Влияние равноканального углового прессования и ультразвуковой ударной обработки на ударную вязкость и дефектность стали

Как известно, уменьшение размеров зерна сталей до субмикрокристаллической структуры РКУП помимо повышения пределов прочности и текучести приводит к снижению ударной вязкости [7]. Поэтому вопрос повышения ударной вязкости материала при сохранении достигнутых прочностных характеристик имеет важное значение. Исходное состояние материала оказывает большое влияние на процесс создания дислокационной структуры, её термомеханическую стабилизацию и после последующей обработки на свойства материала. Роль предварительной обработки, предшествующей ИПД, заключается в получении равновесной структуры, изменении твердости, прочности, вязкости, пластичности, обрабатываемости, формы и величины зерна, выравнивании химического состава, снятии внутренних напряжений. Например, закалка повышает твердость и прочность, снижает вязкость и пластичность, но вместе с тем исключает мягкие ферритные включения, образуется мартенситная структура и уменьшается размер зерна. 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 [9]. 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: закалки и РКУП; закалки, РКУП и УЗУО для изменения механических свойств сталей. Приводятся результаты по ударной вязкости и данные рентгеноструктурного анализа.

Материал и методика исследования. Исследована конструкционная низкоуглеродистая сталь ВСт3сп (0,17 С, 0,2 % Si, 0,54 % Mn, 0,14 % Cr, 0,14 % Ni и 0,25 % Cu, остальное Fe). Химический анализ проведен на атомноэмиссионном спектрометре «Foundry-Master»

фирмы «Worldwide Analytical Systems AG (WAS AG)». Сталь имеет ферритно-перлитную структуру. Для определения ударной вязкости сталей были изготовлены образцы Менаже согласно ГОСТ 9454-78. Испытания на ударный изгиб проведены на маятниковом копре «МК-30» при комнатной температуре. 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 и угле пересечения каналов ^=120°. Партия заготовок в исходном состоянии, а также после ТО и РКУП была подвергнута УЗУО в зоне концентрации напряжений (рис. 1).

Рис. 1. Схемы упрочнения образцов УЗУО

Режимы обработки образцов представлены в таблице 1. Был использован ультразвуковой технологический комплекс, включающий УЗ генератор «УЗГТ 0.5/27» и технологическую оснастку типа «Шмель» (диапазон рабочих частот

– 23-29 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 1.а в течение 10 сек. с каждой стороны
3	УЗУО образца в исходном состоянии по схеме 1.б в течение 20 сек. с каждой стороны
4	Закалка с 1153 К в воде + РКУП по маршруту С при 673 К при Т =1200 в 2 цикла
5	Закалка с 1153 К в воде + РКУП ( С , 673 К, ^ =120 0 , n =2) + УЗУО образца по схеме 1.а 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 1.б в течение 20 сек. с каждой стороны

Измерения параметра кристаллической решетки и плотности дислокаций проводили на высокоточном порошковом рентгеновском дифрактометре «Ultima IV» фирмы «Rigaku» в излучении Со Кα (длина волны λ=1,790255 Å). Съемка проведена по схеме Брегга-Брентано со сцинтилляционным детектором. Ширина щели, ограничивающей падающий пучок по горизонтали, равна 10 мм, по вертикали 0,5°; ширина щели Соллера на падающем и дифрагированном пучке составляет 5°; ширина щели, ограничивающей дифрагированный пучок по вертикали перед приемной щелью, 0,5°. Рабочий режим: U=40 кВ, I=40 мА, скорость сканирования 1,67-10 —3 °-с^-1, шаг сканирования 0,01°, ось сканирования 2θ/θ. Для расшифровки дифрактограмм использовалась международная база дифракционных данных «PDXL-2».

Инструментальное уширение регистрировалось экспериментально с помощью съемки в тех же условиях эталонного образца, в котором физическое уширение близко к нулю (D>0,15 мкм, ρ<1012 м-2). Эталон изготовлен из материала рабочих образцов проведением рекристаллизационной обработки (образец из стали ВСт3сп, отожженный в вакууме при 1073 К, выдержка 2 часа, имеющий наименьшую полуширину рентгеновской линии). Расчет параметров тонкого кристаллического строения – микродеформации и размеров блоков выполнили, используя метод аппроксимации [10]. Рентгенографический метод определения плотности дислокаций основан на анализе уширения профилей дифракционных пиков [11]. С целью получения профиля рентгеновской линии, отвечающей плоскостям с задними углами отражения, выбрана плоскость (hkl) = (220). Плотность дислокаций (ρ, 1014 м-2) рассчитывалась по уширению рефлекса (220) согласно работам [10, 12].

Результаты исследований и их обсуждение. 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. 2). Незначительное влияние УЗУО на ударную вязкость связано с тем, что этот вид обработки оказывает влияние на структуру приповерхностного слоя материала, тогда как РКУП изменяет структуру по объему материала. Как видно из результатов, некоторая разница во влиянии схемы приложения УЗ ударного воздействия на значения ударной вязкости имеется.

Рис. 2. Ударная вязкость KCU стали ВСт3сп, подвергнутой ТО, РКУП и УЗУО (обозначения в таблице 1)

Рентгеноструктурный анализ стали ВСт3сп выявил значительное различие профилей рентгеновских линий в режиме обработки УЗУО (режим №2 в табл. 1) и по режиму обработки в последовательности «закалка + РКУП + УЗУО» (режим №5) (рис. 3). Профили линии от стали ВСт3сп после режима «закал-ка+РКУП+УЗУО» менее интенсивны и сильно уширены (рис. 3г, д). Скалярная плотность дислокаций (р) в стали, подвергнутой УЗУО, составляет 4,55-10 14 м^-2 в основном металле, а в зоне УЗУО 2,68-10¹⁴ м^-2 (табл. 2). После закалки + РКУП + УЗУО (р) составляет 8,32-10¹⁴ м^-2 в основном металле, а в зоне обработки достигает 8,13-10¹⁴ м^-2. Скалярная плотность дислокаций в режиме обработки УЗУО, как в основном металле, так и в зоне обработки существенно не отличаются, однако ниже, чем после режима «закалка + РКУП + УЗУО». Существенных отличий в плотностях дислокаций после режима «закалка + РКУП + УЗУО», как в основном металле, так и в зоне УЗУО не наблюдается, однако выше, чем после испытаний образцов стали в режиме УЗУО. Таким образом, после РКУП в состоянии деформационного упрочнения обработка поверхности материала методом УЗУО существенных изменений в дефектной микроструктуре и напряженно-деформированном состоянии не вносит. Режим обработки №5 (табл. 2) приводит к увеличению физического уширения β линий стали ВСт3сп относительно режима обработки по режиму №2, что характеризует протекание больших пластических деформаций, сопровождающихся нарастанием дефектной микроструктуры и измельчением зерен.

а)

в)

Рис. 3. Рентгеновский профиль линии от атомных плоскостей (220):

а - отожженного (эталонного) образца; б - основного металла после УЗУО (режим №2); в - в зоне УЗУО (режим №2); г - в основном металле после «закалки + РКУП + УЗУО» (режим №5); д - в зоне УЗУО после «закалки + РКУП + УЗУО» (режим №5)

Таблица 2. Данные рентгеноструктурного анализа стали ВСт3сп после УЗУО исходного образца и закалки + РКУП + УЗУО

№	Режим обработки	в , ° осн. металл	а, Å	р - 1014, м-2 осн. металл	в , ° зона УЗУО	а, Å	р - 1014, м-2 зона УЗУО
1	эталон	0,197	2,8677	—	—	—	—
2	режим 2	0,910	2,8701	4,55	0,857	2,8708	2,68
3	режим 5	1,23	2,8700	8,32	1,22	2,8715	8,13

Уширение рентгеновских линий β в феррито-перлитной стали ВСт3сп возрастает с деформацией в случае РКУП как в основном металле, так и в зоне УЗУО. Следует отметить, что для феррито-перлитной стали при деформировании наблюдается максимальное относительное увеличение физического уширения по сравнению с исходным состоянием (табл. 2). После РКУП структура становится существенно неравновесной, что подтверждается размытием, увеличением асимметричности и уменьшением интенсивности профилей рентгеновских линий. Все это свидетельствует о высоком уровне внутренних напряжений и сильном измельчении кристаллитов.

Выводы: сочетанием различных видов обработки и варьированием режимов комбинированной обработки можно регулировать состояние и ударную вязкость сталей. При рассмотренных режимах УЗУО оказывает незначительное влияние на ударную вязкость. Основной вклад в повышение прочности стали вносят зернограничное упрочнение за счет измельчения зерен при РКУП и увеличение плотности дислокаций. УЗУО поверхности стали ВСт3сп после РКУП существенных изменений в дефектной структуре и напряженно-деформированном состоянии не вносит.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта по Программе №III.28.1 СО РАН.