ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Созданию низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС) предшествовала разработка мало или бесперлитных и бейнитных сталей. Обеим группам сталей для термообработки не требовалось жидких охлаждающих сред, а прочность была на уровне 400-600 МПа. Более высокой прочности соответствовала структура бейнита, но бейнитные стали имеют существенные недостатки, связанные с технологичностью и относительно невысокой вязкостью, т.к. сложно избежать при термообработке появления верхнего бейнита. Современные бейнитные стали имеют прочность на уровне 1500 МПа, но проблемы достижения требуемых характеристик надежности остаются. При отношении Cr/C больше 35 в вес. % (8 ат. %) бейнитное превращение в низкоуглеродистых сталях (0,04-0,1 % С) не наблюдают, и такие стали относят к НМС. В работе изучены стали, обозначенные 07Х3ГНМ, 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ. Цель работы. Определить состав, морфологию и механические свойства НМС с неметаллическими включениями. Оценить влияние структуры мартенсита на механические свойства НМС с сильными карбидообразующими элементами после полной закалки и из межкритического интервала (МКИ). Методы исследований. Для изучения структуры применяли микроскоп Olympus GX-51, растровый электронный микроскоп Tescan MIRA3 с приставкой, позволяющей проводить энергодисперсионный анализ. Тонкую структуру и морфологию фаз изучали просвечивающей и растровой электронной микроскопией. Для просвечивающей электронной микроскопии использовали фольги, полученные методом электрополировки. Образцы предварительно нарезали электроэрозионным станком на пластины размером 10 х 4 мм толщиной 0,2 - 0,3 мм. Далее проводили двухстороннее утонение на наждачных бумагах до толщины 0,05-0,06 мм. Электрополировку проводили при температурах близких к 0 ^оС, в электролите состава 80 % ледяной уксусной кислоты, 20 % хлорной кислоты. Тонкую структуру просматривали на микроскопах JEM 200CX и СМ 30 при ускоряющем напряжении до 200 кВ. Значение параметра I_С определяли в соответствии с ГОСТ 25. 506 - 85, по результатам испытаний на статический изгиб образцов с трещиной, тип 4, размерами 5х10х60 мм. Механические свойства при испытаниях на растяжение определяли по ГОСТ 1497-84, ударную вязкость – по ГОСТ 9454-78. Критические точки были установлены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии и подтверждены дилатометрическими исследованиями. Термообработка сталей включала закалку 950 °С, отпуск 250 °С в первом случае, и закалку из МКИ во втором. Результаты и обсуждение. Основными включениями НМС были оксиды алюминия, близкие к глобулярной форме оксиды FeO, MnO, SiО₂, и продолговатой формы сульфиды (FeS, MnS). В сталях с сильными карбидообразующими элементами карбиды содержали повышенное количество ниобия и ванадия. Исследования разрушения образцов со структурой низкоуглеродистого мартенсита, содержащего неметаллические включения показали, что основной причиной уменьшения вязкости при увеличении содержания углерода является рост доли пластинчатой составляющей. При построении модели разрушения сталей с реечно-пластинчатой структурой мартенсита исходили из аддитивного вклада в прочность различных морфологических форм мартенсита и ведущей роли в инициировании разрушения непроницаемых для дислокаций границ раздела пластинчатой составляющей.

1. Клейнер Л.М. Низкоуглеродистые мартенситные стали / Пермский государственный технический университет. – Пермь: ПГТУ, 1997. – 71 с.

2. Formation of structure and properties of carbide-free bainite in steel 30KHGSA / D.O. Panov, Yu.N. Simonov, P.A. Leont’ev, M.N. Georgiev, A.Yu. Kaletin // Metal Science and Heat Treatment. – 2016. – Vol. 58, iss. 1–2. – P. 71–75.

3. Formation of structure of lower carbide-free bainite due to isothermal treatment of steels of type’s KH3G3MFS and KHN3MFS / Yu.N. Simonov, M.Yu. Simonov, D.O. Panov, V.P. Vylezhnev, A.Yu. Kaletin // Metal Science and Heat Treatment. – 2016. – Vol. 58, iss. 1–2. – P. 61–70.

4. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.

5. Агбоола О.Ф. Изучение и оптимизация типа и морфологии неметаллических включений в низколегированных высокопрочных сталях: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 2004. – 18 с.

6. Бельченко Г.М., Губенко С.И. Неметаллические включения и качество стали. – Киев: Техника, 1980. – 168 с.

7. Куслицкий А.Б. Неметаллические включения и усталость стали. – Киев: Техника, 1976. – 128 с.

8. Advancement of the properties of structural steels by creating an optimum form of existence of impurities and nonmetallic inclusions / A.I. Zaitsev, A.B. Stepanov, N.A. Karamysheva, I.G. Rodionova // Metal Science and Heat Treatment. – 2016. – Vol. 57, iss. 9–10. – P. 531–538.

9. Effect of microstructure and segregation of elements on the impact toughness of high-strength low-carbon bainitic steel / D. Minxian, P. Huaxia, T. Hongbin, S. Li, O. Ling // Metal Science and Heat Treatment. – 2016. – Vol. 58, iss. 3–4. – P. 138–141.

10. Microstructure and mechanical properties of a thick-section high-strength steel welded joint by novel double-sided hybrid fibre laser-arc welding / Y. Chen, J. Feng, L. Li, S. Chang // Materials Science & Engineering A. – 2013. – Vol. 582. – P. 284–293.

11. Сталь на рубеже столетий / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. – М.: МИСиС, 2001. – 664 с.

12. Firth K., Garwood R.D. Fractography and fracture toughness of 5% Cr-Mo-V ultrahigh strength steels // Fracture Toughness of High-Strength Materials: Theory and Practice. – London: Iron and Steel Institute, 1970. – P. 81–89.

13. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. – М.: Металлургия, 1977. – 359 с.

14. Ицкович Г.М. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений. – М.: Металлургия, 1981. – 296 с.

15. Одесский П.Д., Ведяков И.И., Горпинченко В.М. Предотвращение хрупких разрушений металлических строительных конструкций. – М.: СП Интермет Инжиниринг, 1998. – 219 с.

16. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разрушения. – М.: Металлургия, 1979. – 279 с.

17. Krafft J.М. Crack toughness and strain hardening of steels // Applied Materials Research. – 1964. – Vol. 3. – P. 88–101.

18. Скороходов В.Н., Одесский П.Д., Рудченко А.В. Строительная сталь. – М.: Металлургиздат, 2002. – 622 с. – ISBN 5-902194-02-4.

19. Knott J.F. Fundamentals of fracture mechanics. – New York: Wiley, 1973. – 273 p.

20. Verma D.K., Berry J.T. Microstructural and macrostructural modeling of the fracture behavior of pearlitik gray irons // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1982. – Vol. 104. – P. 262–266.

21. Fracture: an advanced treatise. Vol. 3. Engineering fundamentals and environmental effects / ed. by H. Liebowitz. – New York: Academic Press, 1971. – 753 p.

22. Formation of grain and lath structure in low-carbon martensitic steels by heat cycling / I.V. Ryaposov, L.M. Kleiner, A.A. Shatsov, E.A. Noskova // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, iss. 9–10. – P. 435–441.

23. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э.В. Козлов, Н.А. Попова, О.В. Кабанина, С.И. Климашин, В.Е. Громов. – Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. – 177 с.

24. Structure, phase transformations, mechanical characteristics, and cold resistance of low–carbon martensitic steels / V.A. Kozvonin, A.A. Shatsov, I.V. Ryaposov, M.G. Zakirova, K.N. Generalova // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117, N 8. – P. 834–842.