Закономерности формирования ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение свойств углеродистых конструкционных сталей Копцева, Наталья Васильевна

Введение к работе

Актуальность темы. Последние два десятилетия ознаменованы возросшим интересом металловедов к получению и использованию ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с размером зерна менее 1000 нм, который проявляется в связи с реальными возможностями практического применения их высоких и полезных свойств в разнообразных отраслях науки и техники. Наряду с этим развитие индустрии в России предъявляет все более высокие требования к прочностным характеристикам материалов, используемых для изготовления деталей и конструкций, работающих в напряженных условиях. Для улучшения их механических свойств создаются сложные высоколегированные стали и сплавы и применяется упрочняющая термическая обработка, что приводит к существенному удорожанию продукции, которое не всегда оправдано. Поэтому в настоящее время все большее внимание направлено на получение и исследование УМЗ состояний в недорогих сталях, таких как углеродистые или низколегированные, что позволяет, благодаря получению в них повышенных прочностных свойств, значительно расширить класс конструкционных материалов.

Одной из наиболее эффективных технологий получения беспористых объемных материалов с УМЗ структурой с размером зерна менее 1000 нм является деформационное измельчение структуры методом равноканального углового прессования (РКУП), исключающего конечное формоизменение заготовки и обеспечивающего большие степени деформации без разрушения материла. Фундаментальные основы теоретических закономерностей структурообразования и формирования механических свойств при больших деформациях изложены в работах А.М. Андриевского, Р.З. Валиева, А.М. Глезера, С.В. Добаткина, В.Е. Панина, В.В. Рыбина, Ф.З. Утяшева, П.У. Бриджмена, Г. Гляйтера и других отечественных и зарубежных исследователей. Однако в настоящее время отсутствует единое принятое научным сообществом описание строения и свойств металлических материалов при интенсивной пластической деформации (ИПД). Поэтому создание научных основ эволюции структуры и свойств конструкционных материалов при воздействии больших пластических деформаций является важной фундаментальной проблемой металловедения.

Несмотря на большое количество публикаций по тематике, связанной с исследованием УМЗ металлов и сплавов, многие вопросы о влиянии условий РКУП, предварительной термической обработки, последующей пластической деформации и нагрева на изменение структуры и свойств феррито-перлитных сталей остаются открытыми. В то же время перспективы практического использования низко- и среднеуглеродистых сталей с УМЗ структурой требуют более полных сведений как об их механических свойствах, так и о механизмах формирования этих свойств. Учитывая, что УМЗ стали появились сравнительно недавно, целесообразно проводить исследования в рамках уже существующих технологических схем обработки давлением, которые широко используются на практике – прокатка, прессование, ковка, волочение, штамповка, и по возможности оценить применимость этих методов для производства полуфабрикатов и изделий из сталей с УМЗ структурой. При этом важнейшее значение для практики восстановления пластических свойств при сохранении высокой прочности имеет стабильность структуры и свойств УМЗ стали к термическим воздействиям.

В связи с вышесказанным актуальной проблемой является выявление закономерностей структурных изменений и формирования механических свойств углеродистых конструкционных сталей в ходе единичных циклов деформирования при РКУП, а также выявление влияния предварительной термической обработки и последующего деформационного и термического воздействий, т.к. это позволило бы существенным образом продвинуться в понимании протекающих процессов и прогнозировать комплекс механических свойств УМЗ заготовки, полученной методом РКУП.

Актуальность работы подтверждена ее соответствием тематике программ различного уровня, финансируемых из средств федерального бюджета: ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011 гг.) (гос. контракт П983), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (рег. номер 2.1.2/9277), фонда РФФИ (проект № 10-08-00405а), а также комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор № 13G25.31.0061).

Цель настоящей работы: исследование закономерностей формирования ультрамелкозернистой структуры и механических свойств низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей в процессе равноканального углового прессования и последующего деформационного и термического воздействий.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Выявить закономерности формирования УМЗ структуры и механических свойств низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей при увеличении степени деформации в процессе осуществления РКУП.

2. Установить влияние предварительной термической обработки на структуру и свойства углеродистых конструкционных сталей, подвергнутых РКУП.

3. Исследовать структурные превращения и механические свойства при холодной пластической деформации углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой.

4. Проанализировать стабильность структуры и механических свойств при нагреве УМЗ углеродистых конструкционных сталей, полученных способом РКУП.

5. Показать возможности промышленного использования углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой, сформированной методом РКУП, для повышения прочностных свойств продукции метизного производства.

Научная новизна.

1. Показано, что характерной особенностью механизма формирования УМЗ структуры углеродистых конструкционных сталей с размером зерна от 200 до 500 нм является образование малоугловых дислокационных границ в деформационных полосах, в микрозернах феррита и ферритных пластинах перлита, их трансформация с увеличением степени деформации при РКУП в большеугловые границы и преобразование субзеренной структуры в УМЗ преимущественно с большеугловыми разориентировками. Показано, что в процессе РКУП углеродистых сталей происходит частичное растворение цементита перлита.

2. Найдены качественные и количественные закономерности, демонстрирующие влияние различные видов предварительной термической обработки на структуру и твердость углеродистых конструкционных сталей, подвергнутых РКУП.

3. Разработана методика проведения количественного анализа УМЗ структуры феррито-перлитной стали, отличительной особенностью которой является адаптация растровых электронно-микроскопических изображений для использования программного продукта Thixomet Pro, предназначенного для обработки световых изображений структуры, а также обеспечение статистической достоверности количественной информации о структуре за счет достаточного объема выборки и соответствующих параметров распределения.

4. Впервые определены количественные характеристики УМЗ структуры низко- и среднеуглеродистой сталей, формирующейся в процессе РКУП (ширина деформационных полос, размер субзерен и зерен в феррите, толщина пластин феррита и цементита, межпластинчатое расстояние в перлите, объемная доля деформационных полос и фрагментированного феррита), получены зависимости этих параметров структуры от степени деформации.

5. Впервые получены зависимости, характеризующие влияние степени деформации и количественных параметров УМЗ микроструктуры, образующейся при воздействии методом РКУП, на прочностные и пластические характеристики низко- и среднеуглеродистой стали.

6. Установлены особенности структурообразования и формирования свойств при волочении УМЗ углеродистой конструкционной стали, полученной методом РКУП, заключающиеся в том, что сочетание РКУП с последующим волочением создает УМЗ структуру с размером зерна 160-320 нм и обеспечивает прочностные характеристики, превышающие характеристики стали после традиционного волочения. Получены зависимости твердости УМЗ углеродистой конструкционной от степени обжатия при волочении.

7. Выявлены качественные и количественные закономерности, показывающие влияние температуры и времени выдержки при нагреве на структуру и механические свойства углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой, сформированной способом РКУП, а также методом РКУП в сочетании с последующим волочением.

Практическая значимость.

1. Установлено, что использование РКУП как метода деформационного измельчения структуры позволяет в УМЗ низкоуглеродистой стали обеспечить высокие прочностные характеристики, приближающиеся к прочностным характеристикам среднеуглеродистой стали: после четырех проходов временное сопротивление _в в низкоуглеродистой стали составляет 843, а в среднеуглеродистой – 922 Н/мм² при сохранении удовлетворительных характеристик пластичности (относительное сужение = 52,2 %) и ударной вязкости (КСU 100 Дж/см²).

2. Показано, что создание УМЗ структуры позволяет в углеродистой конструкционной стали без термической обработки получить прочностные характеристики, превышающие свойства стали после традиционной упрочняющей термообработки: в низкоуглеродистой стали после четырех проходов РКУП твердость составляет 2537 МПа, а после закалки с высоким отпуском – 1736 МПа, а в среднеуглеродистой – 2907 и 1915 МПа, соответственно.

3. Обнаружено, что увеличение числа проходов при РКУП более двух дает менее значительное изменение прочностных и пластических характеристик по сравнению с первым проходом, но при этом, благодаря развитию фрагментации феррита и образованию УМЗ структуры, объемная доля которой непрерывно увеличивается при возрастании степени деформации при РКУП, возрастает ударная вязкость и сопротивление хрупкому разрушению.

4. Выявлено, что сочетание метода РКУП с последующим волочением формирует высокие прочностные характеристики стали: прирост микротвердости в низкоуглеродистой стали в зависимости от степени обжатия составляет до 40 %, предел текучести _т достигает 823 Н/мм², временное сопротивление _в = 1520 Н/мм², относительное сужение = 41 %, а в среднеуглеродистой стали прирост микротвердости составляет до 34 %, _т = 1062 Н/мм², _в = 1667 Н/мм², = 15 %.

5. Продемонстрировано, что способность к деформационному упрочнению в процессе РКУП у низкоуглеродистой стали больше, чем у среднеуглеродистой: после четырех проходов ( 2,7) характеристики прочности относительно исходного состояния в низкоуглеродистой стали увеличиваются в 1,8-2,6 раз, а в среднеуглеродистой – в 1,5-1,6 раз.

6. Установлено, что УМЗ структура углеродистых конструкционных сталей, сформированная в результате РКУП, а также при сочетании РКУП с последующим волочением имеет высокую термическую стабильность: при нагреве до 400^оС сохраняется УМЗ структура с размером зерен 460-610 мкм, высокая твердость (до 2500-2700 МПа) и высокая прочность (_в до 800-1000 Н/мм²), а пластические свойства могут увеличиваться примерно в 2 раза и приближаются к соответствующим характеристикам сталей в исходном состоянии до РКУП.

Реализация результатов.

1. Разработана база данных, зарегистрированная в государственном реестре, которая позволяет прогнозировать комплекс механических свойств УМЗ материалов и обеспечивает накопление и подготовку исходных данных, требующихся для создания новых технологических процессов с применением методов ИПД для изготовлении заготовок из УМЗ стали при производстве различных видов металлической продукции.

2. Результаты работы использованы в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»» (ОАО «ММК-МЕТИЗ») при опробовании и внедрении эффективных технологических процессов производства различных видов продукции метизного производства (арматуры для железобетонных шпал, самонарезающих винтов с повышенным уровнем потребительских свойств, калиброванного проката, новых видов крепежных изделий), что подтверждается актами внедрения результатов научно-исследовательских работ и технологических разработок.

3. Результаты теоретико-экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МГТУ» и используются при подготовке студентов по направлению 150100 «Металлургия», специальность 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов», направлению 150500 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий», специальность 150501 «Материаловедение в машиностроении», направлению 150600 «Материаловедение и технология новых материалов», что отражено в соответствующих актах.

Личный вклад. Общая стратегия и постановка работ выполнена совместно с М.В. Чукиным. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи в определении цели, научной постановке задач исследования, анализе и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов. В обсуждении результатов участвовали соавторы соискателя. Диссертант осуществлял научное руководство группой аспирантов и соискателей, которыми были защищены 2 кандидатских диссертации, относящиеся к исследованиям углеродистых конструкционных сталей со структурой, сформированной методом РКУП. Автор признателен сотрудникам Института физики перспективных материалов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» за помощь в осуществлении РКУП, а также И.Л. Яковлевой и В.А. Шабашову за сотрудничество в проведении электронной просвечивающей микроскопии и гамма-резонансной спектроскопии в Институте физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург).

Достоверность и обоснованность результатов и научных выводов работы обеспечены большим объемом выполненных экспериментов с применением комплекса стандартных и современных методов исследования: сканирующей и просвечивающей микроскопии, количественного анализа с применением статистической обработки данных, ядерной гамма-резонансной спектроскопии (ЯГРС), фрактографического метода, измерений микротвердости, испытаний механических и технологических свойств на растяжение, ударный изгиб и перегиб, а также воспроизведением результатов при совместном использовании методов. Выводы базируются на современных достижениях физики металлов, металловедения, теории термической обработки и не противоречат их положениям. Полученные результаты сопоставлены с известными экспериментальными данными других исследователей. Выводы и рекомендации работы подтверждены изготовлением ряда продукции метизного производства из углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

3. 1. Качественные и количественные закономерности структурообразования и формирования механических свойств при увеличении степени деформации, доказывающие, что УМЗ структура, сформированная методом РКУП, позволяет получить в низкоуглеродистой стали прочностные характеристики, приближающиеся к характеристикам среднеуглеродистой стали, при сохранении хороших пластических свойств и ударной вязкости.

   2. Теоретико-экспериментальное обоснование влияния особенностей структурообразования на уровень механических свойств УМЗ углеродистых конструкционных сталей, заключающееся в том, что интенсивное диспергирование феррита, которое проявляется в образовании деформационных полос и формировании ультрамелких субзерен и зерен, оказывает основное воздействие на повышение прочностных характеристик в процессе РКУП при сохранении хороших пластических свойств и ударной вязкости.

   3. Специфические особенности микроструктуры и свойств, свидетельствующие, что УМЗ структура углеродистой конструкционной стали, подвергнутой РКУП после различных видов термической обработки, обеспечивает свойства, превышающие свойства после традиционных способов термического упрочнения таких сталей.

   4. Структурные превращения и изменения твердости при увеличении общей степени обжатия при волочении УМЗ стали, обосновывающие, что сочетание РКУП с последующим волочением за счет создания УМЗ структуры с размером зерна 160-320 нм в углеродистой конструкционной стали формирует по сравнению с традиционным волочением более высокие механические свойства.

   5. Особенности структурных превращений и механизма рекристаллизации при нагреве углеродистой конструкционной стали с УМЗ структурой, полученной способом РКУП и сочетанием РКУП с волочением, которые объясняют высокую стабильность ее структуры и свойств при термическом воздействии.

   6. Характеристики механических свойств и микроструктуры изделий из углеродистых конструкционных сталей с УМЗ структурой, указывающие на возможность их использования при создании новых технологических процессов с применением метода РКУП для получения заготовок при изготовлении различных видов продукции метизного производства с повышенным уровнем прочности.

   Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: III областном салоне инноваций и инвестиций (Челябинск, 2007 г.); XIX и XX Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2008 г., Пермь, 2010 г.); 6-ой школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (Магнитогорск, 2008 г.); 66, 67, 68 и 69 научно-технических конференциях (Магнитогорск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); Третьей и Четвертой Всероссийских конференциях по наноматериалам НАНО-2009 (Екатеринбург, 2009 г.) и НАНО-2011 (Москва, 2011 г.); конференции «Объемные наноматериалы: новые идеи для инноваций», посвященной 15-летию создания ИФПМ УГАТУ (Уфа, 2010 г.); II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы – 2010: Беларусь – Россия – Украина» (Киев, Украина, 2010 г.); III Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2010 г.); VI международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ'10)» (Санкт-Петербург, 2010 г.); Второй Международной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы в металлургии» (Москва, 2011 г.); II международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2011 г.).

   Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 научных работы, в т.ч. 10 – в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ.

   Структура и объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, изложена на 245 страницах машинописного текста (без приложений), иллюстрирована 155 рисунками, содержит 11 таблиц, 8 приложений, библиографический список содержит 178 источников.

   Похожие диссертации на Закономерности формирования ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение свойств углеродистых конструкционных сталей

   

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

   Закономерности формирования структуры и свойств триботехнических слоев на инструментальных сталях при электрогидроимпульсной обработкеБеляев, Василий Борисович

   Повышение стабильности свойств и качества продукции стана 5000 ОАО "Северсталь" за счет улучшения структуры толстолистового штрипса из высокопрочных низколегированных сталейЦветков, Дмитрий Сергеевич

   Закономерности формирования и изменения свойств поверхностных слоев сталей при лазерной термической обработкеКостромин, Сергей Викторович

   

   Закономерности формирования структуры модифицированных поверхностных слоев и покрытий в процессе вакуумной ионно-плазменной обработки сталей и титановых сплавовБанных Игорь Олегович

   Оптимизация режимов термической обработки штамповых сталей холодного деформирования с целью улучшения их технологических и эксплуатационных свойствШимко, Елена Владимировна

   

   Закономерности формирования фазового состава и текстуры в аустенитных и малоуглеродистых сталях при прокатке и листовой штамповкеКостыкова Ольга Сергеевна

   

   Закономерности формирования структуры при ионно-вакуумном азотировании титановых сплавовЛукина Елена Александровна

   Исследование закономерностей формирования структуры и свойств крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, легированных цирконием, с целью повышения их качестваСухих, Александр Ювенальевич

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