Комбинирование методов обработки – эффективный способ управления ударной вязкостью сталей

вязкость

Исходное состояние материала имеет большое влияние на процесс создания дислокационной структуры и её термомеханическую стабилизацию. Роль предварительной обработки, предшествующей интенсивной пластической деформации (ИПД), заключается в получении равновесной структуры, изменении твердости, прочности, вязкости, пластичности, обрабатываемости, формы и величины зерна, выравнивании химического состава, снятии внутренних напряжений. Например, отжиг снижает твердость, тем самым улучшает деформируемость стали, снимает внутренние напряжения и т.д. Закалка в свою очередь повышает твердость и прочность, снижает вязкость и пластичность, но вместе с тем исключает мягкие ферритные включения, образуется мартенситная структура и уменьшается размер зерна. Ковка и кручение уменьшают размер зерна, повышают твердость и прочность. Ультразвуковая ударная обработка (УЗУО) также измельчает зерно, используется для снятия остаточных напряжений в материале, сварном соединении.

Основной процесс – ИПД по схеме РКУП существенно измельчает зерно за счет сдвиговой деформации в месте пересечения каналов прессования, повышает твердость и прочность. Постдеформационный (после ИПД) отжиг при разных температурах позволяет снимать внутренние напряжения и способствует повышению пластичности стали при некотором снижении прочности. При этом можно добиться того, чтобы достигнутый мелкий размер зерна сохранялся или увеличивался незначительно, прочность была выше, чем для исходного состояния, а пластичность была сопоставима с исходным.

В настоящей статье представлены варианты комбинации способов обработки: термической обработки (ТО) и РКУП; ковки, РКУП и ТО; ТО, РКУП и УЗУО; ТО, РКУП и проката для изменения механических свойств сталей.

Материал и методика исследования. Исследованы конструкционные стали: низкоуглеродистая ВСт3сп (0,17% С, 0,2% Si, 0,54% Mn, 0,14% Cr, 0,14% Ni и 0,25% Cu, остальное Fe) и низколегированная 09Г2С (0,12% C; 0,5-0,8% Si; 0,3% Cr; 1,3-1,7% Mn; 0,3% Ni; 0,3% Cu, остальное Fe). Химический анализ проведен на атомноэмиссионном спектрометре «Foundry-Master» фирмы «Worldwide Analytical Systems AG (WAS AG)». Стали имеют ферритно-перлитную структуру. Для определения ударной вязкости сталей были изготовлены образцы Шарпи и Менаже согласно ГОСТ 9454-78. Испытания на ударный изгиб проведены на копрах «МК-30» и «Amsler RKP-450» при температуре Т=213 К.

Комбинация ТО и РКУП. Предварительная закалка стали ВСт3сп осуществлялась от температуры Т=1123 К (с выдержкой в печи в течение 1,8 - 10 3 с) в воде. РКУП проводился по двум маршрутам «В с » и «С» при температуре Т=673 и 723 К и числе циклов прессования n=4 и 8. Отжиг заготовок с УМЗ структурой был проведен при температурах Т=773-873 К, ниже температуры начала рекристаллизации, с выдержкой в печи в течение 3,6 - 10 3 с.

Комбинация ковки, РКУП и ТО. Первым этапом обработки заготовок из стали 09Г2С являлась ковка в три цикла с варьированием температуры начала и окончания ковки. Затем РКУП по маршруту ВС в 4 прохода при температуре 673 К. Отдельные заготовки подвергались отжигу при температуре 673 К. Использовалась всесторонняя неизотермическая ковка со снижением температуры деформации от Т=1173 К и 1323 К до 1023 К, 1073 К и 1123 К. При этом, как известно, измельчение структуры происходит благодаря развитию процессов динамиче-ской/постдинамической рекристаллизации. Всесторонней ковке подвергались объемные заготовки из стали 09Г2С размером 020x60 мм. Осуществлялось трехкратное повторение последовательности операций свободной ковки – осадки и протяжки со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия. Предварительно нагретая в муфельной печи «Nabertherm» заготовка подвергалась всесторонней свободной ковке с помощью пневматического молота. Температуру заготовки при ковке контролировали с помощью инфракрасного термометра модели DT-8859, у которого диапазон измеряемой температуры 223-1873 К, разрешение 0,1 градуса, спектральная чувствительность 8~14 мкм. РКУП заготовок выполняли в технологической оснастке с углом пересечения каналов 120° на базе гидравлического пресса «ПСУ 125» типа 3ИМ с максимальным усилием 1250 кН. Накопленная при ковке деформация при коэффициенте трения р>0 составила 2,25. Степень деформации заготовки при РКУП в 4 прохода составила £4=2,67.

Комбинация ТО, РКУП и УЗУО . Осуществлялась УЗУО поверхностей образцов из стали ВСт3сп в исходном состоянии, после закалки и РКУП [8]. Часть заготовок была подвергнута закалке в воде от Т=1153 К, а затем РКУП в 2 прохода по маршруту «С» при температуре 673 К при угле пересечения каналов ^ =120 ° .Партия заготовок в исходном состоянии, а также после ТО и РКУП была подвергнута УЗУО в зоне концентрации напряжений (рис. 1).

воздействием

Рис. 1. Схемы упрочнения образцов УЗ ударным

Режимы обработки образцов представлены в табл. 1. Был использован ультразвуковой технологический комплекс, включающий УЗ генератор «УЗГТ 0.5/27» и технологическую оснастку типа «Шмель» (диапазон рабочих частот – 2329 кГц, тип УЗ преобразователя – магнитострикционный). Упрочняющая обработка поверхности образца осуществлялась методом поверхностного пластического деформирования материала на УЗ частоте.

Таблица 1. Режимы ультразвуковой ударной обработки образцов

№ режима	Режим обработки
1	исходное состояние – состояние поставки
2	УЗУО образца в исходном состоянии по схеме 1а в течение 10 сек. с каждой стороны
3	УЗУО образца в исходном состоянии по схеме 1б в течение 20 сек. с каждой стороны
4	закалка с 1153 К в воде + РКУП по маршруту «С» при 673 К при ^ =120 ° в 2 цикла
5	закалка с 1153 К в воде + РКУП («С», 673 К, ^ =120 0 , n =2) + УЗУО образца по схеме 1а в течение 10 сек. с каждой стороны
6	закалка с 1153 К в воде + РКУП («С», 673 К, ^ =120 0 , n =2+ + УЗУО по схеме 1б в течение 20 сек. с каждой стороны

Комбинация ТО, РКУП и проката. Осуществлялся прокат заготовок из стали ВСт3сп на одинаковую степень деформации в состоянии поставки, а также заготовок, которые были предварительно подвергнуты термической обработке и РКУП. С целью установления влияния импульсного тока на ударную вязкость осуществлялся прокат призматических заготовок размером 4 x 6 x 100 мм из стали ВСтЗсп с током и без него. Закалка осуществлялась в воде по отработанной методике от температуры 1153 К. Режимы РКУП следующие: маршрут прессования «С», температура прессования 673 К, а число проходов 2. В некоторых случаях с целью снятия остаточных напряжений после РКУП осуществлялся отжиг заготовок. Электропластический прокат выполнялся при одном и том же режиме: плотность импульсного тока j=120 А - мм^-2, длительность импульса т =120 мкс и частота тока F=825 Гц.

Результаты исследований и их обсуждение.

Комбинация ТО обработки и РКУП. Анализ данных (рис. 2) показывает, что предварительная закалка приводит к повышению ударной вязкости стали ВСт3сп более, чем в 2 раза. При одинаковых режимах закалки и РКУП отжиг при температуре Т=873 К приводит к более значительному росту ударной вязкости. Лучший результат по сопротивлению хрупкому разрушению при температуре испытания Т=213 К достигнут при использовании комбинированной МТО «закалка + РКУП («С», Т=673 К, n=8) + отжиг при Т=873 К». При этом значения ударной вязкости повысились в ~ 16,5 раз. Таким образом, формирование УМЗ структуры по предложенной схеме способствует значительному повышению значений ударной вязкости в сравнении с исходным структурным состоянием и c состоянием после закалки и РКУП.

Рис. 2. Ударная вязкость стали ВСт3сп при температуре испытания Т=213 К:

1 – в исходном состоянии; 2 – после режима «закалка + РКУП («В С », Т=723 К, n=4)»; 3 – «закалка + РКУП («В_С», Т=673 К, n=8) + отжиг при Т=773 К»; 4 – «закалка + РКУП («В С », Т=673 К, n=8) + отжиг при Т=823 К»; 5 – «закалка + РКУП («В С », Т=673 К, n=8) + отжиг при Т=873 К»; 6 – а«закалка + РКУП («В с », Т=723 К, n=4) + отжиг при Т=873 К»

Комбинация ковки, РКУП и ТО. Результаты испытаний на ударный изгиб образцов Ме-наже из низкоуглеродистой стали 09Г2С при температуре 213 К показали, что повышение температуры ковки в сочетании с РКУП повышает значение KCV , а последующий отжиг значительно увеличивает этот показатель (рис. 3).

Рис. 3. Ударная вязкость KCV стали 09Г2С в зависимости от состояния:

1 – ковка в 3 цикла, 1173/1023 К (охлаждение в масле); 2 – ковка в 3 цикла, 1173/1023 К (охлаждение в масле) + РКУП, В С , 673 К, n=4; 3 – ковка в 3 цикла, 1323/973 К (охлаждение в масле) + РКУП, В_С, 673 К, n=4; 4 – ковка в 3 цикла, 1323/1123 К (охлаждение в масле) + РКУП, В_С, 673 К, n=4; 5 – ковка в 3 цикла, 1323/1123 К (охлаждение в масле) + РКУП, В С , 673 К, n=4 + отжиг при 673 К (выдержка в течение 30 минут)

Комбинация ТО, РКУП и УЗУО . Закалка и РКУП приводят к снижению значений KCU примерно на 30%. УЗУО при данных режимах оказывает незначительное влияние на ударную вязкость: снижение до 10% для исходного материала и до 20% для образцов, подвергнутых закалке и РКУП (рис. 4). Таким образом, УЗУО при оптимальном выборе режима может служить дополнительным к ТО и РКУП способом повышения прочности металлических материалов, а для улучшения показателей ударной вязкости стали, подвергнутой закалке и РКУП, необходимо заготовки дополнительно подвергнуть отжигу.

Рис. 4. Ударная вязкость KCU стали ВСт3сп, подвергнутой ТО, РКУП и УЗУО (обозначения в табл. 1)

Комбинация ТО, РКУП и проката. Значения ударной вязкости KCU стали ВСт3сп для проката с импульсным током и без него практически не отличаются и на 30 % ниже, чем для стали в состоянии поставки (рис. 5). Отжиг стали при температуре 673 К после закалки и РКУП значительно повышает ударную вязкость и она становится выше, чем для исходного состояния. Предварительное упрочнение (закалка и РКУП) обеспечивает значительный рост ударной вязкости стали после ЭПП. Но вместе с тем, дополнительный отжиг перед ЭПП способствует более высокому значению ударной вязкости, чем без него.

Рис. 5. Значения ударной вязкости KCU стали ВСт3сп при температуре 233 К в различных состояниях:

1 – состояние поставки; 2 – пластический прокат без тока; 3 – ЭПП; 4 – закалка в воде от 1153 К + РКУП, С, 673 К, n=2; 5 – закалка в воде от 1153 К + РКУП, С, 673 К, n=2 + отжиг при 673 К; 6 – закалка в воде от 1153 К + РКУП, С, 673 К, n=2 + ЭПП, j=120 А·мм^-2, τ =120 мкс, F=825 Гц; 7 – закалка в воде от 1153 К + РКУП, С, 673 К, n=2 + отжиг при 673 К + ЭПП, j=120 А·мм^-2, τ =120 мкс, F=825 Гц.

Выводы: результаты исследований показывают, что сочетанием различных видов обработки и варьированием режимов комбинированной обработки можно регулировать состояние и ударную вязкость сталей.

Работа выполнена по проекту в рамках Программы №III.28.1 СО РАН и гранту РФФИ РФ №12-0198509.