Диспергирование низкоуглеродистой мартенситной стали методом интенсивной термоциклической обработки

Абляз Тимур Ризович, аспирант существенного измельчения зерна. После ТЦО (пятикратное повторение аустенитизации 930ºС с охлаждением в воде) независимо от режима обработки получали ультрамелкое зерно со средним размером 1,6 мкм, что мельче 14 номера по ГОСТ 5639-82, причем пакетно-реечное строение мартенсита при использовании светового микроскопа не разрешается. Формирующаяся ультрамелкозернистая структура обеспечивает получение предела прочности более 1300 МПа в сочетании с ударной вязкости более 1 МДж/м2.

Одной из перспективных сталей класса НМС является сталь 10Х3ГНМФТ [4], которую возможно использовать для изготовления тяже-лонагруженных конструкций, деталей, подвергаемых химико-термическому упрочнению, изготовлению штампового инструмента и др. Принципиальным отличием от ранее исследованной стали 12Х2Г2НМФТ данная НМС содержит более высокое содержание ванадия, обеспечивающего повышенную теплостойкость. Однако выделение в процессе термической обработки карбидов ванадия приводит к охрупчиванию структуры, что существенно сужает область применения стали 10Х3ГНМФТ. Поэтому исследование диспергирования этой стали с целью повышения вязкости методом ТЦО представляет научный и практический интерес.

Цель работы: исследование формирования структуры и свойств стали 10Х3ГНМФТ при интенсивной термоциклической обработке.

Материалы и методики исследования. Исследованию подвергалась НМС марки 10Х3ГНМФТ, химический состав которой приведен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав стали, % по массе

Марка стали	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	V	Ti
10Х3ГНМФТ	0,11	1,37	0,20	3,21	1,28	0,38	0,46	0,05

Исходными заготовками служили прутки квадратного сечения. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы 10×10×55 мм. Объемную термическую обработку проводили в промышленных соляных ваннах со скоростью нагрева более 100 град/сек. Для исследования влияния размера зерна аустенита на структуру и свойства НМС 10Х3ГНМФТ использовали образцы в закаленном состоянии с прокатного нагрева и после термоциклической обработки по режиму: t_Harp =950°C, ^т = 60 сек, охлаждение -вода, 3,5 и 7 циклов. Электронно-микроскопические исследования проводили на электронном микроскопе Phillips СМ-12 с ускоряющим напряжением 120 кВ. Тонкие фольги готовили электроэрозионной резкой, механическим шлифованием и последующей электрополировкой с использованием плоских электродов из нержавеющей стали в электролите при напряжении 1530 В. Для проведения сканирующей микроскопии образцы исследовали при 1000…30000-кратном увеличении, на сканирующем электронном микроскопе Hitachi P-3400N при ускоряющем напряжении 20 кВ.

Испытания на одноосное растяжение и расчет характеристик прочности и пластичности проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на пятикратных цилиндрических образцах типа III № 7 на разрывной машине Р-5 с предельной нагрузкой 2 тонны. Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре МК-30 в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с U-образным надрезом. С целью определения микронапряжений и размеров блоков проводили рентгеноструктурный анализ на установке «ДРОН-2» в моно-хроматическом излучении железа при напряжении 30 кВ и силе тока 15 ц А. Определение размеров блоков мартенсита осуществлялось методом аппроксимации. Для проведения анализа производили съемку двух рентгеновских линий (110) и (220), на малых и больших углах отражения.

Результаты эксперимента и их обсуждение. В исходном горячекатаном состоянии сталь 10Х3ГНМФТ имеет структуру типичного низкоуглеродистого мартенсита (рис. 1). Размер зерен аустенита находится в интервале 5-15 мкм, толщина реек составляет примерно 100-300 нм. Внутри реек наблюдаются дислокационные скопления. Плотность дислокаций составляет примерно 10^-11 см².

Термоциклическая обработка при температуре 950ºС уже после трех циклов обеспечивала получение размера аустенитного зерна 3-5 мкм (рис. 2а).

а

б

Рис. 1. Микроструктура стали 10Х3ГНМФТ в горячекатаном состоянии: а – изображение, полученное методом сканирующей микроскопии, б – светлопольное изображение

Основной причиной измельчения зерна при интенсивном термическом воздействии является реализация одновременно двух явлений: структурной наследственности и динамической рекристаллизации аустенита. В материале возникают структурные и термические напряжения, которые инициируют появление, перераспределение и взаимодействие дефектов кристаллического строения. Реализация структурной наследственности позволяет получить и сохранить эти изменения в аустенитом состоянии, а дальнейшие процессы динамической рекристаллизации такого аустенита приводят к измельчению зерна, причем новые зерна формируются с новой кристаллографической ориентировкой и отделены друг от друга высокоугловыми границами, что подтверждается исследованием остаточного аустенита в матрице (рис. 3).

а

б

в

Рис. 2. Микроструктура стали 10Х3ГНМФТ после 3 (а), 5 (б) и 7 (в) циклов

Минимальный размер зерна 0,5-2 мкм и максимальная однородность были получены после пяти циклов, при которых достигается формирование наибольшего количества зародышей аустенита с кристаллографической ориентировкой, отличающейся от первоначальной после фазового превращения. Последующее увеличение количества циклов приводит к незначительному росту зерна, связанного с процессами собирательной рекристаллизации, поскольку энергия образования новых зародышей превосходит энергию роста кристаллов. Просвечивающая электронная микроскопия показывает, что внут-ризеренная структура представляет собой сочетание реек и блоков мартенсита, разделенных мало- и большеугловыми границами (рис. 4). Ширина некоторых реек составляет 50-100 нм, а длина 300-400 нм, размеры блоков составляют 150-200 нм. Плотность дислокаций по данным РСА составляет примерно 1011 см-2. Рентгеноструктурный анализ показал, что размер блоков не превышает 200 нм после пятикратного термоциклирования: в среднем в одном зерне сконцентрировано 5-10 блоков различной кристаллографической ориентировки с высокой плотностью дислокаций.

Рис. 4. Тонкая структура стали 10Х3ГНМФТ после ТЦО 950ºС, 5циклов

Рис. 3. Остаточный аустенит (темные участки) в фольге термоциклированной стали 10Х3ГНМФТ

Характеристики механических свойств, представленные в табл. 2, показали, что диспергирование приводит к некоторому повышению характеристик прочности и пластичности и существенно увеличивает вязкость стали.

Таким образом, проведение термоциклической обработки с охлаждением в воде стали 10Х3ГНМФТ приводит к диспергированию бывшего зерна аустенита в сравнении с исходной структурой, и размер зерна полученного при 950ºС составляет в среднем 0,5-2 мкм с хорошо развитым внутренним блочно-реечным строением, обеспечивающим высокие характеристики надежности.

Таблица 2. Характеристики механических свойств стали 10Х3ГНМФТ

Режим ТО	σ В, МПа	σ 0,2 , МПа	δ , %	ψ , %	HRC	KCU, МДж/м2
охлаждение на воздухе с прокатного нагрева	1370	1130	12	58	37	0,7
ТЦО 950 ºС, 5 циклов (нагрев со скоростью 100 ºС/сек, охлаждение в воде)	1420	1180	11	61	41	1,3

DISPERSION OF LOW-CARBONACEOUS MARTENSITE STEELBY THE METHOD OF INTENSIVE THERMAL-CYCLEPROCESSING

Timur Ablyaz, Post-graduate Student

Выводы:

• 1.    Термоциклическая многократная обработка стали 10Х3ГНМФТ, заключающаяся в ускоренном нагреве с последующим быстрым охлаждением, обеспечивает формирование структуры блочно-реечного мартенсита с размером зерна 0,5-2 мкм и размером блоков до 200 нм.

• 2.    Диспергирование структуры обеспечивается путем интенсивной динамической рекристаллизации строения зерен вследствие реализации структурной наследственности. Новый комплекс ультрамелких зерен имеет отличающуюся от начальной кристаллографическую ориентировку.

• 3.    Термоциклирование стали 10Х3ГНМФТ приводит к повышению прочностных характеристик с одновременным существенным увеличением ударной вязкости.