Научные основы и технологические способы обработки гетерофазных сплавов с высоким уровнем конструктивной прочности (07.09.2009)

Автор: Швейкин Владимир Павлович

На Ревдинском метизно-металлургическом заводе при изготовлении проволоки из сталей 10кп, 10сп и 08Г2С показана возможность повышения производительности отжигового отделения на 20% при использовании ускоренного охлаждения из межкритического интервала температур в зоне длительного рекристаллизационного отжига. Достигнуто оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик при использовании нагрева в бунтах до 780оС с выдержкой 1 час и последующего спрейерного охлаждения для проволоки из сталей 10кп и 10сп, и нагрева в бунтах до 760оС и охлаждения обдувом вентилятором или сжатым воздухом.

На Уральском электромеханическом заводе ускоренное охлаждение из МКИ листовых заготовок обеспечило повышение технологической пластичности металла при изготовлении холодной штамповкой деталей сложной формы. Это способствовало также улучшению жесткости конструкционных элементов и снижению их материалоемкости.

На основе результатов собственных исследований и разработок трубного производства, в первую очередь Синарского трубного завода, показана перспективность совмещения термомеханической обработки с закалкой из межкритического интервала температур.

Обобщением рассматриваемых в диссертации научно-технических разработок явилась формулировка основных качеств низколегированных доэвтектоидных сталей с феррито-мартенситной структурой, делающих их материалом, перспективным для использования в двух направлениях:

- для изделий, получаемых холодным формоизменением, – это уникальный комплекс механических свойств, где высокая пластичность сочетается с большой скоростью деформационного упрочнения;

- для изделий, изготавливаемых горячей деформацией, – высокая конструктивная прочность, включающая максимально высокий уровень одновременно прочностных и вязко-пластических характеристик.

Результаты диссертационной работы широко внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальностям: 150501 – “Материаловедение в машиностроении”, 150105 – “Металловедение и термическая обработка”, 150702 – “Физика металлов”, 150106 – “Обработка металлов давлением”, а также бакалавров и магистров тех же направлений. Ряд теоретических и экспериментальных положений, касающихся изменений структуры и механических свойств при деформации и термомеханической обработке сталей, пластического течения и разрушения гетерофазных сплавов, состоящих из нескольких структурных составляющих с различными свойствами, и др., нашли свое отражение в главах 15, 16 учебника “Физическое металловедение”, допущенного Министерством образования Российской Федерации для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 615300 “Металлургия”.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Построение термокинетических диаграмм (ТКД) распада аустенита в сталях 10кп, 09Г2, 10С1, 05Г2С2, 10Г2Р, 05Г2Р, нагретых в межкритический интервал температур (МКИ), анализ устойчивости переохлажденного аустенита и температуры начала мартенситного превращения (Мн) показал, что вне зависимости от содержания углерода в стали, количество углерода в аустените после небольшого перегрева над Ас1 ((Т ( 40оС) достигает 0,41-0,46%, в результате чего устойчивость переохлажденного аустенита и Мн соответствуют уровню, характерному для сталей с таким общим содержанием углерода. Легирование сталей Mn ((1,6%), Si (1,18-1,84%) и B (0,003%) усиливает данный эффект, что способствует при ускоренном охлаждении из МКИ образованию низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита) и отсутствию перлита.

Подбором композиции сталей, температуры нагрева в МКИ и скорости последующего охлаждения удается регулировать не только структуру и фазовый состав сталей, но и содержание углерода и легирующих элементов в отдельных фазах, что расширяет спектр механических свойств сталей.

2. Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите. Установлено, что новый феррит при отпуске вплоть до 400оС имеет меньшую на 400 МПа твердость, чем исходный феррит, и содержание легирующих элементов, характерное для аустенита, сформировавшегося в МКИ.

Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств (?В = 650-700 МПа, ?0,2 ? 350 МПа, ? ? 30 %, ?р ? 15 %) исследованных ДФМС достигается при наличие 15-25% мартенсита, 20-35 % нового феррита и, соответственно, 40-65% исходного феррита при нагреве на оптимальную, для стали определенной композиции, температуру и ускоренном охлаждении.

Рациональным легированием марганцем, бором, кремнием даже при снижении до 0,05 % содержания углерода удается повысить на 30-40 % прочностные свойства. При этом уровень ударной вязкости и температура вязко-хрупкого перехода весьма низкие, что требует последующего низкотемпературного отпуска.

3. Разработан новый режим термообработки для формирования двухфазной феррито-мартенситной структуры, включающий низкотемператур-ную аустенитизацию (на ~ 10оС выше Ас3 ) и ступенчатую закалку в воду с оптимальной выдержкой при температуре Аr1 – (30-40оС). На примере сталей 20 и 09Г2 промышленных плавок показано, что структура и уровень механических свойств после термообработки по новому режиму близки к тем, которые формируются в этих сталях после ускоренного охлаждения из МКИ.

4. На основе микроструктурных исследований и данных внутреннего трения выявлены факторы и дано объяснение экстремальному изменению предела текучести ДФМС сталей от температуры отпуска. Низкотемпературный отпуск позволяет увеличить ?0,2 на 100-140 МПа, ?0,2/ ?В до 0,65-0,75, и, главное, повысить на 20-25 % уровень ударной вязкости при снижении Т50 на 40-50оС по сравнению с исходным состоянием после охлаждения из МКИ.

Предварительная пластическая деформация повышает склонность ДФМС к старению, но её влияние не монотонно. Максимальная склонность к старению создается при деформации растяжением на 4-6%, увеличение степени деформации до 10%, сопровождающееся образованием ячеистой дислокационной структуры, приводит к замедлению процесса старения.

5. Разработана модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая экспериментально установленное неравенство деформации феррита и мартенсита и её перераспределение между этими структурными составляющими в процессе нагружения. Получены количественные соотношения, позволяющие рассчитать напряжение течения в любой момент деформирования и величину истинной равномерной деформации в зависимости от таких структурных факторов, как объемная доля мартенсита, содержание углерода в стали, размер ферритного зерна. Справедливость предложенной модели проверена на ряде малоуглеродистых сталей, легированных марганцем, а также совместно марганцем и кремнием.

6. Экспериментально установлено, что при схемах напряженного состояния, соответствующих высадке, волочению, прессованию и прокатке, пластичность стали заданного состава с феррито-мартенситной структурой в 1,3-1,8 раза выше, чем в случае феррито-перлитной структуры.

Двухфазные феррито-мартенситные стали во всем изученном интервале изменения показателя напряженного состояния S/T (от -1,4 до -1) значительно превосходят стали того же химического состава с феррито-перлитной структурой по величине удельной работы при деформации до разрушения, интегрально учитывающей прочностные и пластические характеристики материала.

7. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что низкоуглеродистые стали с феррито-мартенситной структурой, получаемые термообработкой по вновь разработанной схеме ступенчатой закалки, имеют высокий комплекс механических свойств: стали 20 (?В = 669 МПа, ???0,2 = 400 МПа, ?общ = 22 %, ?Р = 14 %) и стали 09Г2С (?В = 760 МПа, ???0,2 = 460 МПа, ?общ = 21%, ?Р = 12 %). Это позволяет рекомендовать ступенчатую закалку как окончательную термообработку при производстве горячедеформированной продукции из низкоуглеродистых сталей.

8. На основе предложенной методики оценки свойств микрообъемов с помощью вдавливания индентера построены диаграммы « напряжение ? – степень деформации сдвига ?» стали 10 и присутствующих в ней феррита и перлита. Это позволило описать поведение в ходе пластической деформации каждой структурной составляющей и оценить её вклад в пластическое течение металла: до ? ?0,3 перлит слабо участвует в пластической деформации металла, полное выравнивание степеней деформации феррита и перлита обнаружено при ? >1,4.

9. Основные положения, сформулированные в работе по созданию низкоуглеродистых феррито-мартенситных (бейнитных) сталей, как перспективного материала для изделий, изготавливаемых холодным деформированием или горячей деформацией, представлены к реализации на ряде предприятий машиностроителтного и металлургического комплексов, а также широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов по ряду специальностей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Монография

1. Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. и испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, 534 с.

Статьи по теме диссертации

1. Прочность и пластичность двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин., М.И. Гольдштейн, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // ФММ. Т. 56, вып. 1.1983.С.179-185.

2. Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.

3. Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.

4. Применение малоуглеродистых низколегированных феррито-мартенситных сталей для деталей крепежа в автотракторостроении / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении: тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции. Челябинск, 1984. С. 233-234.

5. Деформационное старение двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Термическая обработка, структура и свойства металлов: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск. 1985. С. 50-55.

6. Емельянов А.А., Швейкин В.П., Пышминцев И.Ю. Структура и конструктивная прочность феррито-мартенситной низколегированной стали / Молодые ученые и специалисты – техническому прогрессу в металлургии: Материалы н/т конференции. Донецк, 1985. С. 77-79.

7. Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Влияние скорости охлаждения из межкристаллического интервала температур на деформационное упрочнение и старение стали 05Г2С2 // МиТОМ. 1986. №11. С. 31-34.

8. Низколегированные феррито-мартенситные стали – резерв повышения качества металлопроката / Б.М. Бронфин, М.И. Гольдштейн, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин // Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Днепропетровск. 1985. С. 44. Для служебного пользования.

9. Устойчивость эпитаксиального феррита при отпуске малоуглеродистой низколегированной стали / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, М.И. Гольдштейн, В.П. Швейкин // ФММ. 1986. Т.62, вып. 2. С. 358-361.

10. Перераспределение атомов при деформационном старении двухфазной феррито-мартенситной стали / Б.М. Бронфин, В.В. Овчинников, В.П. Швейкин, Г.Г. Амигуд, А.А. Емельянов // ФММ. 1986. Т.61, вып. 2. С. 354-360.

11. Бронфин Б.М., Шифман А.З., Швейкин В.П. Влияние типа микроструктуры на сопротивление усталости и разрушение малоуглеродистой низколегированной стали // Известия вузов «Черная металлургия».1986. №10. С. 73-77.

12. Bronfin B.M., Shveikin V.P. Influence of type of microstructure on fatigue resistanct and fracture of low carbon, alloy steel // Steel in the USSR.1986. Vol. 16, № 10. P. 494-496.

13. Исследование двухфазных феррито-мартенситных сталей для изготовления крепежных деталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Тольятти. 1986. С. 10-11.

14. Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Деформационное упрочнение и пластичность сталей с феррито-мартенситной структурой // Изв. АН СССР. Металлы. 1987. № 1. С. 127-133.


загрузка...