 25 мл CrO3 + 210 мл H3PO4 при комнатной температуре. Травление металлографических шлифов проводили в растворе: 25 г FeCl3 + 250 мл H2O. Растяжение образцов производили со скоростью 3.5 х 10-3 с-1 при комнатной температуре. Микротвердость измеряли при нагрузке 200 г на микротвердомере ПМТ-3М. Рентгеновские исследования выполнены на дифрактометре Shimadzu XRD-6000 (с монохроматором) с использованием Cu ^-излучения. Расчет параметров тонкого кристаллического строения - микродеформации и размеров блоков когерентного рассеяния, выполнен методом аппроксимации [28].
Оценку плотности дислокаций проводили на основе анализа профилей Брегговских максимумов по формуле [29]:
рш = 2/Т3 <sL> 1/2/( Dhklb), (1)
где Dhkl и ( б2hkl>12 - усредненные по объему величины размеров областей когерентного рассеяния и
микронапряжений в направлении перпендикулярном к плоскости (Нк1), Ь — вектор Бюргерса дислокации (для а-железа Ь ~ 0.248 нм).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура сталей до и после РКУП. На рис. 1 представлена оптическая металлография протравленных шлифов стали 10Г2ФТ до и после РКУП в обоих исходных состояниях.
Исходная структура нормализованной стали 10Г2ФТ до РКУП состоит из смеси феррита и перлита. Перлит имеет пластинчатую структуру, его доля составляет не более 20% в объеме материала, и расположение зерен перлита в структуре носит строчечный характер (рис. 1а). Зерна феррита и перлита в исходном состоянии имеют квазиравноосную форму (рис. 1а) со средним размером зерна феррита 4.2 мкм. Электронно-микроскопическое изображение структуры стали в феррито-перлитном состоянии до РКУП представлено на рис. 2а—2б. Дислокационная субструктура феррита в исходном состоянии носит сетчатый характер, на границах зерен часто наблюдается полосчатый контраст (рис. 2а), свидетельствующий о равновесности границ в исходном состоянии. Перлит имеет пластинчатую структуру (рис. 2б) со средним расстоянием между пластинами Ре3С I ~ 45 нм. Методами электронной микроскопии в теле зерен и по границам обнаружены частицы карбидов УС, НС размером 15-20 нм.
Закалка стали сопровождается формированием структуры пакетного мартенсита (рис. 1в, 1г). Средний размер бывшего аустенитного зерна составляет 20 мкм (рис. 1в), средняя ширина мартенситных пластин — 0.15 мкм (рис. 3а). Закалка не приводит к полному у —» а-мартенситному превращению, вдоль границ бывшего аустенитного зерна и кристаллов мартенсита обнаруживаются прослойки остаточного аустенита (у-фаза) (рис. 1в, 3б), объемная доля которого составляет единицы процентов. Наряду с остаточным аустенитом в структуре обнаружены частицы цементита Бе3С, которые подобно прослойкам остаточного аустенита располагаются вдоль границ кристаллов мартенсита в виде тонких прослоек. В теле зерна также обнаружены сферические частицы Бе3С средним размером 60 нм и мелкодисперсные карбиды УС, НС размером 5—10 нм. Дефектная субструктура кристаллов мартенсита — плотные дислокационные сетки. Рентгенофазовый анализ также показывает, что наряду с рефлексами а-железа, после закалки стали 10Г2ФТ на рентгенограммах наблюдаются линии у-железа (объемная доля не превышает 5%) и карбидов УС и НС (рис. 4б). Рефлексы от карбидов УС и НС слабые, объемная доля этих карбидов не превышает 2%.
РКУП привело к формированию субмикрокристаллической (СМК) зеренно-субзеренной струк-
Рис. 1. Оптические изображения структуры стали 10Г2ФТ до (а, в, г) и после равноканального углового прессования (б, д):
а, б — феррито-перлитное состояние; в, г, д — мартенситное состояние; г, д — изображение структуры в режиме дифференциального интерференционного контраста.
туры в стали 10Г2ФТ в обоих состояниях (рис. 2в, 2г, 3в, 3г). Средний размер фрагментов после РКУП, определенный по темнопольным электронно-микроскопическим изображениям, составляет 0.3 мкм как для феррито-перлитной, так и для мар-тенситной стали. Границы элементов структуры размытые, наблюдается большое количество конкуров экстинкции, значительное азимутальное размытие рефлексов на электронограммах. Электроннограм-мы для данных структур после РКУП носят квазикольцевой характер (см. рис. 2в, 3в). На кольцах электронограмм хорошо различимы отдельные рефлексы, их равномерное распределение по кольцу говорит о наличии преимущественно высокоугловых разориентировок между структурными элемен-
тами, с которых получена электронограмма (здесь и далее электронограммы получены с участка фольги площадью 1.4 мкм2). РКУП вызы
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.