Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время проблема повышения прочности тяжело нагруженных деталей и узлов машин из высокопрочных сталей бейнитного класса стоит как никогда остро не только в России, но и за рубежом. Повышение прочности достигается путем легирования дорогостоящими элементами, а также за счет создания неравновесной структуры.
Исследованиями как отечественных, так и зарубежных ученых было установлено, что по сравнению с игольчатыми структурами, такими как мартенсит, верхний или нижний бейнит, структуры зернистой морфологии с глобулярной карбидной фазой, являются более предпочтительными как с точки зрения технологичности, так и ее надежности в эксплуатации, особенно в условиях низких климатических температур. Поэтому, задача получения в машиностроительных деталях из высокопрочных сталей бейнитного класса не игольчатых промежуточных структур, а структур зернистой морфологии, является весьма актуальной.
В настоящее время не создано единой стройной теории бейнитного превращения, которая бы позволила удовлетворительно объяснить ряд экспериментальных фактов, наблюдаемых при распаде аустенита на зернистый бейнит в верхнем интервале температур промежуточного превращения в условиях изотермического распада. Имеющиеся немногочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов, посвященные изучению фазовых превращений аустенита в зернистый бейнит, не раскрывают его природы, а некоторые заключения о формировании промежуточной структуры зернистой морфологии сделаны на основе данных оптической микроскопии и косвенных, а не прямых доказательств, которые не могут быть интерпретированы однозначно.
В связи с этим представляется необходимым и целесообразным комплексно изучить общую и тонкую структуру, фазовый состав и морфологические особенности мезоферрита и зернистого бейнита и на этой основе уточнить условия их формирования в низкоуглеродистых низколегированных сталях в результате изотермического распада аустенита.
Цель работы: Установить природу и условия формирования мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях при изотермическом распаде аустенита и разработать эффективный способ термической обработки конструкционных сталей на промежуточные структуры зернистой морфологии.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
разработать методики исследования механизма распада аустенита в промежуточной области на мезоферрит и зернистый бейнит;
-
определить кинетику, механизм и условия формирования мезоферрита и зернистого бейнита при изотермическом распаде аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях;
0.
-
экспериментально установить основные закономерности влияния температуры изотермы, времени выдержки и содержания углерода в стали на морфологию бейнитных структур;
-
разработать способ изотермической обработки на зернистый бей-нит конструкционных сталей бейнитного класса.
Научная новизна. Анализ экспериментальных наблюдений за состоянием полированной поверхности образцов в процессе изотермического распада аустенита и структурными изменениями при изотермических выдержках в интервале температур промежуточного превращения, позволил установить природу и механизм формирования мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса. Показано, что:
в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса зернистый бейнит, сформировавшийся в верхнем интервале температур промежуточного превращения при изотермических выдержках, представляет собой многофазную композицию с характерным глобулярным строением, состоящую из трех морфологических составляющих а-фазы - до-бейнитной (мезоферритной), бейнитной, мартенситной и двух видов карбидов - карбида хрома (FeCr)23C6 и карбидов железа Fe3C;
механизм образования а-фазы является смешанным: диффузионный и бездиффузионный. В верхнем интервале промежуточных температур, но не ниже 450 С, начальный этап распада аустенита протекает по диффузионному механизму с образованием добейнитной а-фазы, названной собственным именем - мезоферрит, зерна которого имеют полиэдрическую (равноосную) форму с плотностью дефектов кристаллического строения и с параметрами ОЦК-решетки, близкими к доэвтектоидному ферриту. На полированной поверхности образцов при формировании мезоферрит-ных кристаллов отсутствовал рельеф;
в нижнем интервале промежуточных температур переохлажденный аустенит по сдвиговому механизму распадается на бейнитную а-фазу. На поверхности нетравленого шлифа наблюдается микрорельеф, как и при мартенситном превращении.
в верхнем температурном интервале промежуточного превращения основной карбидной фазой, выделяемой из аустенита, является карбид хрома типа (FeCr^Q, имеющий округлую форму и вместе с бейнитной а-фазой составляет механическую смесь, названную собственно зернистым бейнитом. Показано, что формирование карбида хрома протекает в результате перераспределения на фронте фазовой у—*а перекристаллизации как атомов углерода, так и атомов хрома.
Практическая значимость. Определены режимы ступенчатой изотермической обработки стали на структуру зернистого бейнита, обеспечивающие формирование наиболее благоприятного комплекса механических
свойств по сравнению с общепринятой термической обработкой на мартенсит.
Экспериментально установлено, что при равной прочности зернистый бейнит обладает в 1,4 раза большей пластичностью и способностью сопротивляться ударным нагрузкам по сравнению с игольчатыми структурами.
На основе анализа полученных результатов исследований на уровне изобретения разработан способ термической обработки конструкционных сталей позволяющий сформировать в изделиях промежуточную структуру зернистой морфологии, обеспечивающую сохранение комплекса механических свойств при полном исключении закалочных деформаций.
Реализация результатов работы. Разработанный способ ступенчатой изотермической обработки был опробован на опытно-промышленной партии в условиях крупносерийного производства пластин многорядных приводных роликовых цепей из стали 24Х2НАч на базовом предприятии ОАО «Геомаш» г. Барнаула. Получены положительные результаты. Разработанный способ рекомендован к внедрению в условиях массового производства деталей приводных роликовых цепей, а также может быть использован на других предприятиях Российской Федерации, выпускающих негабаритные детали машин крупносерийного и массового производства.
Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, совпадением теоретических расчетов и экспериментально полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
особенности структуры, кинетики и механизма образования зернистого бейнита в условиях изотермического распада аустенита в низкоуглеродистых низколегированных сталях бейнитного класса;
влияние температуры изотермы на кинетику и механизм формирования промежуточных зернистых структур;
- результаты экспериментальных исследований физико-
механических свойств низкоуглеродистых низколегированных сталей со
структурой зернистого бейнита;
- особенности изотермической обработки низкоуглеродистых низ
колегированных сталей бейнитного класса на структуру зернистого бейни
та.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:
- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспи
рантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (г. Барнаул, 2004);
Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2004;2005; 2006);
Научно-практическая конференция «Барнаул на рубеже веков: итоги, проблемы, перспективы» (г. Барнаул, 2005).
Международная конференция «Сварка и родственные технологии -в третье тысячелетие» (г. Киев, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, работ опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией — 1; 5 статей в сборниках научных трудов; 1 тезисов докладов в материалах международных и всероссийских научно-практических конференций. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ термической обработки конструкционных сталей» по заявке № 2007115377/02(016683) решением от 22.08.08.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 86 наименований, приложения, в котором представлен акт промышленного внедрения работы.
Диссертация изложена на 164 страницах машинописного текста с 73 рисунками и 8 таблицами.
