ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 5, с. 457-467
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194:539.25
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПАДА АУСТЕНИТА НА МОРФОЛОГИЮ БЕЙНИТА И СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
© 2013 г. В. М. Счастливцев*, Т. И. Табатчикова*, И. Л. Яковлева*, С. Ю. Клюева*, А. А. Круглова**, Е. И. Хлусова**, В. В. Орлов**
*Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", Санкт-Петербург e-mail: tabat@imp.uran.ru Поступила в редакцию 12.07.2012 г.; в окончательном варианте — 31.10.2012 г.
Рассмотрены особенности структуры бейнита низкоуглеродистой низколегированной стали 07Г2НДМБТ, полученного при изотермическом распаде аустенита — величина кристаллов, их взаимная ориентация, наличие выделений цементита. Определен температурный интервал формирования бейнита с субзеренным строением. Установлено влияние размера аустенитного зерна и степени горячей деформации на происходящее при последующем охлаждении бейнитное превращение и субмикрокристаллическое строение бейнита. Исследована структура и механические свойства листового проката толщиной 16 мм, подвергнутого термомеханической обработке (ТМО) по оптимальным режимам в промышленных условиях. Показано, что высокая дисперсность структуры стали после ТМО обусловлена не только образованием бейнита с субзеренным строением, но и частичной передачей дефектов кристаллического строения от горячедеформированного аустенита конечной бейнитной структуре.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь, изотермическое превращение, структура, бейнит, термомеханическая обработки, механические свойства.
DOI: 10.7868/S0015323013050082
Современные свариваемые трубные (штрипсо-вые) стали, обладающие высокими показателями свариваемости, прочности и вязкости, отличаются низким содержанием углерода. Они легированы марганцем и незначительными добавками никеля, молибдена, меди, ниобия, титана и хрома. При оптимальном режиме термомеханической обработки в них возможно получение предела текучести до 800 МПа. Комплекс механических свойств стали зависит от состояния аустенита перед ускоренным охлаждением, скорости охлаждения, температуры у ^ а-превращения и обусловлены формированием той или иной морфологии бейнита.
Известно, что бейнит представляет собой структуру промежуточного типа, отличающуюся большим разнообразием морфологических форм [1, 2, 3], зависящих от состояния аустенита перед ускоренным охлаждением, скорости охлаждения и температуры превращения, определяющих, в конечном счете, комплекс механических свойств стали. Морфология бейнита в значительной степени зависит и от уровня легирования стали. Все это приводит к некоторым трудностям при описании
структуры бейнита, так как требует привлечения различных терминов для адекватной характеристики того или иного морфологического типа структуры.
Бейнитный комитет Японского института стали (bainite committee of ISIJ) рекомендовал описывать основную фазу в малоуглеродистых сталях как полигональный (polygonal), квази-полиго-нальный (quasi-polygonal), видманштеттовый (Widmanstatten), зернистый (granular), бейнитный феррит (bainitic ferrite) и кубический мартенсит [4]. Отметим, что в настоящее время отсутствует однозначное толкование тех структур, которые наблюдаются в низкоуглеродистых легированных сталях. Недавно вопрос о необходимости разработки классификации микроструктур в низкоуглеродистых трубных сталях был поднят в работе [5]. В ней, в частности, были обобщены термины и обозначения многочисленных исследований, в которых были предложены 16 различных определений бейнитной структуры, описывающих как морфологию самих бейнитных кристаллов, так и их расположение по отношению к границам исходных
Химический состав стали 07Г2НДМБТ, мас. %
С Мп Сг N1 Си А1 Т1 Мо V Р 8
0.06 0.25 1.92 0.03 0.40 0.20 0.04 0.015 0.31 0.048 0.005 0.006 0.002
аустенитных зерен. Так, только по форме кристаллов предлагается различать бейнит игольчатый, глобулярный, гранулярный, реечный, зернистый, столбчатый. Ясно, что иногда будет трудно описать различие между, например, глобулярной, гранулярной и зернистой формой кристаллов. Авторы работы [5] посчитали целесообразным при разработке классификации структур учитывать игольчатый, реечный и глобулярный (зернистый) бейнит.
Бейнитное превращение является промежуточным между диффузионным перлитным превращением и бездиффузионным мартенситным превращением, причем в сталях может образовываться как верхний, так и нижний бейнит. Известно, что росту кристаллов бейнитного феррита предшествует перераспределение углерода в аусте-ните, приводящее к образованию обедненных и обогащенных участков. Затем следует мартенсит-ное превращение в обедненных участках аустени-та, выделение карбидов в обогащенных участках, снижение по этой причине концентрации углерода в них и т.д. [6].
Таким образом, общепринятым считается представление [2, 3], что бейнитное превращение развивается в сталях при температурах, когда происходит диффузионное перераспределение атомов углерода и бездиффузионное у ^ а-превращение по сдвиговому механизму. Согласно этим представлениям, перераспределение атомов углерода в аусте-ните играет важную роль в развитии бейнитного превращения.
Предложены несколько классификаций структур, возникающих в подобного класса сталях, например, в работе [4]. Однако до сих пор не существует единого принципа, позволяющего различить верхний и нижний бейнит в низкоуглеродистых сталях. Для этих сталей трудно сделать однозначные заключения о том, какая морфология бейнита способствует достижению высоких механических свойств. Между тем известно, что наличие верхнего бейнита в структуре среднеуглеродистых конструкционных сталей не позволяет получить высокий комплекс механических свойств [7].
Следует также заметить, что развитие бейнитно-го превращения в низкоуглеродистых низколегированных сталях при высоких температурах в течение определенного времени, когда возможно перераспределение не только углерода, но и других легирующих элементов, входящих в химический состав
сталей, позволяет прогнозировать, что в них даже при изотермическом у ^ а-превращении могут существовать разнообразные морфологические формы бейнита. Такое предположение вполне обосновано, поскольку известно, что выше 500°С возможна диффузия не только атомов углерода, но и диффузия других легирующих элементов.
Существенное повышение прочностных характеристик штрипсовых сталей в условиях ограничения значений углеродного эквивалента с целью повышения свариваемости и экономической эффективности технологии может быть достигнуто при использовании двухстадийной термомеханической обработки (ТМО) с ускоренным охлаждением проката [8]. Первая стадия деформации осуществляется выше температуры рекристаллизации аустенита, вторая — ниже ее, в области температур точки Аг3. В этом случае фер-ритное и бейнитное превращения происходят в аустените с повышенной плотностью несовершенств кристаллического строения, что неизбежно должно оказать влияние как на структуру феррита, так и на морфологию образующегося бейнита.
Целью настоящей работы являлось определение зависимости морфологии бейнитной структуры, формирующейся в низкоуглеродистых низколегированных (так называемых штрипсо-вых) сталях от температуры изотермического у ^ а-превращения. Особое внимание следовало уделить определению особенностей структуры бейнита в низкоуглеродистой свариваемой стали, связанных с проведением термомеханической обработки.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом для проведения исследований послужила типичная штрипсовая сталь типа 07Г2НДМБТ (класса прочности Х90), химический состав которой приведен в таблице.
Из термокинетической диаграммы, приведенной в работе [8], следует, что образование бейнит-ной структуры в такой стали осуществляется в температурном интервале 600—450°С. Температура начала и окончания образования бейнита находится выше по сравнению с традиционными конструкционными сталями, в которых бейнит-ное превращение развивается в температурном интервале 550-450°С [9].
Изотермическое у ^ а-превращение осуществляли в дилатометре фирмы Dil 805 "Baehr Thermoanalyse" по режиму: нагрев до температуры 950°С, выдержка 5 минут, охлаждение до температур 600, 550, 500, 450°С, выдержка 30 мин, охлаждение со скоростью 70°С/с.
Имитацию ТМО осуществляли в лабораторных условиях на дилатометре с возможностью деформирования сжатием и автоматизированным контролем температуры и степени деформации. Были выбраны приведенные ниже термодеформационные режимы обработки на дилатометре, позволяющие оценить влияние размера зерна аустенита на изменение температур фазового превращения и структуру стали.
Режим I. Нагрев образцов до 1200°С со скоростью 10°С/с, выдержка в течение 5 мин — охлаждение до 920°С со скоростью 5°С/с — деформация 25% со скоростью 5 мм/с — охлаждение со скоростями от 50 до 0.5°С/с. Режим имитировал ТМО с проведением горячей деформации крупнозернистого аустенита (размер зерна аустенита 70-80 мкм).
Режим II. Нагрев образцов до 1200°С, выдержка в течение 5 мин — охлаждение со скоростью 100°С/с до комнатной температуры - нагрев до 1000°С со скоростью 10°С/с, выдержка в течение 5 мин — охлаждение до 920°С со скоростью 5°С/с — деформация 25% со скоростью 5 мм/с — охлаждение со скоростями от 50 до 0.5°С/с. Режим имитировал ТМО с проведением горячей деформации мелкозернистого аустенита (размер зерна аустенита 40—60 мкм).
Температура деформации 920°С была выбрана на основании результатов проведенных ранее исследований, показавших отсутствие при этой температуре динамической рекристаллизации при степени деформации s < 30% [10].
Лист стали толщиной 16 мм был изготовлен в промышленных условиях по двухстадийной схеме ТМО. На первой стадии деформация осуществлялась при температурах 1000—929°С (выше температуры рекристаллизации аустенита при выбранной выдержке), вторая стадия — ниже, вблизи точки Аг3, при температурах 750—713°С. Охлаждение листового проката после ТМО осуществлялось в установке контролир
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.