Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с температуры горячей деформации Романов, Илья Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность работы.

Современные материалы для тяжелонагруженных деталей функционирующих в условиях многоосного напряженного состояния, знакопеременных статических и динамических нагрузок должны обеспечивать рост всех показателей конструкционной прочности.

Структура реечного мартенсита позволяет реализовать сочетание высоких прочностных характеристик и показателей надежности. Такая структура формируется при закалке низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС), обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в области нормального и промежуточного превращений.

Работа направлена на изучение макро, микро и реечной структуры НМС, произведенных с применением непрерывной разливки, определение показателей прочности, надежности, долговечности и эксплуатационные характеристики деталей. Возможность устранения дефектов макроструктуры и формирование особой микроструктуры при температурно-деформационном воздействии позволяет повысить конструкционную прочность изделий, сократить технологический процесс термоупрочнения, за счет проведения закалки непосредственно с температуры конца горячей деформации. Темпера-турно-деформационное воздействие улучшает металлургическое качество и повышает дисперсность характерных элементов структуры заготовок.

Полученные результаты стали составной частью работ, выполненных по программам: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" 2012 - 2013 очередь 1.2.1 мероприятие XVI, лот 1. контракт 14.В37.21.1068; НИР на выполнение исследований в НИЧ ПНИПУ по заказ -наряду № 1.20.11 на 2012-2014 гг. в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданиям Министерства образования и науки РФ; грант РФФИ 09-08-99001-р_офи, 2008-2010 гг.

Цель работы:

Создание совмещенного процесса горячей деформации и закалки для повышения технологичности и работоспособности деталей винтовых забойных двигателей из стали со структурой низкоуглеродистого реечного мартенсита.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Исследовать исходную макроструктуру проката из НМС, полученного из непрерывнолитой заготовки.

2. Изучить формирование структуры НМС в результате температурно-деформационного воздействия.

3. Изучить влияние скорости охлаждения после горячей деформации на структуру и комплекс характеристик механических свойств.

4. Исследовать связь размеров структурных элементов и характеристик механических свойств НМС с реечной структурой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

5. Показано, что последеформационное охлаждение НМС с различными скоростями позволяет управлять комплексом механических свойств. Так после закалки в воде с температуры конца горячей деформации формируется структура пакетного мартенсита со средним размером зерен 39 мкм, предел прочности которой составляет более 1400 МПа, ударная вязкость KCV более 0,7 МДж/м², а после медленного охлаждения с печью (V_OXJI=0,015C/c) формируется мартенситная структура со средним размером зерна 17 мкм, при этом значения ударной вязкости увеличиваются почти в два раза и достигают значений более 1,2 МДж/м².

6. Установлено, что структура реечного мартенсита низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА обеспечивает вдвое более высокие показатели ограниченной долговечности при испытаниях в условиях повторяющихся ударных нагрузок по сравнению со структурой сорбита отпуска сталей 40ХН2МА и 38ХНЗМФА при равной прочности.

7. Экспериментально доказано, что в процессе деформационно-термического воздействия уменьшаются размеры структурных элементов и одновременно увеличивается ударная вязкость, но при достижении ударной вязкости KCV=1,2 МДж/м её дальнейший рост замедляется.

8. Обнаружено, что разнозернистость с коэффициентом R до 4, полученная после закалки с деформационного нагрева, слабо влияет на характеристики механических свойств, благодаря реечной структуре низкоуглеродистого мартенсита.

Практическая значимость

9. Разработан режим упрочнения НМС, включающий деформацию со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150-850С, охлаждение на воздухе и отпуск при 250С с последующим охлаждением на воздухе. Предложенный режим позволяет сократить технологический процесс за счет исключения дополнительной закалки и гарантирует получение комплекса свойств: а_од > 1050 МПа, а_в > 1350 МПа, 5 > 15 %, \|/ > 60 %, KCV > 0,75 МДж/м².

10. На основании исследования металлургического качества, характеристик механических свойств и работоспособности деталей из НМС, полученных из непрерывнолитых заготовок, установлено, что для изготовления ответственных деталей винтовых забойных двигателей металлургическое качество заготовок должно соответствовать категории «высококачественная».

11. Достигнутые значения показателей прочности, надежности и долговечности позволят повысить в 1,5 раза ресурс работы винтовых забойных двигателей и обеспечить возможность получения экономического эффекта в размере 3,5 млн. руб. в год.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты

1.НМС 15Х2Г2НМФБА позволяет проводить закалку с температур конца горячей деформации охлаждением на воздухе, в результате которой в поковке формируется структура реечного мартенсита.

2. Применение горячей деформации НМС радиальной ковкой позволяет получать металлургические заготовки высокого качества при степени деформации не менее 70%, наибольшее значение ударной вязкости получены при степени деформации 79% и выше. В интервале степеней деформации от 60% до 87% диспергируется зерно с 45 до 22 мкм и размер пакета с 9 до 7 мкм.

3. Формирование структуры реечного мартенсита в широком интервале степеней деформации и скоростей охлаждения заготовок с температур конца горячей деформации позволяет получить повышенный комплекс характеристик прочности, пластичности и вязкости.

4. Уменьшение размеров зерен с ростом степени деформации ведет к уменьшению расстояния между непроницаемыми для дислокаций границами, что приводит к замедлению роста значений характеристик пластичности и ударной вязкости даже при уменьшении размеров реек.

5. Параметры технологического процесса упрочнения НМС, разработанные на основании исследования влияния горячей деформации на макро-, микро, реечную структуру и характеристики механических свойств: горячая деформация со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150-850С, охлаждение на воздухе, отпуск при 250С, охлаждение на воздухе.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях: "Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'П), г. Санкт-Петербург, 22-24 июня 2011 г; "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 26 - 28 октября 2011 г.; "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов": материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов, Магнитогорск, 06-10 февраля 2012 г; Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2012, Москва, МИСиС, 2012.

Личный вклад автора

Состоит в формировании цели и задач исследования, анализе литературных источников, проведении эксперимента, обработке полученных результатов.

Публикации

По материалам исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Похожие диссертации на Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с температуры горячей деформации

Особенности формирования структуры и свойств при выплавке, термической обработке и пластической деформации коррозионностойких свариваемых хромоникелевых сталей, легированных азотомТонышева Ольга Александровна

Формирование ультрамелкозернистых структур и повышенных механических свойств в малолегированных титановых сплавах комбинированными методами интенсивной пластической деформацииСеменова, Ирина Петровна

Закономерности формирования структуры и комплекса физико-механических свойств сплавов системы титан-ниобий-водород при термической обработке и пластической деформацииАгаркова, Елена Олеговна

Формирование структуры и свойств сталей для холодной высадки на стадии метизного переделаЧинокалов, Валерий Яковлиевич

Влияние малых степеней обжатия на формирование структуры и свойств холоднокатаных автолистовых сталейАдигамов, Руслан Рафкатович

Закономерности формирования структуры и свойств высокопрочных аустенитных сталей разных систем легирования с карбидным упрочнением Косицына Ирина Игоревна

Прогнозирование процессов формирования структуры и свойств в конструкционных сталях при азотированииБай Фан

Формирование структуры и свойств холоднокатаных микролегированных сталей, подвергаемых непрерывной термической обработкеЯщук, Сергей Валерьевич

Формирование структуры и свойств углеродистых конструкционных сталей при равноканальном угловом прессовании и последующем волоченииЕфимова Юлия Юрьевна

Влияние легирования никелем и молибденом на устойчивость аустенита и формирование структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей с повышенным содержанием углеродаЗакирова, Мария Германовна