Введение к работе
Актуальность работы. Для повышения прочностных характеристик углеродистые стали подвергают термической обработке - закалке и отпуску. Известно, что по магнитным характеристикам углеродистых сталей можно судить о фазовых и структурных изменениях в углеродистых сталях, происходящих в результате деформационных и термических воздействий. К фазочувствительным магнитным характеристикам относят, например, намагниченность насыщения, а к структурно-чувствительным - коэрцитивную силу Нс. Методы, основанные на однозначной взаимосвязи коэрцитивной силы с их структурным состоянием или прочностными характеристиками, нашли широкое применение в области неразрушающего контроля качества изделий. Однако для сталей с содержанием углерода свыше (0,3-0,4) % зависимость коэрцитивной силы от температуры отпуска Нс(Т0тп) является неоднозначной: в интервале температур отпуска свыше 300С на зависимости Нс(Т0тп) формируется максимум. Степень проявления этого максимума возрастает с увеличением содержания в сталях углерода, что обусловлено в первую очередь возрастанием объемной доли цементита, коэрцитивность которого играет важную роль в формировании магнитных гистерезисных свойств термически обработанных простых углеродистых сталей.
В промышленности наибольшую практическую ценность имеют легированные углеродистые стали. Влияние легирующих элементов на структурное состояние и прочностные характеристики сталей, на процессы формирования основных структурных составляющих - аустенита, карбидов, цементита, феррита при термических обработках изучено достаточно подробно. Актуальным является вопрос контроля структурного состояния легированных сталей магнитными методами. Структурно-фазовые изменения, происходящие при термической обработке легированных углеродистых сталей, конечно, оказывают влияние и на их магнитные характеристики. Однако единого мнения о взаимосвязи магнитных гистерезисных свойств со структурными изменениями и фазовыми превращениями, происходящими в процессе отпуска легированных сталей, до сих пор нет. Во многом это обусловлено отсутствием в литературе сведений о магнитных гистерезисных свойствах легированного цементита. Отсюда возникает необходимость исследования магнитных свойств легированного карбидообразующими и некарбидообразующими элементами цементита и выяснения его роли в формировании магнитных гистерезисных свойств легированных сталей после закалки и отпуска.
Целью диссертационной работы является исследование магнитных свойств легированного цементита и его влияния на формирование магнитных гистерезисных свойств легированных углеродистых сталей.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Приготовление образцов цементита, легированного Мп, Сг или Si, методом
механического сплавления в шаровой планетарной мельнице. Исследование их
магнитных свойств во взаимосвязи со структурно-фазовым состоянием как после
механосинтеза, так и после отжигов.
2. Приготовление из высокочистых материалов модельных углеродистых
сталей 60 и 60Г, 60Х, 60С2, легированных Mn, Cr, Si, соответственно, с последующей
термообработкой, исследование их магнитных гистерезисных свойств.
-
Разработка модели перемагничивания термически обработанных легированных углеродистых сталей с учетом магнитных гистерезисных свойств цементита.
-
Анализ полученных результатов, поиск взаимосвязи магнитных гистерезисных свойств со структурно-фазовым состоянием модельных легированных углеродистых сталей.
Методы исследования. В диссертационной работе структурное состояние и фазовый состав образцов исследовали методами рентгеновской дифракции и мессбауэровской спектроскопии. Фазовый состав образцов оценивали также из температурных измерений их дифференциальной магнитной восприимчивости. Магнитные характеристики образцов и их температурные зависимости были измерены на вибрационном магнитометре в интервале температур от -196 до 300С. Методологическую основу диссертационной работы составили работы научного руководителя д.т.н., профессора А.И. Ульянова.
Научная новизна работы.
-
Впервые исследованы магнитные гистерезисные свойства цементита, легированного Сг, Мп или Si, находящегося в различных структурных состояниях. Показано, что легированный цементит по отношению к ферриту является магнитотвердой фазой.
-
Впервые разработана феноменологическая модель перемагничивания термически обработанных легированных углеродистых сталей 60Г, 60Х и 60С2, учитывающая магнитную твердость цементита.
-
Показано, что из анализа температурных зависимостей коэрцитивной силы модельных среднеуглеродистых сталей, легированных Сг или Мп, можно определять степень легирования выделений цементита карбидообразующими элементами.
-
Впервые исследована взаимосвязь магнитных гистерезисных свойств со структурно-фазовыми изменениями, происходящими при отпуске модельных среднеуглеродистых сталей, легированных Сг, Мп или Si, с учетом магнитных свойств легированного цементита.
Практическая значимость работы. Информация о магнитных гистерезисных свойствах легированного цементита, о закономерностях влияния цементита как магнитотвердой фазы на формирование коэрцитивной силы легированных углеродистых сталей в области средних и высоких температур отпуска может быть использована для разработки новых методов их магнитной структуроскопии для контроля качества термической обработки стальных изделий. Разработанные модельные представления о формировании магнитных гистерезисных свойств легированных углеродистых сталей с учетом магнитной твердости выделений цементита могут служить основой для теоретических исследований в области физики процессов перемагничивания многофазных ферромагнетиков.
Достоверность результатов исследований подтверждается:
экспериментальными исследованиями на эталонных образцах, воспроизводимостью результатов экспериментов на большом количестве образцов, измерениями на аттестованных установках.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования магнитных гистерезисных свойств цементита,
легированного Мп, Сг или Si, в зависимости от его структурного состояния.
2. Модель структурного состояния и процессов перемагничивания
легированных углеродистых сталей 60Г, 60Х и 60С2. Коэрцитивная сила в процессе
перемагничивания сталей формируется в основном за счет коэрцитивности ферритной матрицы; коэрцитивности цементита как магнитотвердой фазы; коэрцитивности, обусловленной взаимодействием доменных стенок ферритной матрицы со слабомагнитными включениями цементита. Принципы определения вкладов от основных механизмов перемагничивания в экспериментальное значение коэрцитивной силы этих сталей.
3. Метод оценки степени легирования выделений цемента
карбидообразующими легирующими элементами из анализа температурных
зависимостей коэрцитивной силы легированных сталей 60Г и 60Х, отпущенных при
различных температурах.
4. Взаимосвязь магнитных гистерезисных свойств со структурно-фазовыми
изменениями, происходящими при отпуске модельных среднеуглеродистых сталей,
легированных Сг, Мп или Si, с учетом магнитных свойств легированного цементита.
Характер зависимостей Нс(Т0тп) модельных легированных сталей в области средних
и высоких температур отпуска определяется в основном коэрцитивностью и
кинетикой образования выделений цементита.
Личный вклад автора заключается в подготовке образцов и измерении магнитных характеристик, в обработке результатов измерений, в обсуждении результатов и планировании эксперимента, в написании тезисов докладов и статей. Порошки легированного цементита получены совместно с Чулкиной А.А. В работе также использованы результаты, полученные сотрудниками лаборатории: Ульяновым А.Л. (мессбауэровские исследования), Волковым В.А. (рентгеновские исследования), Загайновым А.В. (измерения дифференциальной магнитной восприимчивости) на образцах, приготовленных автором диссертации. Задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научным руководителем Ульяновым А.И. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций при непосредственном участии соискателя. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Апробация работы: Основные результаты работы были доложены на 7
Российских научных конференциях: V Российской научно-технической конференции
«Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011), XIX
Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и
технической диагностике (г. Самара, 2011), IX Всероссийской школе-конференции
молодых ученых «КоМу - 2011» (г. Ижевск, 2011), VIII Российской ежегодной
конференции молодых ученых сотрудников и аспирантов «Физико-химия и
технология неорганических материалов» (г. Москва, 2011), VII Российской
конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г.
Екатеринбург, 2012), Открытой школе-конференции стран СНГ
«Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2012» (г. Уфа, 2012), X Всероссийской школе-конференции молодых ученых «КоМу - 2013» (г. Ижевск, 2013).
Исследования, представленные в диссертационной работе, были выполнены в Физико-техническом институте УрО РАН в соответствие с планом научно-исследовательских работ по теме «Разработка научных основ создания материалов с использованием механоактивированных нанокомпозитов в качестве прекурсоров». (№ Гос. Регистрации 01.20. 1157504). Работа была поддержана проектом Президиума РАН 09-П-2-1024 «Разработка физико-химических основ технологии получения
объемных нанокомпозитов на основе Fe-B-Si, получаемых при интенсивной пластической деформации быстрозакаленных и механоактивированных сплавов» и проектом УрО РАН 12-У-2-1035 «Исследование закономерностей формирования наноразмерных структур в модельных порошковых сплавах на основе системы Fe-C, полученных механосинтезом, и в массивных углеродистых сталях, подвергнутых высокотемпературной обработке».
Основные результаты изложены в 13 публикациях, в том числе в 5 изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и в 8 тезисах докладов конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, использованной при работе над диссертацией. Содержание диссертации изложено на 132 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков, 4 таблицы и библиографический список, содержащий 125 наименований.
