ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1086-1089
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.55:539.53
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ НА КИНЕТИКУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПАДА МАРТЕНСИТА СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
© 2014 г. А. А. Алексеев, Е. М. Гринберг
Тульский государственный университет, 300000 Тула, пр-кт Ленина, д. 84, к. 1
e-mail: ant.suv-tula@mail.ru Поступила в редакцию 27.12.2013 г.; в окончательном варианте 30.04.2014 г.
Изучено влияние скорости охлаждения при закалке на микроструктуру, микротвердость и кинетику низкотемпературного распада мартенсита закаленной среднеуглеродистой стали. Показано, что с ростом скорости охлаждения микротвердость закаленной стали увеличивается. Распад мартенсита происходит в два этапа, при этом на первом этапе интенсивность распада значительно выше, чем на последующем. Интенсивность распада мартенсита на первом этапе вылеживания возрастает при увеличении скорости охлаждения.
Ключевые слова: мартенситное превращение, скорость охлаждения, микротвердость, низкотемпературный распад мартенсита, вылеживание.
DOI: 10.7868/S0015323014100027
ВВЕДЕНИЕ
Изучению мартенситного превращения посвящено большое количество работ, в которых основное внимание уделяется механизму и кинетике самого превращения, кристаллографическим и морфологическим особенностям мартенсита. Значительно меньшее внимание уделяется процессам, происходящим в переохлажденном аусте-ните в период охлаждения до точки Мн. Имеются сведения, что в ходе этих процессов происходит перераспределение углерода в решетке аустенита с адсорбцией его на дефектах кристаллической структуры [1]. В связи с этим можно предположить, что степень завершенности подобного перераспределения должна оказывать влияние на свойства мартенсита, полученного при различных скоростях закалочного охлаждения.
В [2—5] с использованием металлографического, дюрометрического и рентгеноструктурного анализов было показано, что изменение скорости охлаждения при закалке (в интервале выше критической скорости закалки) углеродсодержащих сталей оказывает заметное влияние на кинетику низкотемпературного распада мартенсита. Это влияние обусловлено диффузионным перераспределением углерода в ходе закалочного охлаждения, которое происходит тем полнее, чем меньше скорость этого охлаждения. В этой связи представляло интерес исследовать влияние скорости охлаждения при закалке на кинетику низ-
котемпературного распада мартенсита закаленной стали.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом экспериментального исследования принята среднеуглеродистая конструкционная сталь 40Х. Результаты определения химического состава стали представлены в табл. 1. Использовали образцы цилиндрической формы диаметром 16 мм, высотой 10 мм. Термическую обработку проводили по режимам, включающим закалку в различных средах (комнатной температуры), применяемых в производственной практике — минеральное масло, вода, 10% водный раствор №С1 и 5% водный раствор №ОИ (далее масло, вода, соль и щелочь), и вылеживание при комнатной температуре или низкотемпературный отпуск. Согласно литературным данным, первая стадия распада мартенсита происходит ниже 150—200°С. В соответствии с этим выбрали температуры отпуска 60, 90, 120, 150, 175°С. Для определения температур-
Таблица 1. Химический состав стали
Содержание элементов, % (по массе)
C Si Mn Cr Ni Cu S P
0.40 0.25 0.64 0.92 0.30 0.30 0.035 0.035
Таблица 2. Результаты измерения твердости для стали 40Х, закаленной от 860°С в различных средах
Охлаждающая среда Скорость охлаждения, °С/с ИКС НУ Коэффициент вариации, Уну, %
Масло 150 56 640 2.6
Вода 600 56.5 660 2.4
Соль 1100 58 690 2.1
Щелочь 1200 59 700 1.7
ной границы этой стадии распада в стали 40Х использовали также отпуск при температуре 225°С. Продолжительность отпуска во всех случаях составляла 1 ч. Температура нагрева сталей под закалку составила 860°С, продолжительность изотермической выдержки — 30 мин. Выбор размеров образцов и температуры нагрева под закалку надежно обеспечивали получение сквозной про-каливаемости при всех использованных скоростях охлаждения. После закалки сталь имела практически однородную мартенситную структуру.
Нагрев под закалку проводили в лабораторной шахтной электропечи СШОЛ-1.1. Отпуск при 60, 90°С проводили в водяном термостате 1ТЖ-0-03 с допустимым отклонением температуры ±0.3°С. Отпуск при 120°С проводили в электропечи МИМП Ш 23/11. При остальных температурах нагрев проводили в печи МР-1М. Точность поддержания заданной температуры ±5°С.
Металлографический анализ образцов производили на оптическом микроскопе "ОЪ8егуег^1ш" при увеличении 500 крат. Измерения макротвердости проводили на приборе ТК-2. В качестве оценки ИЯС принимали среднее арифметическое из серии 5 параллельных измерений. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н на нетравленых шлифах. Для удаления наклепанного поверхностного слоя, возникающего при шлифовании и полировании, применяли трехкратное травление с последующей переполировкой. За результат измерения принимали среднее из 50 измерений, распределяемых случайным образом по поверхности шлифа. Результаты измерения микротвердости подвергали статистической обработке.
Учитывая методические особенности проведения экспериментов (удаление обезуглероженного приповерхностного слоя, измерения макротвердости, подготовка образца к проведению измерений микротвердости), первые измерения микротвердости производились через 1 ч после завершения закалки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно литературным данным [1], в свежеобразованном мартенсите начинает происходить перераспределение углерода по междоузлиям. Для этого оказывается достаточным их перемещение в пределах элементарной ячейки. При комнатной температуре перераспределение атомов по междоузлиям заканчивается практически за несколько минут. Результат дальнейшего перераспределения углерода в мартенсите зависит от возможной протяженности диффузионного пути атомов углерода: упорядочение, образование атмосфер Кот-трелла (в течение нескольких часов) и сегрегация на других дефектах решетки, образование плоских скоплений атомов углерода одноатомной толщины — кластеров, распад мартенсита с образованием высокодисперсных карбидов, решетка которых когерентна с решеткой матрицы. При этом в углеродистых и легированных сталях с содержанием углерода менее 0.6% в виду того, что точка Мн находится при сравнительно высоких температурах, процессы распада мартенсита могут получить существенное развитие уже во время закалочного охлаждения в мартенситном интервале [1].
Уменьшение скорости охлаждения при непрерывной закалке, будет повышать степень диффузионного перераспределения углерода к моменту достижения точки Мн, с одной стороны, и способствовать повышению степени распада свежеобразованного мартенсита (т.е. "самоотпуску") в ходе охлаждения от точки Мн до комнатной температуры, с другой.
Металлографический анализ и результаты измерения макротвердости (табл. 2) показали, что при всех использованных режимах охлаждения закалка обеспечивает получение однотипной и гомогенной структуры во всем объеме образцов данной марки стали. Дисперсность мартенсита во всех образцах исследованной стали примерно одинакова. Низкотемпературный отпуск не оказывает существенного влияния на металлографическую структуру стали.
Значения скоростей охлаждения в различных средах заимствованы из монографии [6]. Из рис. 1
1088
АЛЕКСЕЕВ, ГРИНБЕРГ
720
700 -
680
660 -
640
620
500 1000
Скорость охлаждения, °С/с
1500
690 -670
ость650
д р
е
тве
о р
« 570
Ми550
630 610 590
50 100 150 200 Время вылеживания, ч
250
Рис. 2. Зависимость микротвердости от времени вылеживания после закалки в соли.
0
0
Рис. 1. Зависимость микротвердости от скорости охлаждения после закалки в различных средах: ♦ — масло; ▲ — сода; • — соль; ■ — щелочь.
видно, что с увеличением скорости охлаждения микротвердость закаленной стали линейно возрастает. Это объясняется уменьшением сегрегации углерода на структурных дефектах как аустени-та в температурном интервале, предшествующем мартенситному превращению, так и мартенсита в пределах мартенситного интервала при самоотпуске, и повышением вследствие этого равномерности распределения углерода в мартенсите [2]. Снижение коэффициента вариации при этом, свидетельствует о повышении равномерности распределения углерода в мартенсите.
На рис. 2 показана зависимость изменения микротвердости стали 40Х от времени вылеживания при комнатной температуре после закалки от 860°С в соли. Видно, что уменьшение твердости свежезакаленных образцов по мере вылеживания происходит в два этапа. При этом интенсивность распада мартенсита больше на первом этапе и тем больше, чем выше скорость охлаждения при закалке, как это было показано ранее [3]. На втором этапе распад протекает значительно медленнее. Аналогично происходит распад мартенсита для стали 40Х, закаленной в других использованных в работе закалочных средах.
Каждый этап изменения микротвердости в результате распада достаточно хорошо описывается линейной зависимостью:
НУ = ат + Ь, (1)
Таблица 3. Интенсивность распада мартенсита на первом этапе при вылеживании при комнатной температуре
Закалочная среда а А ИУ
Масло 0.3 77
Вода 0.5 102
Соль 0.7 128
Щелочь 0.8 137
Температура отпуска, °С
Рис. 3. Зависимость микротвердости от температуры отпуска для стали 40Х: ♦ — соль; ■ — масло.
где ИУ — значение микротвердости; а — тангенс угла наклона прямой; т — время вылеживания, с; Ь — постоянная, соответствующая величине микротвердости при т = 0.
Авторами было предложено, оценивать интенсивность распада мартенсита по значению тангенса угла наклона этой зависимости на первом этапе вылеживании при комнатной температуре (табл. 3), то есть по величине коэффициента а = = а = АИУ/Ат (где АИУ — изменение микротвердости на первом этапе; Ат — продолжительность первого этапа).
Из представленных в таблице данных видно, что интенсивность распада мартенсита на первом этапе вылеживания возрастает при увеличении скорости охлаждени
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.