Введение к работе
Актуальность работы. Осуществление грандиозных предначертаний IfflCC требует воплощения инженерной мысли в металле. Доэтому при общем высоком уровне производства стали в нашей стране все же ощущается её нехватка. Партия ставит конкретные задачи по бережливому расходованию металла, что нашло отражение в "Основные напраилениях социального и экономического развития' СССР на 1966-1990 г.г. и на период до 2000 г."
Один из основных путей рационального расходования стали состоит в повышении её прочности и на этой основе снижении металлоёмкости выпускаемых машин и оборудования. Однако, повышение прочности стали обычно приводит к существенному снижению её пластичности, особенно при эксплуатации и условиях низких температур. Последнее обстоятельство имеет исключительное значение в связи с широким освоением районов Сибири и Крайнего Севера. Следовательно, необходим поиск путей упрочнения стали с одновременным сохранением достаточно высокой пластичности.
Главным способом формирования свойств металла является леги- , рование и термическая обработка, позволяющие получить необходимое структурное состояние. Выбор марки стали для конкретного изделия и назначение режима его термической обработки основывается на знании технологом закономерностей сгруктурообразования в сталях того или иного состава, того или иного класса.
В целом ряде случаев без высоколегированных сталей не обойтись. Однако, в крупных масштабах экономически целесообразно использовать углеродистые и сравнительно невысоколегированные стали. Именно поэтому из общего годового объема производимой в стра- не стали более половины приходится на стали перлитного класса.
Влияние легирующих элементов на фазовые превращения имеет исключительно большое как теоретическое, так и практическое значение, ибо все изделия ответственного назначения изготавливают из легированных сталей.
За последние десятилетия в развитии учения о легированных сталях сделаны большие успехи. Хорошо изучено влияние легирующих элементов на критические точки, на кинетику изотермического превращения аустенита, на мзртенситные точки. Но одна область, имеющая исключительное значение в деле формирования, структуры и свойств, осталась металловедами незатронутой. Речь идет, о влиянии легирующих элементов на температурные интервалы перлитного, вер-
хнебейнитного и нижнебейнитного превращения аустенита.
Важность указанного вопроса объясняется прежде всего тем,что работоспособность изделий из конструкционных сталей существенным образом зависит от структурного состояния металла. Экспериментальные .ванные свидетельствуют о том, что продукты превращения ау-отенита, образовавшиеся в перлитном, верхнебейнитном и нижнебей-нитном интервалах температур, резко снижают конструктивную прочность.
В связи с изложенным, изучение процессов структурообразова-ния в сталях перлитного класса, формирование общих закономерностей' фазовых превращений и на этой основе разработка технологических процессов термической обработки, обеспечивающих повышение прочности, надежности и долговечности, является важной и актуальной народнохозяйственной задачей.
Ц е ль работы: I. Поиск скрытых резервов повышения конструктивной прочности сталей перлитного класса.
2. Установление закономерностей влияния легирующих элементов на
условия, механизм образования и природу продуктов превращения
аустенита.
-
Установление закономерностей вляиния продуктов превращения аустенита, образующихся в перлитном, верхнебейнитном и нижнебеИнитном интервалах температур, на конструктивную прочность сталей,
-
Расширение области применения углеродистых сталей.
Научная новизна: впервые установлены закономерности влияния легирующих элементов на температурные интервалы образования псевдоэвтектойдв, верхнего и нижнего бейнита. Построены схемы влияния легирующих элементов на процессы структурообразова-ния в сталях перлитного класса: карбидообразуюших, сужающих область аустенита; элементов, расширяющих область аустенита; не-карбидообразуших злементов, сужающих область аустенита.
Впервые установлено влияние легирующих элементов на образование видманштеттозой структуры; изучены особенности образования альфа-фазы в межкритическом интервале температур.
Показано отрицательное влияние продуктов превращения аустенита, образующихся в перлитном, верхнебейнитном и нижнебеИнитном интервалах температур на надежность изделий из конструкционных сталей, подвергнутых закалке и высокому отпуску.
Установлен.или уточнен механизм, условия образования и природа ряда продуктов превращения аустенита: гарденита, чернови-та, псевроэвтектоида, верхнего и нижнего бейнита. При этом дано обоснование разделению сталей на низкоуглеродистые и среднеуг-леродистые. Показано впервые, что количество черновита зависит от содержания в стали углерода и при понижении температуры фазового перехода изменяется следующим образом: в ниэкоуглеродис-тых сталях - увеличивается; в среднеуглеродиетых - уменьшается. Легирующие элементы способствуют повышению прочности черновита и задерживают процесс его отпуска.
Впервые установлено, что верхний бейнит имеет две принципиально отличающиеся по механизму образования и природе разновидности: низкоуглеродистую и высокоуглеродистую. Высокоуглеродис-тый верхний бейнит в сталях, легированных карбидообразующими элементами, в зависимости от условий образования может иметь перистое, дендритовидное или гребневидное строение.
Показано, что нижний бейнит также следует классифицировать на высокоуглеродистый и низкоуглеродистый. Высоко-углеродистый нижний бейнит имеет микрофрагментарное строение.
Установлено, что образование гарденит.а врзможнР: не только при закалке после незначительного перегрева над, Ас ', как это
было известно ранее, но и после аустенитизацци при,'любых температурах выше А , А , А , если имеет место определенная
А. О
степень превращения аустєнита в межкритическом или субкритическом интервалах температур, обусловливающая, достаточную концентрационную неоднородность аустенита по содержанию углерода.
Установлено, что образование видманштеттовой структуры может происходить не только при непрерывном охлаждении, как это считалось ранее, но и при изотермическом превращении аустенита.
Уточнен механизм образования псевдоэвтектоида. При этом впервые показана возможность обеднения углеродом аустенита перед превращением в перлитном интервале температур путем выделения карбидов по границам субзерен.
Установлены общие закономерности структурообразования в сталях перлитного класса. При этом.показано, что ниже Аг образование равновесных продуктов превращения аустенита осуществляется только через неравновесные;- процесс фазовых превращений имеет дискретный, пульсирующий характер.
Практическая ценность и промышленная реализация работы. Проведенные исследования позволили установить влияние структурного состояния на прочность, надежность и долговечность изделий из сталей перлитного класса и предложить конкретные пути управления структу-рообраэованием.
Разработан технологический процесс термической обработки ряда тонкостенных деталей и деталей сложной формы из конструкционных и инструментальных сталей, предусматривающий малодеформационную закалку в горячих средах, вместо ранее применявшейся закалки в масле. Малодеформационная закалка позволила перейти на новую технологию изготовления деталей, при которой упрочняющая термическая обработка производится не в заготовках, как ранее,а на готовом размере, что позволило существенно повысить производительность труда рабочих-станочников, сократить расход дорогостоящих инструментов, вспомогательных материалов и электроэнергии на единицу продукции. '
Усовершенствован режим упрочняющей термической обработки литых крановых колес из стали марок 55JI и 60Л, что позволило повысить их эксплуатационную стойкость в 1,8 раза.
Разработан режим дополнительной термической обработки некоторых тракторных деталей, что позволило повысить их долговечность на 25.
Результаты работы использованы на производственном объединении "Арсенал" имени М.В.Фрунзе, заводе подъемно-транспортного оборудования имени С.М.Кирова, Онежском тракторном заводе. Общий экономический эффект от внедрения составил 696 тыс.рублей.
Автор защищает:
I. Разработанные схемы влияния углерода и легирующих элементов на температурные интервалы образования псездоэвтектоида,верхнего и нижнего бейнита в сталях перлитного класса.
2. Установленные и уточненные данные о природе, механизме, условиях образования ряда продуктов превращения аустенита и воздействии углерода и легирующих элементов: черновита, псевдоэв-тектоида, верхнего и нижнего бейнита, гарденита.
3. Закономерности влияния продуктов превращения аустенита, образовавшихся в перлитном, верхнебейнитном, нижнебейнитнсм интервалах- температур, на надежность конструкционной стали, подвергнутой улучшению.'
-
Закономерности образования альфа-фазы в межкритическом интервале температур.
-
Влияние легирования и условий термической обработки на образование видманштеттовой .структуры.
-
Общие закономерности струнтурообразования при охлаждении в сталях перлитного класса:
возможность фазовых превращений лишь при определенных теч-пературно-концентрационных условиях;
образование ниже критической точки Ат равновесных продуктов превращения аустенита только через неравновесные;
дискретный, пульсирующий характер процессаобразования продуктов превращения аустенита.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на кафедре материаловедения, пластицеской и термической обработки Северо-Западного заочного политехнического института, г Ленинград, 1980, 1985 г. на семинаре "Новое в металловедении и термической обработке", г.Ленинград, ЛДЦТД, 19Э1 г.; на научно-техническом семинаре "Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных п инструментальных сталей и сплавов", г.Ленинград, ЛДНТП, 1981, 198Н, 1983, 1984 г.г.; на научно-техническом семинара кафедры металловедения ЛШІ имени М.И.Калинина, г Ленинград, 1981 г.; ка ЇХ научно-технической конференции "Новая техника и технология в металлургическом и химическом производстве", г.Череповец, 1983. г.; на научном семинаре кафедры металловедения, оборудования и технологии термической обработки ЛГШ имени М.И.Калинина, г.Ленинград, 1983 г.; на первой лекции из цикла "Применение современных легированных сталей", г.Ленинград, ЛДНТП, 1985 г.; на семинаре "Прочность конструкций, работающих в условиях низких температур", г.Ленинград, ЛТИ холодильной промышленности, 1985 г.; на X научно-технической конференции "Экономия производственных ресурсов и повышение качества продукции в металлургичеокой и химической промышленности", г.Череповец, 1985 г.; на объединенном заседании кафедр материаловедения и технологии машиностроения, механики автоматизированных систем, основ-, конструирования и САПР, сопротивления материалов ЛТИ ЦБП, г.Ленинград, 1988 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пята глав, вызолов, списка цитируемой литературы, приложения. Рябота содержит 402 страницы
машинописного текста (в том число 73 таблицы, 127 рисунков,список литературы из 253 наименований, приложение).
