Том 24 № 1 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кузнецов В.П., Макаров А.В., Скоробогатов А.С., Скорынина П.А., Лучко С.Н., Сирош В.А., Чекан Н.М. Влияние нормальной силы на сглаживание и упрочнение поверхностного слоя стали 03Х16Н15М3Т1 при сухом алмазном выглаживании сферическим индентором........................................ 6 Губин Д.С., Кисель А.Г. Расчет температур при чистовом фрезеровании жаропрочного сплава марки ХН56ВМКЮ-ВД................................................................................................................................................ 23 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Братан С.М., Рощупкин С.И., Часовитина А.С., Гупта К. Влияние на вероятность удаления материала относительных вибраций абразивного инструмента и заготовки при чистовом шлифовании....... 33 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Озолин А.В., Соколов Е.Г. Влияние механической активации порошка вольфрама на структуру и свойства спеченного материала Sn-Cu-Co-W............................................................................................. 48 Коробов Ю.С., Алван Х.Л., Макаров А.В., Кукареко В.А., Сирош В.А., Филиппов М.А., Эстемирова С.Х. Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности................................................................................................................................. 61 Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф, Перегудов А.А., Баранов И.В., Мартюшев Н.В. Влияние степени деформации в условиях низких температур на превращения и свойства метастабильных аустенитных сталей.................................................................................................................................................................. 73 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом.......................................................................... 87 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 103 Подготовка аннотации ...................................................................................................................................... 107 Правила для авторов ......................................................................................................................................... 111 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 119 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 02.03.2022. Выход в свет 15.03.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 5. Заказ 100. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 1 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 23 No. 2 2021 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuznetsov V.P., Makarov A.V., Skorobogatov A.S., Skorynina P.A., Luchko S.N., Sirosh V.A., Chekan N.M. Normal force infl uence on smoothing and hardening of steel 03Cr16Ni15Mo3Ti1 surface layer during dry diamond burnishing with spherical indenter............................................................................ 6 Gubin D.S., Kisel’A.G. Calculation of temperatures during fi nishing milling of a nickel based alloys.......... 23 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Bratan S.M., Roshchupkin S.I., Chasovitina A.S., Gupta K. The effect of the relative vibrations of the abrasive tool and the workpiece on the probability of material removing during fi nishing grinding................. 33 MATERIAL SCIENCE OzolinA.V., Sokolov E.G. Effect of mechanical activation of tungsten powder on the structure and properties of the sintered Sn-Cu-Co-W material................................................................................................................. 48 Korobov Yu.S., Alwan H.L., Makarov A.V., Kukareko V.A., Sirosh V.A., Filippov M.A., Estemirova S. Kh. Comparative study of cavitation erosion resistance of austenitic steels with different levels of metastability................................................................................................................................................... 61 Vologzanina S.A., IgolkinA.F., PeregudovA.A., Baranov I.V., Martyushev N.V. Effect of the deformation degree at low temperatures on the phase transformations and properties of metastable austenitic steels.......... 73 Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Investigation of the structural-phase state and mechanical properties of ZrCrN coatings obtained by plasma-assisted vacuum arc evaporation..................................................................... 87 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 103 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 73 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние степени деформации в условиях низких температур на превращения и свойства метастабильных аустенитных сталей Светлана Вологжанина 1, a,*, Алексей Иголкин 2, b, Алексей Перегудов3, c, Игорь Баранов 2, d, Никита Мартюшев 4, e 1 Санкт-Петербургский горный университет, Васильевский остров, 21 линия, 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия 2 Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49, Санкт-Петербург, 197101, Россия 3 ГУП «Петербургский метрополитен», Московский пр., 28, Санкт-Петербург, 190013, Россия 4 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия a https://orcid.org/0000-0001-7675-865X, svet_spb@mail.ru , b https://orcid.org/0000-0001-8287-1851, igolkin47@mail.ru, с https://orcid.org/0000-0002-1273-0743, mikki435@gmail.com, d https://orcid.org/0000-0003-0595-368X, ivbaranov@itmo.ru, e https://orcid.org/0000-0003-0620-9561, martjushev@tpu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 1 с. 73–86 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-73-86 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.1.017 История статьи: Поступила: 30 декабря 2021 Рецензирование: 21 января 2022 Принята к печати: 15 февраля 2022 Доступно онлайн: 15 марта 2022 Ключевые слова: Метастабильная аустенитная сталь Низкие температуры Фазово-структурные превращения Скорость деформации Мартенсит охлаждения Механические свойства АННОТАЦИЯ Введение. Для надежной работы низкотемпературного оборудования необходимо применение материалов, способных обеспечить работоспособность в широком температурном интервале в условиях знакопеременных нагрузок, воздействия коррозионных сред и т.п. Чаще всего в таких случаях применяют метастабильные аустенитные стали (МАС) различных систем легирования. К настоящему времени мало данных о поведении таких материалов в условиях низких температур, включая фазово-структурные превращения, особенности таких превращений в разных температурных зонах, в том числе при приложении нагрузки как статической, так и динамической. Предметом исследования в данной работе выбраны МАС марок 10Х14АГ20 и 10Х14Г14Н4Т. Цель работы – оценить работоспособность промышленно применяемых МАС для возможного их применения взамен стали 12Х18Н10Т. Методика исследований. Фазовый состав образцов исследовали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.0. Механические испытания проводили в интервале температур от +20 до –196 °С. Испытания на статическое одноосное растяжение проводили по ГОСТ 11150–75, испытания на динамический изгиб – по ГОСТ 9454–78. Результаты работы. На основании полученных данных установлено, что повышение скорости деформации при низких температурах способствует снижению количества мартенситных фаз в исследуемых сталях. Выявлено, что способность к упрочнению при упругопластическом деформировании уменьшается и исчезает при температуре перехода материала в хрупкое состояние. Показано, что увеличение скорости низкотемпературной деформации образцов препятствует развитию в сталях фазовых мартенситных превращений. Область применения. Полученные результаты могут быть рекомендованы к применению при выборе материалов для изготовления оборудования, эксплуатируемого при температурах до –196 °С. Выводы. Показано, что полученные значения характеристик механических свойств позволяют рекомендовать исследованные МАС в качестве заменителя стали 12Х18Н10Т вплоть до температуры -196 °С. Для цитирования: Влияние степени деформации в условиях низких температур на превращения и свойства метастабильных аустенитных сталей / С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин, А.А. Перегудов, И.В. Баранов, Н.В. Мартюшев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 73–86. – DOI:10.17212/1994-6309-2022-24.1-73-86. ______ *Адрес для переписки Вологжанина Светлана Антониновна, д.т.н., профессор Санкт-Петербургский горный университет, Васильевский остров, 21 линия, 2, 199106, Санкт-Петербург, Россия Тел.: +79213491682, e-mail: svet_spb@mail.ru Введение Низкотемпературная техника широко применяется в самых различных отраслях промышленности: металлургия, химия, ракетостроение, энергетика и многих других. В последние годы активно развиваются такие отрасли, как криобиология, криомедицина, криоэнергетика, в которых необходимо использовать оборудование, способное обеспечивать работоспособность до температур, близких к абсолютному нулю [1–9]. Для такого оборудования необходимо использовать материалы, способствующие работоспособности в условиях низких температур. К ним предъявляют особые требования по со-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 74 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ четанию характеристик прочности, вязкости и пластичности, коррозионной стойкости, устойчивости к разрушению при резких изменениях температуры и скоростях приложения нагрузки [1–4]. Кроме того, следует учитывать особенности изготовления оборудования: в ряде случаев необходимо изготовление деталей литьем, достаточно часто применяется обработка материалов давлением, важно учитывать применение сварочных технологий в процессе сборки [4]. Чаще всего для изготовления низкотемпературного оборудования применяют метастабильные аустенитные стали различных систем легирования. Несмотря на достаточный опыт применения таких материалов, к настоящему времени не накоплена база данных об их поведении в условиях низких температур, включая фазово-структурные превращения, особенности таких превращений в разных температурных зонах, в том числе при приложении нагрузки как статической, так и динамической. Недостаточно информации о влиянии концентраторов напряжений, которые всегда возникают в деталях оборудования на разных этапах его изготовления, на изменения физико-механических свойств метастабильных аустенитных сталей [1–3, 5–20]. Для заключения о возможности использования материалов при низких, а также криогенных температурах необходимо проведение исследований по оценке изменения структуры и комплекса свойств сталей в ходе охлаждения, в том числе при резких перепадах температур, например, в процессе заполнения емкостей жидким криопродуктом. Анализ структуры и свойств материалов после длительной эксплуатации низкотемпературного оборудования позволил сделать заключение, что традиционно применяемый комплекс исследований для выбора материала, как правило, является недостаточным и не может гарантировать надежную эксплуатацию установок. Это связано с тем, что многочисленные технологические разогревы в ходе длительной эксплуатации могут приводить к изменениям фазово-структурного состава. Это, в свою очередь, может стать причиной нештатных ситуаций и приводить к преждевременным разрушениям низкотемпературного оборудования, например емкостей и трубопроводов [5, 21–24]. В связи с этим важным является вопрос получения информации об изменении фазово-структурного состояния и механических характеристик, традиционно применяемых в низкотемпературной технике метастабильных аустенитных сталей. Накопленные сведения по поведению материалов позволят дать уточнения по рекомендациям при выборе материала для низкотемпературного, в том числе криогенного оборудования, а также его надежности в ходе длительной эксплуатации. Цель исследования – оценить работоспособность промышленно применяемых метастабильных аустенитных сталей (далее МАС) для возможного их применения взамен стали 12Х18Н10Т. Задачи исследования: • оценить совместное влияние низких температур и деформаций на процессы фазово-структурных превращений в метастабильных аустенитных сталях различных систем легирования; • исследовать влияние способа изготовления (литое или деформированное состояние), наличия концентраторов напряжений, скорости приложения нагрузки и изменения температур на комплекс свойств аустенитных сталей; • дать заключение о возможности замены традиционно применяемой стали 12Х18Н10Т для изготовления оборудования низкотемпературной, в том числе криогенной техники. Методика исследований В качестве объектов исследования были выбраны традиционно применяемые метастабильные аустенитные стали Cr-Ni-Mn и Cr-N-Mn систем легирования. Химический состав промышленных плавок исследуемых сталей приведен в таблице. Состав определяли рентгеноспектральным методом. Стали выплавляли в индукционной сталеплавильной. Полученные слитки проковывали на заготовки сечением 30×40 мм и диаметром 20 мм. Температуру ковки выбрали 1000…1250 °С. Полученные заготовки подвергали термической обработке, состоящей из аустенитизации для стали 10Х14АГ20 при температуре 900…950 °С и 1000…1050 °С – для стали 10Х14Г14Н4Т, охлаждение осуществляли в воде. На рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.0 исследовали фазовый состав образцов. Механические испытания проводили в интервале темпе-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 75 MATERIAL SCIENCE Химический состав сталей 10Х14АГ20, 10Х14Г14Н4Т Chemical composition of steels 10Cr14NMn20, 10Cr14Mn14Ni4Ti Марка стали / Steel grade Химический элемент, масс. % / Chemical element, wt. % C Si Mn Ni S P Cr N Ti Cu 10Х14АГ20 / 10Cr14NMn20 0,10 0,5 20,3 – 0,011 0,012 14,8 0,3 0,45 – 10Х14Г14Н4Т / 10Cr14Mn14Ni4Ti 0,10 0,7 14,9 – 0,019 0,020 14,6 – 0,23 – ратур от +20 до –196 °С. На разрывной машине Р-20 образцы сталей испытывали на статическое одноосное растяжение, для чего применяли цилиндрические образцы с резьбовыми головками по ГОСТ 11150–84 «Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах», а также образцы с кольцевым надрезом. На маятниковом копре проводились испытания на динамический изгиб с применением образцов по ГОСТ 9454–78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах». Результаты и их обсуждение Известно, что в метастабильных аустенитных сталях возможно протекание фазовых превращений в процессе изготовления изделий с применением ковки, штамповки и других видов воздействия, а также в ходе эксплуатации в условиях динамического нагружения при низких температурах. С учетом степени ответственности низкотемпературного оборудования был проведен комплекс исследований для определения зависимости мартенситных превращений в промышленно применяемых метастабильных аустенитных сталях 10Х14АГ20 и 10Х14Г14Н4Т от скорости деформации и температуры испытания. В процессе проведения оценки фазовых превращений, происходящих под воздействием низких температур и деформаций в стали 10Х14АГ20 при разных скоростях деформирования, было выявлено следующее. При деформации стали 10Х14АГ20 при 20 °С со скоростью = = 0,34 · 10–4с–1 ε-мартенсит образуется сразу же. В то же время увеличение скорости до = = 0,34 · 10–1с–1 вызывает образование ε-мартенсита только после деформации на 25 %, а при скорости, равной = 0,34 · 102с–1, твердый раствор остается стабильным вплоть до разрушения образцов (рис. 1). Рис. 1. Зависимость мартенситных превращений в стали 10Х14АГ20 от скорости деформации при температуре испытания 20 °С Fig. 1. Dependence of martensitic transformations in steel 10Cr14NMn20 on the strain rate at a test temperature of 20 °C Понижение температуры испытания до –100 °С и далее до –196 °С сопровождается появлением α-мартенсита. Характерно, что при –100 °С α-мартенсит появляется после 10…15 % деформации, а его количество увеличивается при дальнейшей деформации. Количество ε-мартенсита в этих условиях сначала увеличивается, а затем уменьшается (рис. 2). Это может свидетельствовать о том, что фазовые превращения идут в последовательности γ→ε→α. Характерным является также то, что увеличение скорости в 103 раз уменьшает степень распада γ-твердого раствора. Мартенситные превращения γ-твердого раствора при –196 °С и тех же скоростях происхо-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 76 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ дят аналогично, как при –100 °С, за исключением того, что наблюдается совместное появление ε- и α-мартенсита (рис. 3). Таким образом, установлено, что увеличение скорости деформации снижает степень превраРис. 3. Зависимость мартенситных превращений в стали 10Х14АГ20 от скорости деформации при температуре испытания –196 °С Fig. 3. Dependence of martensitic transformations in steel 10Cr14NMn20 on the strain rate at a test temperature of –196 °С щения аустенита в мартенсит и не влияет на его кинетику. При проведении оценки фазовых превращений, происходящих под воздействием низких температур и деформаций в стали 10Х14Г14Н4Т при разных скоростях деформирования, было выявлено следующее. В результате охлаждения ниже 20 °С появляются две мартенситные фазы α- и ε-мартенсит охлаждения. По мере снижения температуры количество этих фаз увеличивается, однако не превышает 12 % для ε-мартенсита и 8 % – для α-мартенсита (рис. 4). При низкотемпературной деформации стали 10Х14Г14Н4Т по мере понижения температуры количество аустенита и ε-мартенсита уменьшается, а α-мартенсита увеличивается. Следует отметить, что в температурном интервале деформации от 20 до –100 °С интенсивность образования α-мартенсита невелика и, по-видимому, в этом температурном диапазоне превращение происходит по схеме γ→ε→α, а при дальнейшем понижении температуры количество α-фазы резко возрастает. С повышением скорости деформации уменьшается превращение аустенита в мартенсит (рис. 5). Показано, что уменьшение количества вторичных структурных α- и ε-фаз с увеличением Рис. 2. Зависимость мартенситных превращений в стали 10Х14АГ20 от скорости деформации при температуре испытания –100 °С Fig. 2. Dependence of martensitic transformations in steel 10Cr14NMn20 on the strain rate at a test temperature of –100 °С
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 77 MATERIAL SCIENCE скорости деформации метастабильных аустенитных сталей может быть связано с разогревом образцов. Авторами [4, 13–17] было показано, что высокоскоростная деформация приводит к резкому повышению температуры на плоскостях сдвига. Области высокотемпературного разогрева, как правило, группируются в тонких слоях сдвига, в результате чего соседние зоны нагреваются медленно. Из этого следует, что снижение количества мартенситных фаз, связанное с увеличением скорости деформации, можно объяснить увеличением температуры образцов за счет теплоты, выделяющейся в процессе деформации. В то же время повышение доли α-фазы при увеличении скорости деформации может быть связано с тем, что растяжение образцов производили в изотермических условиях. Таким образом, при изотермическом растяжении увеличение скорости деформации приводит к повышению доли образующегося α- мартенсита, а при возникающем нагреве образца препятствует образованию вторичных структурных фаз. В данной работе проведена оценка влияния низких температур и концентраторов напряжений на величину значений временного сопротивления исследуемых сталей в деформированном и литом состоянии. Установлено, что с понижением температуры величина временного сопротивления повышается. Концентрация напряжений, вызванная кольцевым надрезом, привела к более существенному повышению характеристик временного сопротивления, особенно при снижении температуры. Необходимо отметить, что исследуемые стали выгодно отличаются от традиционно применяемой 12Х18Н10Т [4] более высоким уровнем временного сопротивления во всем температурном диапазоне. Кроме того, сравнение свойств литого и деформированного состояния показало, что в деформированном состоянии обе стали имеют более высокие значения временного сопротивления (рис. 6). В настоящей работе проведена оценка влияния низких температур и концентраторов напряжений на величину значений предела текучести исследуемых сталей в деформированном и литом состоянии. Из проведенных исследований видно, что с понижением температуры величина временного сопротивления повышается. Концентрация напряжений, вызванная кольцевым надрезом, привела к более существенному повышению характеристик предела текучести, особенно при снижении температуры. Необходимо отметить, что исследуемые стали выгодно отличаются от 12Х18Н10Т более высоким уровнем предела текучести, а также то, что стали в деформированном состоянии имеют более высокие значения предела текучести (рис. 7). Рис. 4. Зависимость мартенситных превра щений в стали 10Х14АГ20 от температуры испытания Fig. 4. Dependence of martensitic transformations in steel 10Cr14Mn14Ti on test temperature Рис. 5. Зависимость мартенситных превращений в стали 10Х14Г14Н4Т от скорости деформации при температуре испытания –196 °С Fig. 5. Dependence of martensitic transformations in steel 10Cr14Mn14Ni4Ti on the strain rate at a test temperature of –196 °C
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 78 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 6. Влияние низких температур и наличия концентраторов напряжения на величину значений временного сопротивления сталей: а – 12Х18Н10Т [4]; б – 10Х14АГ20; в – 10Х14Г14Н4Т Fig. 6. The infl uence of low temperatures and the presence of stress concentrators on the value of the ultimate strength of steels: a – 12Cr18Ni10Ti [4]; б – 10Cr14NMn20; в – 10Cr14Mn14Ni4Ti Кроме этого в работе проведена оценка влияния низких температур и концентраторов напряжений на величину относительного сужения исследуемых сталей в деформированном и литом состоянии. Значение относительного сужения на образцах с надрезом существенно ниже, чем без него. Известно [4], что надрез затрудняет развитие пластической деформации, начинающейся у его вершины, так как доля касательных напряжений резко убывает от надреза к центру образца. Влияние острого глубокого надреза проявляется для всех сталей, независимо от уровня их прочности, типа кристаллической решетки, вязкости и пластичности. а б в
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1