Закономерности пластической деформации перлита и разработка эффективных процессов упрочнения сталей с гетерофазной структурой Батаев, Анатолий Андреевич

Введение к работе

Актуальность темы. Стали с гетерогенной структурой явлньтся широко распространенными машиностроительными материалами. В этой связи не вызывает сомнений целесообразность проведения глубоких фундаментальных исследований, позволяющих найти рациональные пути повышения прочностных свойств, надежности и долговечности изготовленных из них изделий. Одной из важнейших и наиболее сложных составляющих железоуглеродистых сплавов, имеющих двухфазную структуру, является перлит. Выявление закономерностей пластической деформации и разрушения гетерогенных материалов представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значенне. Вопросы эволюции структуры гетерогенных материалов, имеющей место при их нагружении, изучены и отражены в технической литературе гораздо в меньшей степени', чем для гомогенных. Современные экспериментальные данные и имеющиеся теоретические представления не позволяют детально и убедительно обосновать специфическую природу пластической деформации и разрушения гетерофазных материалов. В то же время структурные изменения в сплавах, содержащих частицы второй фазы, имеют свои особенности. Это касается сплавов с равноосными частицами второй фазы и еще в большей степени - сплавов со структурой слоистого типа, в первую очередь пластинчатого перлита. Отсутствие ясных представлений о природе явлений, имеющих место при деформации двухфавных сплавов, сдерживает развитие соответствующих работ прикладного характера, результатом которых могла бы быть разработка эффективных способов упрочнения машиностроительных материалов.

С позиций анализа актуальности диссертационной темы следует подчеркнуть уникальность сталей со структурой пластинчатого перлита как модельных сплавов для изучения процессов дислокационных изменений и разрушения, происходящих при внешнем нагружении. Четко различающиеся при электронномикроскопических исследованиях пластины двухфазной структуры являются своеобразными надежными метками, по изменению относительного расположения которых можно воспроизвести и соогветсвенно описать микромеханнзми деформации материала.

Традиционные методы термической обработки не позволяют зна-

- 4 -чительно повысить эксплуатационные характеристики сталей со структурой перлита. Основываясь на классических трудах отечественных и варубежных ученых Гуляева А.П., Мешкова Ю.Я., Киди-наИ.Н., Баранова А. А., Долженкова И.Е., Счастливцева В.М., Шура Е.А., Сухомлина Г.Д., Gensamer М., Embury J.D., Fisher R.M., Hull F.С, Mehl R.F., PitschW., GurlandJ., PuttlckK.E., Proger M. и многих других, в работе была поставлена задача существенного повышения уровня конструктивной прочности сталей путем оптимизации гетерофаэной структуры на микро- и мезоекопичес-ком масштабных уровнях и разработки новых высоких технологий термического и термопластического упрочнения материалов. Заметный прогресс в решении этой проблемы может быть достигнут путем тщательного анализа и учета соответствующим образом влияния* параметров частиц второй фазы на характеристики надежности и долговечности материалов, а также путем использования полученных данных для разработки и применения нетрадиционных способов упрочнения. Фундаментальные исследования физической природы пластической деформации сталей в гетерогенном состоянии, на основе которых могут быть оптимизированы параметры структурных составляющих позволяют разработать эффективные способы термического и термопластического упрочнения изделий.

Отмеченные задачи могут быть решены с применением современных методов исследований, в том числе трансмиссионной и растровой электронной микроскопии, методов оценки статической, усталостной, ударно-усталостной трещиностойкости, контактноусталост-ной выносливости и др. К настоящему времени эти методы развиты. на достаточно высоком уровне, что позволяет эффективно использовать их для решения конкретных проблем.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом комплексных научных' исследований АН СССР на 1986...1990 гг. по проблеме "Физико-химическая механика разрушения конструкционных материалов" (темы 6.1.2; 9.4.2), государственной научно-технической программой "Сибирь" (блок "Новые материалы и технологии", раздел 6.01.03.01), Российской национальной научно-технической программой "Глубокая переработка сырья и новые материалы", научно-технической программой Миннауки РФ "Новые материалы" (направление "Компьютерное конструирование материалов", проект N 0?.08.0080.М).

Дели диссертационной работы заключались в выявлении закономерностей пластической реформации и разрушения сталей со структурой перлита, оптимизации структуры сталей в гетерофазном состоянии по параметрам прочности, надежности и долговечности, а также разработке на этой базе эффективных схем термического и термопластического упрочнения сталей.

Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование методами оптической и электронной микроскопии закономерностей пластической деформации и разрушения сталей,' содержащих структуру перлита. Анализ особенностей проявления структурных уровней пластической деформации й этих сталях.

2. Выявление оптимальных структурных параметров перлита, обеспечивающих высокий уровень прочностных свойств и трещинос-тойкости сталей.

3. Разработка способа регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением аустенита. Оптимизация режимов выполнения этого способа обработки сталей.

4. Разработка эффективных способов упрочнения сталей, основанных на реализации смешанных типов превращения переохлажденного аустенита (мартенситного в сочетании с перлитным, мартенсит-ного в сочетании с беинитным). Оптимизация режимов выполнения этих способов обработки сталей.

5. Исследование, влияния структуры перлита на усталостную и ударноусталостную. трещиностойкость, контактно-усталостную выносливость ,' скоростьизнашивания в условиях трения о жестко и нежестко закрепленные абразивные частицы.

6. Исследование' характера разрушения сталей с перлитной, ферритоперлитной, бейнитной, мартенситной, мартенсито-перлитной, мартенсито-бейнитной структурой в условиях ударно-усталостного-нагружения.

Для решения этих задач в работе использован следующий комплекс экспериментальных методов исследования: просвечивающая и растровая электронная микроскопия; оптическая микроскопия; статическая, усталостная, ударно-усталостная трещиностойкость; методы исследования абразивной износостойкости (в условиях трения о жестко и нежестко закрепленные частицы абразива) и др. методы.

- б -

Научная новизна работы.

- Установлены основные закономерности пластической деформации и разрушения стали со структурой перлита. Обнаружена ярко выраженная склонность гетерофазной пластинчатой структуры к неоднородному пластическому течению на меэоскопическом масштабном уровне деформации, проявляющаяся во фрагментации цементитных пластин. Показана роль развития складчатых полос локализованного течения как доминирующего фактора разрушения пластинчатого перлита. Средствами электронной микроскопии обнаружено явление расщепления цементитных пластин на отдельные волокна.

Обнаружен экстремальный характер зависимости между статической трещиносгойкостью и пределом текучести стали со структурой перлита. Выявлены области оптимальных структурных состояний пластинчатого и глобулярного перлита, обеспечивающих лучшие сочетания предела текучести и трещиностойкости сталей. Установлены структурные критерии перехода перлита в хрупкое состояние.

Разработан способ регулируемого термопластического упрочнения углеродистых сталей с перлитным превращением переохлажденного аустенита. Исследовано влияние основных температурновремен-ных параметров предложенного процесса на уровень важнейших механических свойств средне-и высокоуглеродистых сталей.

Разработаны эффективные способы термического и термопластического упрочнения углеродистых сталей, основанные на частичном распаде аустенита в мартенситной области и последующем пер-' литном или бейнитном превращении остаточного аустенита. Установлены оптимальные температурновременные параметры этих способов упрочнения средне-и высокоуглеродистых сталей..

Научная и практическая ценность . '

7. Развитые в работе представления о поведении сталей с перлитной структурой в различных условиях внешнего нагружения легли в основу разработки способа регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением аустенита и нет-("ідіпшошшх, эффективных методов термического и термопластического упрочнения, основанных на получении слодных гетерофазішх 'лруктур. .' '

8. Установленные при выполнении работа закономерности пластического течения и разрушения сталей со с*"уктурой пластинчатого п глС.'.млрного перлита могут быть распространены на более гаи-і кі'.'і круг гетерофазш-х материалов со слоистой'структурой и гло-

- 7 -булярными выделениями упрочняющей фазы. Полученные данные можно использовать для разработки общей теории деформации и разрушения металлических материалов с гетерофазной структурой.

3. Приведенные в работе данные показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств сталей со структурой перлита, предназначенных для использования в различных условиях внеинего нагружения. Результаты экспериментальных исследований, отражающие связь структуры перлита с показателями прочности, надежности и долговечности сталей,могут быть использованы при решении прикладных задач, в том числе при назначении оптимальных режимов известных и разработке перспективных способов термического и термопластического упрочнения.

4. Результаты научных исследований использованы при разработке эффективных технологических, процессов упрочнения деталей машин и элементов конструкций, работающих в тяжелых условиях внешнего нагружения (штрипсовых пил для камнеобработки, ударников отбойных молотков и др.).

5. Научные результаты, полученные при выполнении работы, использованы в учебных курсах "Металловедение", "Машиностроительные материалы", "Теория' строения металлов", читаемых в вузах Новосибирска: Новосибирском государственном техническом университете, Сибирской государственной академии путей сообщения, Сибирской государственной академии водного транспорта.

На защиту выносятся:

1. Закономерности пластической, деформации и разрушения сталей со структурой перлита.

2. Экспериментальные данные об оптимальных параметрах структурных составляющих перлита.

3. Результаты структурных исследований процесса распространения трещин при ударноусталостном нагружении сталей.

4. Способ и режимы регулируемого термопластического упрочнения сталей с перлитным превращением переохлажденного аустенита.

5. Способ и режимы получения смешанной структуры углеродистых сталей при реализации незавершенного мартенситного превращения в сочетании с перлитным превращением аустенита.

6. Способ и режимы термической обработки сталей, основанной на частичном мартенситном и бейнитном превращений переохлажденного аустенита.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах.совещаниях, семинарах.

7. Девятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии металлических материалов (Фрунзе, 1980 г.).

8. Десятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии (Новокузнецк, 1982 г.).

' 3. Всесоюзной научной конференции по износу, посвященной 1000-летию г. Брянска (Брянск, 1985 г.).

4. Десятом Всесоюзном совещании по теории и практике нанесения гавотермичёских покрытий (Дмитров, 1985 г.).

5. Всесоюзном семинаре по современному оборудованию и технологии термической и химико-термической обработки металлических материалов (Москва, 1986 г.). ,

6. Всесоюзной научно-практической конференции по вопросам преподавания машиностроения и основ производства на факультетах общетехнических дисциплин (Новокузнецк, 1986 г.).

7. Пятом Всесоюзном симпозиуме по малоцикловой усталости (Волгоград, 1987г.).

8. Объединенном заседании Всесоюзных семинаров по дифракци-^ онным методам исследования искаженных структур, актуальных проблем прочности и физико-технологических проблем поверхности металлов (Череповец, 4988 г.).

9. На втором Всесоюзном научно-техническом семинаре по повышению эффективности яневмоударных буровых машин (Новосибирск, 1990 г.).

10. На 4 международной конференции по компьютерному конструированию перспективных материалов и технологий. (Томск, 1995 г.)

11. На Западно-сибирском семинаре по прогрессивным методам упрочнения деталей машин и инструмента (Томск, 1980).

12. На 3 зональной научно-технической конференции по качеству поверхности и эксплуатационным свойствам деталей машин и приборов (Новосибирск, 1982 г.).

13. На Новосибирских городских научных семинарах по металловедению (Новосибирск, 1980 - 1993 гг.).

Результаты диссертации опубликованы в монографии и тридцати других работах, список которых приведен в конце автореферата.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы (66 наименований) и трех прило-

- у -жений, содержит 397 стр. машинописного текста, в том числе 120 рисунков, 14 таблиц.

Первая глава "Оптимизация структуры сталей по параметрам прочности и надежности" представляет собой анализ ряда важных аспектов, входящих в проблему научного выбора материалов. Учитывая цели, поставленные в работе и ее общую направленность, в данном разделе, имеющем постановочный характер, решалось несколько задач. Одна из них заключалась в выборе из множества параметров, характеризующих механические свойства сталей, такие, которые в наибольшей степени связаны с прочностью, надежностью и долговечностью изделий. При этом принималось во внимание, что исследуемые материалы имеют явно выраженную неоднородную, гетерогенную структуру. Установлено, что в качестве структурно чувствительных свойств, характеризующих поведение сталей с гетерофазной структурой в сложных условиях внешнего нагружения, наиболее целесообразно использовать показатели, определяемые при проведении прочностных испытаний, испытаний на статическую, усталостную и удар-ноусталостную трещиностойкость, контактную выносливость, испытаний на абразивное изнашивание. Для реализации отмеченных методов испытаний при выполнении представленной работы использовалось как современное стандартное, так и специально разработанное и изготовленное оборудование (комплекс установок для ударноуста-лостных испытаний при нагружении по схемам сжатия и изгиба, для испытаний- на контактную усталость при нагружении по схеме пульсирующего контакта, для испытаний на изнашивание в условиях воздействия жестко и нежестко закрепленных абразивных частиц).

Обеспечивая путем термического или термопластического воздействия на материал различные комбинации дислокационных механизмов упрочнения, можно конструировать эффективную структуру материала. С позиций обеспечения высокого уровня прочности и надежности необходимо оценивать характер влияния дислокационных механизмов упрочнения одновременно на предел текучести и трещиностойкость сталей:

б_г, Кіс " f(бп,бд,бр,бф,бэ). где б_п - напряжение трения кристаллической решетки, . или напряжение, которое должна преодолеть движущаяся дислокация в решетке, свободной от препятствий; бд - напряжение, обусловлекное сопротивлением передвигающейся дислокации во. счет действия дру-

- 10 -гих дислокаций, расположенные на пути ее движения; 6_Р - упрочнение растворенными атомами; б_ф - упрочнение дисперсными фазами; б₃ - упрочнение микроструктурными барьерами в виде границ зерен.

Представление предела текучести.и трещиностойкости сплава в виде совокупности взаимосвязанных моделей, основанных нз-прояв-лении соответствующих дислокационных механизмов упрочнения, обеспечивает методическую стройность процессу конструирования структуры сталей. Следует подчеркнуть, что если большинство аспектов проолемы влияния параметров гетерофазной структуры на прочностные свойства сталей достаточно успешно решены, то в отношении связи структуры с характером разрушения материалов такой ясности на сегодняшний день нет. Поэтому для решения задач; поставленных в настоящей работе, необходимо детальное исследование процессов внутренних преобразований структуры, происходящих при нагружзнии сталей. Особенно это касается сталей со структурой пластинчатого перлита.

Анализ приведенной зависимости позволил выбрать в качестве наиболее рациональных механизмов упрочнения сталей механизм упрочнения дисперсными фазами, механизм упрочнения границами зерен (для пластинчатого перлита - цементитнши пластинами) и механизм, основанный на создании дислокационных субзеренных построений. Таким образом при термической, пластической и термопластической обработке сталей с гетерофазной структурой необходимо обеспечивать такие условия внешнего-воздействия, которые позволяют активизировать в первую очередь именно эти дислокационные механизмы упрочнения.

Одними из наиболее эффективных технологических процессов, позволяющих использовать рациональные дислокационные механизмы упрочнения и обеспечивать таким образом высокий комплекс показателей конструктивной прочности сталей, являются методы термопластического упрочнения, сочетающие процессы формообразования и термической обработки изделий. Получение конечной структуры, стабильно обеспечивающей высокий комплекс механических свойств сталей, возможно лишь в том случае, если на заключительной стадии деформации формируется оптимальная структура аустенита и обеспечиваются рациональные условия охлаждения сталей. Таким образом разработка современных технологических процессов термопластического упрочнения предусматривает необходимость жесткой регламентации температурных, силовых и временных параметров на

каждой стадии обработки сталей: температуры нагрева, температуры начала и конца деформации, степеней пластической деформации (особенно на заключительной стадии процесса), мевдеформационных пауз, скорости охлавдения. Выводы, полученные в результате анализа материалов первого раздела, позволили конкретизировать нал-. равления дальнейших исследований и выявить спектр технологических решений, использование которых рационально для упрочнения сталей с гетерофазной структурой.

Во второй главе "Особенности образования и строения перли-. та" анализируются детальное строение пластинчатого и глобулярного перлита, а также основные параметры процессов термической обработки сталей, оказывающие влияние на структуру ферритоцемен-титной смеси. Основной объем структурных исследований и механических испытаний в диссертации выполнен на стали У8 (0,82 %С). Кроме того в работе использовали стали Ст5 (0,34 %0), У10, 40Х, 5ХВ2С и другие. С целью получения наиболее однородной структуры пластинчатого перлита осуществляли изотермическую обработку стали в свинцовой ванне при температурах 550...700 С. Структуру ферритоцементитной смеси с глобулярными выделениями карбидов получали в процессе закалки и последующего высокого отпуска. Кроме того структуру перлита с цементитом преимущественно глобулярной формы получали при использовании предложенного И.Г. Узловым и И.И. Долженковым с соавторами процесса анормального.распада аус-тенита, заключающегося в аустенитизации, кратковременном подсту-живан'ии Стали до температуры на 30 С выше точки М_и и последующем распаде аустенита при температурах перлитного Превращения.

Проведенный анализ позволяет говорить о перлите как об уникальной структуре, способной под влиянием ряда технологических факторов приобретать различное строение. Температура и время аустенитизации, температура изотермического превращения, ско-' рость непрерывного охлаждения, степень горячей, теплой и холодной деформации позволяют эффективно управлять структурным состоянием перлита, в частности изменять морфологии карбидной фазы, равмеры колоний и субколоний, плотность дислокаций в ферритных промежутках, создавать псевдоячеистую дислокационную структуру, сверхмелкие субзеренные построения в феррите, изменять характер расположения цементитных пластин.

Надежные количественные связи механических свойств стали с" её структурой могут быть получены лишь в том случае, если обос-

-12-. ~

новаїшо выбраны те параметры внутреннего строения ферритоцемен-
титной смеси, которые определяют поведение материала при его
нагружении. На основании многочисленных структурных исследований
в работе развиты представления о' пластинчатом перлите как о
структуре, состоящей из колоний, которые в свою очередь содержат
более мелкие образования с границами субаеренного типа - субко-
іюнин (рис.1а). Основными количественными параметрами колоний и
субколоний являются их длина и ширина. Феррито-цементитная смесь
характеризуется толщиной цементитных пластин t_u и ферритных про
межутков tu, (рис.іг). Параметрами дислокационной структуры в
феррите являются плотность дислокаций и размеры-субзеренных об
разований, формирующихся в определенных условиях силового и тер
мического воздействия. ^

Рис.1. Строение пластинчатого перлита. *" а - схема строения колоний и суоко-лоний, б-г - дефекты строения пластинчатого перлита. U, 12 - длина и ширина субколоний, 1_кі.1к2- длина и ширина колоний, h - медпластинчатое расстояние, t_e - размер ферритного промежутка, t_u - толщина цементитных пластин. а ь

Описанная схема строения перлита является достаточно удобной при пспске количественных' связей между параметрами структуры и процессами упрочнения и разрушения

сталей. Б тоже время наблюдаются и

^{в г} . „

отклонения от данной схемы. В процессе проведенных исследований установлено, что для упорядоченной структуры пластинчатого перлита дефекты строения играют очень важную роль с позиций анализа структурных изменений при деформации материала. Как правило потеря устойчивости пластинчатых карбидов, их деформация и разрушение первоначально фиксируются именно в тех-местах, где имеются дефекты строения перлита. Одним из наиболее часто встречающихся видов дефектов строения пластинчатого перлита является криволинейность цементитных пластин (рис.іб). В доэвтектоидных сталях снижение температури распада аустенита способствует формированию прерывистых цементитных пластин (рис.іг). В ряде случаев при трансмиссионных элект-ппннпмикроскопических исследованиях наблюдали цементитные плас-

- 13 -тины Г-, Y-образной и более сложной формы (рис. 1в), что свидетельствует о возможности проявления разных вариантов, кристаллографического сопряжения фаз перлита. Об этом же свидетельствует образование микрообъемов перлита с пластинами, расположенными в двух направлениях (рис. 1в).

Варьирование температурой аустенитизации, температурой перлитного превращения и параметрами горячей деформации позволяет в широких пределах управлять структурными изменениями в перлите. Повышение температуры аустенитизации от 900 до 1100 С приводит к росту аустенитного зерна в стали У8 от 38 до 165 мкм. При этом, в случае изотермического превращения переохлажденного аус-тенита при 600 С, продольный размер субколоний пластинчатого перлита увеличивается от 7,4 до 14,5 мкм, а поперечный размер -от 4,7 до 9,3 мкм. Уменьшение протяженности границ аустенита -основных мест образования перлита, является одной из наиболее, важных причин увеличения размеров субколоний при повышений температуры аустенитиэации. Влияния температуры аустенитизации, а следовательно и размера аустенитного зерна на дисперсность це-ментитных пластин и ферритных прослоек при реализации изотермического превращения не установлено. В. отличие от температуры аустенитизации, температура распада переохлажденного аустенита оказывает влияние как на размер субколоний в перлите, так и на дисперсность феррита и цементита. При понижении температуры распада аустенита от 700 до 550 С межпластинчатое расстояние уменьшается от 0,37 до 0,09 мкм. Продольный размер субколоний перлита в данном случае снижается от 10,6 до 3,7 мкм.

Основными структурными параметрами глобулярного перлита являются размеры карбидов, межкарбидное расстояние, объемная доля цементита, . размеры зерен и субзерен ферриткой матрицы. Наиболее крупные карбиды обычно выделяются вдоль границ верен и субзерен ot-фазы. При высоких температурах образования перлита размеры карбидов, выделяющихся по границам, в Б...6 раз больше, чем карбидов, распределении в ферритной матрице. Наиболее нежелательным случаем является растворение всех матричных карбидов и "перекачивание" углерода на границы субзерен, выделяющегося в виде массивных глобулей цементита. Результатом такого процесса является образование ферритоцементитной смеси псевдокаркасного типа, представляющей собой субзеренную структуру, декорированную карбидами. При отпуске закаленных сталей признаки структуры этого

- 14 -типа характерны для высоких температур обработки (> 650 С).

Горячая пластическая деформация является одним из наиболее эффективных методов воздействия на структуру перлита. Способс-. твуя проявлению рекристашшаацнонных процессов и измельчению структуры аустенита, горячая пластическая деформация вызывает уменьшение размеров субколоний в пластинчатом перлите и субзе-ренных . построений в глобулярном перлите, Собирательная рекристаллизация аустенита приводит, в свою очередь, к увеличению размеров субколоний и субаеренных построений в перлите. Влияния горячей пластической деформации на дисперсность феррито-цементит-ной смеси при изотермическом превращении как в пластинчатом, так И в глобулярном перлите стали УВ не обнаружено.

В' третьей главе "Пластическая деформация и разрушение сталей со структурой перлита" рассмотрены процессы структурных изменений в перлите, происходящих во время статического нагружения сталей, а также проведен анализ поведения сталей со структурой перлита в условиях усталостного, ударно-усталостного нагружения, изнашивания о жестко и нежестко закрепленные абразивные частицы.

В феррите эвтектоицной стали, изотермически обработанной при 750...550 С, дислокации распределены в основном равномерно, изолированно (рис. 2а) с плотностью (2...6)^-10⁹ см^-2. Изменения структуры пластинчатого перлита на начальных стадиях пластической деформации (є < 0,05) связаны, главным образом, с увеличением плотности дислокаций в феррите. 'В центральных объемах феррит-ных промежутков в образцах, прокатанных при комнаткой температуре, со степенью е - 0,05, наблюдается относительно однородное распределение дислокаций с плотностью р - (3...5) го¹⁰ см"². Наибольшая плотность дислокаций наблюдается непосредственно вблизи цеь-гнтитных пластин, из-за чего карбидная фаза на экране элект-ронного микроскопа выглядит в виде темных полос с "бахромой" (рис. 26). На следующих стадиях холодной пластической деформации (е - 0,1...0,2) плотность дислокаций возрастает до значений р > 10¹¹ см^-2. Независимое перемещение отдельных дислокаций становится затруднительным. В ревульта' . взаимодействия дислокаций, их совместного скоррелированного движения формируются построения, имеющие основные признаки ячеистой структуры (рис. 2в). Размер ячеек при є - 0,2 составляет - 0,4...1,0 мкм, толщина границ яеек - 0,2...0,6 мкм. Такую структуру следует считать псевдоячеистой, поскольку отдельные части ячеек ограничены не

Рис. 2. Схематическое изображение структурных состояний, возникающих при пластической деформации пластинчатого перлита.

а - дислокационная структура в равновесном состоянии; б - дислокационная "бахрома" вблизи цементитных пластин; в - псевдоячеистая структура; г - субзеренные построения в ферритных промежутках; д - деформация цементитных пластин в двух направлениях; е - простая одиночная складка; ж - периодическая складчатая структура; в - прорыв цемен- ' титных пластин в Зоне локализации пластического течения.

- 18 -только дислокационными построениями, но и цементитными пластинами. При дальнейшем увеличении степени деформации (s > 0,2...0,3) образуются построения, имеющие форму простых одиночных или сопрягающихся между собой складок (рис. '2д,е),,

Полосовые построения возникают, как правило, вблизи границ субколоний. Причины их образования могут быть связаны с неоднородностью полей механических напряжений, формированием локальных дислокационных скоплений в ферритных промежутках, наличием дефектных, ослабленных мест в цементитных пластинах. Если деформация стали происходит не по двум, а по нескольким параллельным плоскостям, возникает структура типа "гармошки" (рис. 2ж).

Локальные деформации материала при образовании как одиночных полос локализованного течения, а также регулярной структуры типа "гармошки" могут достигать значительной величины. В результате быстро исчерпываются релаксационные возможности сплава. В первую очередь речь идет о поведении карбидной фазы. В наиболее деформированных зонах цементитных пластин возникают трещины, которые, объединяясь, приводят к разрушению всей субколонии (рис. 2з). Минимальная ширина образующихся полос составляет одно... три значения межпластинчатого расстояния и характерна для деформации сталей растяжением. Механизм образования и развития полос локализованной пластической деформации является доминирующим механизмом разрушения пластинчатого перлита с толщиной карбидов менее 0,02 мкм. Методами растровой И' трансмиссионной электронной микроскопии обнаружен необычный вид разрушения цементитных пластин, заключающийся в их расслоении и образовании многочисленных волокон. Потеря целостности деформируемых пластинчатых карбидов и образование множества дефектных ослабленных участков обусловливают пониженный уровень трещиностойкости пластинчатого перлита по сравнению с глобулярным.

Важнейшим структурным параметром, определяющим условия образования полос локализованного пластического течения в пластинчатом перлите, является размер субколоний. С позиций повышения трещиностойкости рационально измельчение субколоний, поскольку общая длина трещин, обусловленных формированием полос локализованного течения, обычно коррелирует с размерами субколоний. Наибольшую склонность к образованию полосовых складчатых построений и связанному с stum процессом разрушению проявляют крупные субколонии. Для еубколоний с размерами менее 2..,3 мкм образование

- 17 -складчатых построений не типично. Положительным образом уменьшение размеров субколоний отражается на трещиноетоикости стали также и при разрушении перлита по механизму декогезии цементита, поскольку как и при развитии полос локализованного течения возникшая трещина при подходе к границе субколонии или меняет своо направление или тормозится.

і Трещины, обусловленные деформацией ферритоцементитиой смеси, в любом случае обычно возникают в цементитішх пластинах. С позиций обеспечения надежности толщина кароидов имеет вамое значение. Наиболее опасным видом разрушения в перлите является хрупкий скол цементитных пластин. Этот механизм проявляется, главным образом, в грубопластинчатом перлите (t_u > 0,02...0,03 мкм). Однако характер разрушения стали определяется не только поведением цементитной составляющей, но также и свойствами феррита, о чем свидетельствуют экспериментальные данные. На рис. 3 приведена диаграмма конструктивной прочности стали со структурой пластинчатого перлита, отражающая связь трещиноетоикости материала с его пределом текучести. Она имеет вид кривой с экстремумом. Максимальное значение трещиноетоикости соответствует пределу текучести, равному -* 700 МПа. Такие свойства обеспечивает структура перлита со .значениями межпластинчатого расстояния, толщины цементитных и ферритных пластин, равными 0,15, 0,02 и

0,г3 мкм соответственно. И'З

_д^а

из ам, №

.450

Рис. 3. Диаграмма конструктивной прочности стали У8 со структурой пластинчатого перлита.

приведенной диаграммы следует важный еывод о том, что отклонение от значения пре-. дела текучести, равного 700 МПа, ведет к снижению вязкости разрушения. Следовательно увеличение мелшлас-тинчатого расстояния более 0,15 мкм представляется нерациональным путем изменения структуры, так как при этом одновременно уменьшаются и трещиностойкоеть и предел текучести стали. ' Сложная связь между тревдностойкостыо и пределом текучести зтали со структурой перлита объясняется, главным сораьом, влия-

- 18 -ниєм дисперсности ферритных прослоек и цементитных пластин. Способность к деформации цементитных пластин Б конкретных условиях нагрукения определяется их толщиной. Чем тоньше карбиды, тем большую деформацию выдерживают они без обраеования .разрушающих трешин. Однако одновременно с уменьшением толщины цементитных пластин уменьшается и размер ферритного промежутка, т.е. увеличивается количество барьеров для движущихся дислокаций. Кроме того в деформируемом феррите возрастает плотность дислокаций, поскольку межфавные границы являются источниками их возникновения. Результатом отмеченного является увеличение предела текучести и снижение вязкости разрушения стали. Структура перлита с грубопластинчатым цементитом (t_u > 0,02...0,03 мкм) с позиций йлияиия на трещиностойкость также нежелательна, так как пластины карбидов будут разрушаться уже при незначительной пластической деформации. Кроме того на процесс разрушения стали с грубой структурой отрицательное влияние оказывает большая длина плоскостей скольжения в ферритных промежутках, Чем больше межпластинчатое расстояние в перлите, тем большее количество дислокаций скапливается вбливи пластин, а следовательно тем легче в головной части скопления возникает трещина. Таким образом совместное влияние перечисленных вше факторов обусловливает сложный характер связи между трещиностойкостыо и пределом текучести стали.

Механизм разрушения стали со структурой глобулярного перлита существенно отличается от разрушения пластинчатой, структуры. .. И отличии от пластинчатого в глобулярном'перлите, как правило, не происходит разрушение карбидов. Несплошности возникает в результате отслаивания частиц второй фазы от матрицы, обусловленного несоответствием механических свойств феррита и цементита. В' -условиях статического нагружения в холодном состоянии поры приобретают шарообразную форму. В процессе слияния этих микропустот возникает вязкий излом чашечного типа. Энергоемкость этого процесса значительно превышает затраты энергии на разрушение пластинчатой структуры. Поэтому уровень трещиност^йкостя стали со структурой глобулярного перлита в несколько раз выше трещинос-тойкости стали со структурой пластинчатого перлита.

Экспериментально установлено, что в стали У8 с цементитом глобулярной формы при уровне предела текучести более 700 МПа нуждается обычный характер связи между основными показателями конструктивной прочности, т.е. с ростом предела текучести трещи-

- 19 -ноетойкость стали снижается. При уменьшении предала текучести менее 700 МПа (т.е. при увеличении размеров карбидов более 0,13 мкм и межкарбидного расстояния Солее 0,26 мкм) трещиностонкость стали несколько снижается. Таким обравом структурное состояние, обеспечивающее низкую прочность стали (менее 700 МПа), не способствует росту конструктивной прочности. Одна ий причин такого поведения стали связана с тем, что вблизи грубих частиц цементита возникают крупные поры. Кроме того крупные частицы легче отслаиваются от матрицы,чем мелкие. Третья причина охрупчивания стали при образовании грубых глобулей состоит в том, что низкий уровень прочностных свойств стали обеспечивается структурой, основной особенностью которой является выделение наиболее крупных карбидов вдоль границ верен и субзерен а-фазы.

, Результаты статических испытаний имеют важное значение, однако не позволяют сделать однозначные выводы о поведении сталей со структурой перлита под нагрузкой. В этой связи в работе проведен анализ влияния структуры феррито-цементитных смесей на показатели ударной вязкости, усталостной и ударно-усталостной тре-щиностойкоети, контактно-усталостной прочности сталей. Для повышения стойкости сталей со структурой пластинчатого и глобулярного перлита в условиях действия жестко и нежестко закрепленных абразивных частиц необходимо увеличивать дисперсность ферритоце-ментитной смеси. Износостойкость стали со структурой пластинчатого перлита выше, чем стали со структурой глобулярного перлита. Холодная пластическая деформация, обеспечивая упрочнение феррит-ной составляющей пластинчатого перлита, приводит к дроблению и расщеплению цементлтных пластин. Противоположное влияние отмеченных факторов на характер разрушения не позволяет повысить износостойкость стали со структурой перлита при увеличении ее прочностных свойств путем холодной пластической деформации. В условиях усталостного и ударноусталостного напруження наиболее высокие показатели трещиностойкости обеспечивает структура глобулярного перлита. При контактноусталостном нагружеяии предпочтительна структура пластинчатого перлита. С целью повышения долговечности сталей в условиях контактноусталостного и ударноусталостного нагружения целесообразно увеличивать дисперсность цс-ментитной составляющей. Повышению долговечности стали в условиях ударноусталостных испытаний способствует измельчение субколоний пластинчатого перлита. Это обусловлено необходимостью частой

- EO -имени направления развивающейся трещины, поскольку предпочтительными местами распространения трещин в условиях ударнсуета-лостного нагружения являются границы между субколониями, колониями, пластинами феррита и цементита.

Четвертая и пятая главы представленной работы посвящены проблемам разработки эффективных технологических процессов термического и термопластического упрочнения, обеспечивающих получение высокого комплекса механических свойств сталей с гетеро-фазной структурой. В основу их разработки легли наиболее важные принципы . рационального -конструирования структуры материала, полученные при исследовании поведения сталей со структурой перлита в различных условиях внешнего-нагружения. В кратком виде они могут быть сформулированы следующим образом: ,

1. Размеры колоний и субколоний пластинчатого перлита должны быть минимальными (снижается опасность проявления локализации пластического течения в виде полос деформации); наиболее рационально образование субколоний с размерами менее 2...3 мкм.

2. С позиций обеспечения высокого комплекса механических свойств, в частности сочетания предела текучести и трещиностой-кости, наиболее нежелательна грубодисперсиая структура пластинчатого цементита (t_u > 0,02...0,03 мкм). Оптимальными параметрами дисперсности фаз перлита являются следующие: t» < 0,13 мкм, t_u < 0,02 мкм, h < 0,15 мкм.

3. При получении глобулярного перлита нерационально образо--вание глобулей размером более 0,1...0-,15 мкм (огрубление ферри-тоцементитной смеси ведет к падению уровня предела текучести и статической трешиностойкости).

4. С позиций повышения статической трещиностойкости сталей' предпочтительна структура с прерывистыми, 'несплошными цементит-нкмп выделениями (снижается вероятность локализации пластического течения в пределах узких полос деформации).

5. Структура глобулярного.перлита предпочтительнее пластинчатого с позиций обеспечения надежности изделий, В глобулярном перлн'.'с необходимо избегать образования существенно отличающихся по размерам глобулей цементита (процессы локализации деформации и разрушения в первую оч"редь развеваются вблизи наиболее крупних цементитных выделений).

0. с целью получения более однородной ферритоцементитной структуры необходимо избегать длительных выдержек сталей при

г 21 -температурах перлитного превращения (во избежание выделения наиболее крупных карбидов по границам верен и суеверен а--фазьи.

V. С позиций обеспечения нйдежности особо опасна структур; і перлита после холодной пластической деформации стали со степеня ми г ) 0,2...0,3 (происходит хрупкое разрушение карбидов, расщепление цементитных пластин на отдельные волокна, образуется полосы локализованного течения).

8. В условиях усталостного и ударноусталоетного разрушении наиболее высокие показатели трещиноетойкости обеспечивает структура глобулярного перлита. При кентактноусталостном нагружетш предпочтительна структура пластинчатого перлита. С целью повыше ния долговечности в условиях контактноусталостного и ударнсуита лостного нагружения целесообразно увеличивать дисперсность не-ментитной составляющей. Повышению долговечности сталей в условиях ударноустаяостных испытаний способствует измельчение колоний пластинчатого перлита,

9. С целью повышения стойкости сталей в условиях поверноот-ного разрушения абразивными частицами необходимо повышать дисперсность ферритоцементитной смеси. Холодная пластическая деформация не позволяет существенно повысить износостойкость перлита.

Рис. 4. Схема процесса регулируемого термопластического упрочнения і стали. А - размельчение зерна аустенита; Б - создание в мелком зерне субзеренной структуры; В - регулируемое охлаждение.

Естественно, что оптимальная структура стали, обеспечивающая наилучшие сочетания показателей прочности, надежности и долговечности, может быть сформирована лишь в том случае, если при ее создании будут учтены все основные особенности поведения материала в различных условиях нагружения. Анализ результатов проведенных исследований показал, что рациональны}.! способом воздействия на структуру образующегося из аустенита перлита является горячая пластическая деформация. Первый шаг на пути использования этого метода воздействия заключался' в разработке способа регулируемого термопластического упроч-

- 22 -нения (РТПУ) сталей со структурой перлита, в основе которого лежит идея тщательного управления структурным состоянием аустенита и режимами его последующего превращения (рис. 4). Технологический процесс способа РТПУ предусматривает обеспечение условий для ' измельчения аустенитных зерен и создания в них субзеренных построений. Это достигается путем комбинации двух заключительных обжатий в процессе горячей прокатки сталей. За счет управления температурно-временными параметрами и степенью горячей деформации в процессе РТПУ обеспечиваются условия насыщения аустенита дислокациями, развития рекристаллизационных процессов, перераспределения дислокаций и образования в измельченных зернах субзеренных построений.

Проведенные исследования показали, что для средне-и высокоуглеродистых сталей оптимальные параметры РТПУ находятся в пределах: температура конца прокатки Q00...950 С; предпоследнее обжатие со степенью єі - 20...40%; последеформационная пауза длительностью Х\ - 2...40с; окончательная деформация со степенью eg - 5...15%; превращение аустенита при 560..,630 С. При осуществлении изотермического распада аустенита в перлит основной эффект способа РТПУ заключается в увеличении по сравнению с обычной изотермической обработкой уровня статической трещинос-тойкости (на 15...35 X), что обусловлено измельчением субколоний. Влияния горячей пластической деформации на дисперсность ферритоцементигной смеси не обнаружено. Именно этим объясняется тот факт, что прочностные свойства стали со структурой перлита после горячей пластической деформации существенно не изменяются.

Результаты исследования процессов РТПУ в широком диапазоне . температур распада аустенита показали, что. наибольший прирост прочностных свойств, связанный с формированием оптимальной структуры и субструктуры аустенита, проявляется при осуществлении сдвигового механизма распада аустенита, .т.е. . при получении структур бейнита и мартенсита. Это обусловлено, вероятно, прямым наследованием бейнитом (в особенности нижним), и мартенситом дислокационной структуры, сформированной на заключительной стадии процесса горячей деформации.' Повышение прочностных свойств углеродистых сталей в процессе РТПУ имеет место также в случае последовательного распада аустенита в области температур мартенсит-ного и перлитного превращения. Так например на стали звтектоид-нсго состава прирост предела текучести, обусловленный проведени-

- 23 -ем регулируемого термопластического упрочнения, при получении смешанной структуры составляет 160... 00 Ш1а (при одинаковых значениях статической трещинастойкостн).

Эффективно управлять прочностными свойствами перлита можно, изменяя дислокационное состояние феррита. Установлено, что с позиций обеспечения наилучшего сочетания прочностных свойств и трещиностойкости перлита оптимальной является структура с субае-ренными построениями. Такая структура может быть сформирована в процессе теплой деформации стали, т.е. при температурах 650... 700 С. В соответствии с результатами проведенных исследований оптимальной степенью теплой деформации является обжатие на 10... 15% при 550...630 С. Ширина субзерен, образующихся в этих условиях, соответствует толщине ферритного промежутка tu, (-0,1...0.2 мкм), а длина составляет (2. ..2,5)t«,. При сочетании способа РТПУ с теплой деформацией предел текучести звгекгоидной стали возрастает по сравнению с обычной изотермической обработкой на 100...200 МПа, сохраняются на постоянном уровне статическая тре-щиностойкость и ударная вязкость, возрастает пороговый коэффициент интексивкоети напряжений Kth- Наиболее эффективно в условиях теплой деформации упрочняется сталь со структурой пластинчатого перлита. Дальнейшее повышение комплекса важнейших механических свойств сталей возможно лишь при использовании нетрадиционных подходов к проблеме конструирования структури материала.

Глава 5 посвящена разработке эффективных способов упрочнения сталей, основанных на получении смешанных гетерофазных структур. Необходимость разработки этих способов обусловлена относительно низким уровнем прочностных свойств сталей со структурой перлита. В этой связи, используя основные рекомендации по получению оптимальной структуры сталей, в работе предложен способ упрочнения, основанный на реализации незавершенного мартен-ситного превращения в сочетании с последующим распадом переохлажденного аустенита в перлитной области. Суть его заключается в том, что после аустенитизации при t_a (рис. 5а) сталь быстро охлаждается до температуры t_n, лежащей между точками М_н - М,_; и соответствующей образованию S5...50 % мартенсита (рис. 56). После выдержки длительностью т_п в данной среде сталь на время т._11Э помещают в изотермическую ванну с температурой t_Aa, соответствующей области перлитного превращения. В этих условиях оставшаяся часть переохлажденного аустенита превращается в перлит преиму-

Рис. Ь. Схемы образования структуры сталей со смешанным превращением аустенита. а - структура стали в аустенитном состоянии; б - образование марченситннх кристаллов в области температур между Щ и М_к; в - конечная структура после выдержки в перлитной области. Ил - пластинчатый перлит; П_г - глобулярный перлит; М₀ - продукты отпуска мартенситных кристаллов; С - участки с пластинчатыми и глобулярными карбидами; Ф - участки «-фазы, свободные от карбидов; К_г - карбиды, выделившиеся на границах «-фазы.

щественно глобулярной формы, а сформированный ранее мартенсит
частично отпускается (рис. 5в). Проведенные исследования показа
ли, что для стали У8 рациональна термообработка по следующему
режиму: t_a - 950 С, t_n - 180 С (оптимально 25...30 % мартенси
та), т„- 30 с, t_M3 - 550...700 С, Тиз - 20 с. Для стали Ст5 - .
t_a - 1000 С, t_n - 200 0 (оптимально 40...50 % мартенсита), т_п
-5с, t„₃ - 550...700 С, Т„з - 20 С.

Основные достоинства разработанного способа ваключаются в следующем. Во-первых, мартенситное Превращение осуществляется не- і полностью. При температуре подстуживания мартенситные кристаллы окружены пластичным аустенитом, что обеспечивает условия для релаксации закалочных напряжений. Во-вторых, Цементит имеет преимущественно глобулярную форму (60...70 % от всего объема образу-' юиейся карбидной фазы). И в третьих, в условиях кратковременной выдержки при Ьиз не происходит существенного' перераспределения углерода и выделения карбидов по границам эерен и субэерен сс-фа-1 .. предложенного способа упрочнения - на 100...150 МДж/м² т.е. на 20...30 7. выше по сравне-гиі" с традиционным улучшением. По сравнению же с изотермической 'раС'откой у стали СтГї наблюдается одновременный прирост проч-

- 5 -ностных свойств (примерно на 2GO Ша.) и статической треиишостой-кости (на 150 МДж/м²). Еще более высокий уровень конструктивной прочности обеспечивает РТПУ в сочетании с комбинированным превращением аустенита, что объясняется повышением дисперсности основных структурных составляющих сталей.

Развитием данного способа получения смешанной структуры стала разработка способа упрочнения сталей, основанного на сочетании мартенситного и бейнитного превращения переохлажденного аустенита. Его суть ваключается в том, что после ауотени-тизации стали производится резкое охлаждение, образование определенного количества мартенсита и последующий распад оставшегося аустенита в области бейнитного превращения. Эффективность разработанного способа упрочнения проверена на сталях У8, 40Х н 5ХВ2С, для которых экспериментально были определены оптимальные температур-но-временные параметры обработки. Основные достоинства этого способа заключаются в повышении ударноусталостной трещинисгой-кости сталей. Для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, работающих в условиях ударноусталостного нагружения, наиболее оптимальной является структура, состоящая ив 60 % нижнего бейни-та и 40 У, отпущенного мартенсита. По сравнению с изотермической закалкой и закалкой с последующим отпуском после обработки л комбинированным мартенситным и бейнитнын превращением аустенита скорость развития трещин при ударноустадостном нагружении сталей снижается в 1,5...2,5 раза. Таким образом разработанные способы термического и термопластического упрочнения позволяют существенно повысить комплекс важнейших механических свойств сталей, определяющих металлоемкость, надежность и долговечность изготовленных ив них изделий.

Похожие диссертации на Закономерности пластической деформации перлита и разработка эффективных процессов упрочнения сталей с гетерофазной структурой

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

Деформационное упрочнение и структура термоупрочненных низкоуглеродистых мартенситных сталейГребеньков Сергей Константинович

Структура и механические свойства высокоазотистых сталей, подвергнутых деформационному упрочнению и дисперсионному твердениюДубовик, Наталья Аркадьевна

Особенности структуры и свойства поверхностных слоев углеродистых сталей с плазменным упрочнением и наплавкой комплексно-легированным белым чугуномНефедьев, Сергей Павлович

Осебенности структуры и свойства поверхностных слоев углеродистых сталей с плазменным упрочнением и наплавкой комплексно - легированным белым чугуномНефедьев Сергей Павлович

Разработка расчетной методики прогнозирования структуры при лазерной закалке углеродистых сталей для выбора рациональных режимов упрочнения деталей машинЩербакова, Елена Анатольевна

Влияние химического состава и структуры низколегированных трубных сталей на закономерности сульфидной коррозииРыхлевская, Марина Станиславовна

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

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

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