ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Перспективная сталь 10Х3Г3МФС (С = 0,1; Mn = 2,51; Cr = 2,75; Mo = 0,40; V = 0,12; Si = 1,25), разработанная для нефтедобывающего машиностроения, обладает хорошей технологичностью и прочностными характеристиками, однако уровень ударной вязкости после традиционных режимов термической обработки находится на достаточно низком уровне. Статья посвящена исследованию возможностей формирования метастабильных структурных состояний при межкритической закалке стали 10Х3Г3МФС для повышения уровня ударной вязкости при сохранении прочностных характеристик. Предметом исследования являются процессы структурообразования в исследуемой стали при нагреве в межкритический интервал температур с последующей закалкой. Целью данной работы служит изучение возможностей управления структурой и свойствами стали 10Х3Г3МФС с использованием изотермической аустенитизации в МКИТ с получением дисперсной структуры. Методы. При исследованиях использовали дилатометрический анализ с применением закалочного дилатометра Linseis R.I.T.A. L78, металлографический анализ с использованием светового инвертированного микроскопа OLYMPUS GX 51 и электронно-микроскопический с применнеием просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai 20 G2 TWIN. Испытания на одноосное растяжение проводили с использованием универсальной гидравлической системы для статических испытаний INSTRON-SATEC 300 LX, ударную вязкость определяли на маятниковом копре КМ-30 с последующим фрактографическим анализом на световом микроскопе Olympus SZX-16 и растровом электронном микроскопе Hitachi S-3400N. Результаты и обсуждения. По результатам исследования процесса непрерывного нагрева исследуемой стали построена термокинетическая диаграмма образования аустенита с обозначением критических точек А_С1 и А_С3. Установлено, что с увеличением скорости нагрева происходит снижение критической температуры А_С1 и повышение А_С3. Исследование процесса изотермической аустенитизации показало, что при температуре 710 °С образуется 27 % γ-фазы, при 750 °С – 59 % γ-фазы, при 800 °С – 76 % γ-фазы, а в процессе выдержки при 860 °С происходит полная аустенитизация с получением 100 % γ-фазы. Обнаружено, что при увеличении температуры изотермической выдержки доля атермического аустенита возрастает, а изотермического – снижается. Построена изотермическая диаграмма образования аустенита исходно закаленной стали 10Х3Г3МФС. Изучение процесса структурообразования стали 10Х3Г3МФС выявило, что в процессе аустенитизации при 715 °С развивается первая стадия образования аустенита по границам бывших аустенитных зерен и мартенситных пакетов. Увеличение температуры аустенитизации до 750 °С приводит к развитию второй стадии аустенитизации по границам мартенситных реек. При температуре 800 °С вторая стадия получает дальнейшее развитие, что после закалки приводит к формированию мартенситного каркаса по межреечным границам исходной α-фазы. Данные прослойки исходной α-фазы фрагментированы дислокационными границами и упрочнены небольшим количеством карбидных частиц. В мартенситном каркасе присутствуют тонкие прослойки остаточного аустенита. Встречаются свежезакаленные области полиэдрической формы, которые сформировались на границах зерен исходного аустенита или границах исходных пакетов. Увеличение температуры нагрева до 860 °С вызывает завершение процесса a→γ-превращения в процессе выдержки, что при охлаждении в результате закалки приводит к получению структуры пакетного мартенсита, в котором встречаются двойники. По результатам испытания характеристик прочности и пластичности установлено, что закалка из МКИТ начиная с температуры 800 °С приводит к небольшому снижению временного сопротивления (на 8 %), однако предел текучести практически не уменьшается. Относительное удлинение остается на уровне исходно закаленной стали, а относительное сужение заметно увеличивается (с 54 до 60 %). Существенно, более чем на 70 %, возрастает уровень ударной вязкости КСТ исследуемой стали (до 0,76 МДж/м²). По данным микрофрактографического анализа образцы после динамических испытаний разрушаются по вязкому механизму. Полученный режим термической обработки позволяет повысить уровень ударной вязкости исследуемой стали без потери в прочности изделий любых габаритных размеров для нефтедобывающего машиностроения.

1. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. – М.: Металлургия, 1973. – 205 с.

2. Липчин Н.Н., Коковякина С.А. Структурный механизм превращений при нагреве стали // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1970. – № 9. – С. 2–7.

3. Счастливцев В.М., Копцева Н.В. Электронно-микроскопические исследования аустенита при нагреве конструкционной стали // Физика металлов и металловедение. – 1976. – Т. 42, № 4. – С. 837–847.

4. Zel'dovich V.I. Three mechanisms of formation of austenite and inheritance of structure in iron alloys // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, вып. 9–10. – P. 442–448. – doi: 10.1007/s11041-009-9082-3.

5. Лазерный нагрев и структура стали: атлас микроструктур / В.Д. Садовский, В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева. – Свердловск: Уральский рабочий, 1989. – 102 с.

6. Бернштейн Л.М., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. – М.: МИСИС, 1997. – 336 с.

7. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Двухфазные низколегированные стали. – М.: Металлургия, 1986. – 207 с.

8. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкарев, В.И. Труфилов. – Киев: Наукова думка, 1973. – 335 с.

9. Критические точки при быстром нагреве деформированной стали / В.Н. Гриднев, О.М. Ивасишин, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкадеров // Металлофизика. – 1975. – Вып. 61. – С. 98–100.

10. Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. – М.: Металлургия, 1982. – 128 с.

11. Горностырев Ю.Н. Микроскопические механизмы гетерогенного зарождения новой фазы при полиморфном ГЦК–ОЦК-превращении // Фазовые и структурные превращения в сталях: сборник научных трудов. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. дома печати, 2008. – С. 31–57.

12. Structure formation in low-alloy pipe steel during heating in the intercritical temperature range / A.N. Makovetskii, T.I. Tabatchikova, I.L. Yakovleva, N.A. Tereshchenko, D.A. Mirzaev // The Physics of Metals and Metallography. – 2012. – Vol. 113, iss. 7. – P. 704–715. – doi: 10.1134/S0031918X12070083.

13. Formation of the structure and properties of a low-carbon martensitic steel 12KH2G2NMFT upon quenching / S.S. Yugai, L.M. Kleiner, A.A. Shatsov, N.N. Mitrokhovich // The Physics of Metals and Metallography. – 2004. – Vol. 97, N 1. – P. 98–103.

14. Huang J., Poole W.J., Militzer M. Austenite formation during intercritical annealing / // Мetallurgical and Materials Transactions A. – 2004. – Vol. 35, iss. 11. – Р. 3363–3375. – doi: 10.1007/s11661-004-0173-x.

15. In-situ determination of austenite and martensite formation in 13Cr6Ni2Mo supermartensitic stainless steel / A. Bojack, L. Zhao, P.F. Morris, J. Sietsma // Materials Characterization. – 2012. – Vol. 71. – Р. 77–86. – doi: 10.1016/j.matchar.2012.06.004.

16. Chang M., Yu H. Kinetics of bainite-to-austenite transformation during continuous reheating in low carbon microalloyed steel // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2013. – Vol. 20, iss. 5. P. – 427–432. – doi: 10.1007/s12613-013-0746-z.

17. Growth of austenite from as-quenched martensite during intercritical annealing in an Fe–0.1C–3Mn–1.5Si alloy / R. Wei, M. Enomoto, R. Hadian, H.S. Zurob, G.R. Purdy // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 2. – Р. 697–707. – doi: 10.1016/j.actamat.2012.10.019.

18. Effect of heating rate on ferrite recrystallization and austenite formation of cold-roll dual phase steel / P. Li, J. Li, Q. Meng, W. Hu, D. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 578. – Р. 320–327. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.05.226.

19. Effect of initial microstructure on austenite formation kinetics in high-strength experimental microalloyed steels / E. López-Martínez, O. Vázquez-Gómez, H.J. Vergara-Hernández, B. Campillo // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2015. – Vol. 22, iss. 12. – P. 1304–1311. – doi: 10.1007/s12613-015-1198-4.

20. Патент 2532628 Российская Федерация, МПК C 22 C 38/38. Сталь для изготовления изделий с повышенной прокаливаемостью / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов, Г.С. Шайманов, Д.П. Подузов. – № 2013113589/02; заявл. 26.03.2013; опубл. 10.11.2014, Бюл. № 31.

21. Recrystallization and formation of austenite in deformed lath martensitic structure of low carbon steels / M. Tokizane, N. Matsumura, K. Tsuzaki, T. Maki, I. Tamura // Metallurgical Transactions A. – 1982. – Vol. 13, iss. 8. – Р. 1379–1388. – doi: 10.1007/BF02642875.

22. Stages of austenitization of cold-worked low-carbon steel in intercritical temperature range / D.O. Panov, Y.N. Simonov, L.V. Spivak, A.I. Smirnov // The Physics of Metals and Metallography. – 2015. – Vol. 116, N 8. – P. 802–809. – doi: 10.1134/S0031918X15080128.

23. Патент 2561315 Российская Федерация, МПК G 01 N 25/02. Способ определения температур фазовых превращений в металлических материалах / Ю.Н. Симонов, Д.О. Панов. – № 2014120830/28; заявл. 22.05.2014; опубл. 27.08.2015, Бюл. № 24.