книги / Наноструктурные стали

УДК 669.1.017 Н25

Авторы:

Д.О. Панов (введение, гл. 1, подразд. 2.1–2.3); Ю.Н. Симонов (введение, подразд. 2.1–2.3);

А.Н. Балахнин (подразд. 2.2); А.С. Перцев (подразд. 2.2); Е.Н. Орлова (подразд. 2.3)

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент О.В. Силина (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук С.С. Югай (ОАО «Моторостроитель», г. Пермь)

Наноструктурные стали : учеб. пособие / Д.О. Панов, Н25 Ю.Н. Симонов, А.Н. Балахнин, А.C. Перцев, Е.Н. Орлова. – Пермь :

Изд-воПерм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 71 с.

ISBN 978-5-398-01105-0

Приведены результаты комплексных научных исследований эволюции структуры и механических свойств конструкционных сталей. Рассмотрены вопросы диспергирования структуры низкоуглеродистых сталей до наноуровня с использованием методов термической и термоциклической обработки.

Будет полезно при изучении дисциплин «Теория термической обработки», «Технология термического производства», и «Физика прочности и механические испытания» для бакалаврантов и магистрантов очной и заочной формы обучения по специальности «Материаловедение и технология термической обработки сталей и высокопрочных сплавов».

УДК 669.1.017

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее высокого уровня характеристик механических свойств конструкционных сталей для изготовления ответственных изделий возможно достичь в случае получения состояния с высокой плотностью дефектов кристаллического строения, таких как дислокации, границы зерен и субзерен, при этом нужно стремиться получить структуру, однородную по форме и размерам составляющих ее элементов.

Большинство методов получения высокопрочного состояния или повышения плотности дефектов кристаллического строения в современных материалах основано на реализации в них ряда неравновесных состояний [1] – аморфного состояния, высокого уровня напряжений первого, второго или третьего рода, которые образуются при пластическом, фазовом или термическом наклепе. Такие состояния достигаются в процессе механического воздействия, термического воздействия или при совмещении этих операций. Чем более неравновесное состояние при обработке механическим

и(или) термическим воздействием конструкционной стали для изготовления ответственных изделий будет реализовано, тем более широкий спектр механизмов их последующей релаксации при приближении к равновесию будет реализуем, что даст больше возможностей управлять процессом структурообразования в таких материалах.

Впоследнее время большое внимание исследователей было уделено проблемам материалов с ультрамелкозернистой и нанокристаллической структурой, которые получены методами интенсивной пластической деформации (ИПД) – интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением, равноканальное угловое прессование (РКУП), экструция, всесторонняя ротационная ковка

идр. Основным методом ИПД является РКУП, которое было разработано В.М. Сегалом в 70-х гг. XX в. [2, 3] и впоследствии развито Р.З. Валиевым [4, 5]. Этот метод позволяет без конечного формоиз-

5

менения заготовки создавать высокую степень ее пластической деформации, что приводит к получению металлических ультрамелкозернистых материалов. Однако этим методом возможно получить заготовки только диаметром до 20 мм и длиной до 1,5 м. При увеличении размера заготовок происходит недопустимое увеличение нагрузки на оснастку при обработке.

Холодная пластическая деформация конструкционных сталей вызывает рост плотности дислокаций и образование дополнительных субграниц при эволюции и самоорганизации дислокационной подсистемы, что увеличивает степень неравновесности исходного состояния. Холодную пластическую деформацию конструкционных сталей с большими степенями деформации необходимо проводить методом, обеспечивающим наиболее мягкую схему нагружения и деформирования, что позволит получить высокие степени деформации без разрушения. В этом направлении перспективным способом реализации холодной пластической деформации является метод радиальной ковки, который позволяет получать заготовки в промышленном, а не в лабораторном масштабе. Особенностью этого способа деформации является приложение усилия одновременно несколькими радиально перемещающимися бойками, при котором реализуется мягкая схема нагружения – схема неравномерного всестороннего сжатия [6]. Эта схема позволяет реализовать высокую степень наклепа без образования трещин в деформируемой заготовке, а локализация очага деформации в сочетании с поворотом заготовки приводит к циклическому формоизменению цилиндрической заготовки из конструкционной стали.

Однако существуют механизмы уменьшения уровня неравно-

весности состояния, т.е. механизмы, приближающие структуру к равновесию. Одним из таких механизмов является диффузия, контролирующая процессы первичной, собирательной и вторичной рекристаллизации [7], а также процессы окисления и обезуглероживания при повышенных температурах, выделение избыточного феррита, образование перлита и бейнита при превращении переохлажденного аустенита, а также распад мартенсита при отпуске.

6

При мартенситном превращении во время закалки стали наблюдается высокая плотность дислокаций и формируется большое количество границ и субграниц. Следует отметить, что из мартенситных структур лучшим сочетанием характеристик прочности и надежности обладает структура пакетного мартенсита [8]. Па-

кетный мартенсит образуется при закалке низкоуглеродистых конструкционных сталей, что делает эту группу материалов перспективной для изготовления высоконадежных и высокоответственных изделий и конструкций.

В многокомпонентных сталях диффузионные процессы не только вызывают снижение плотности дефектов кристаллического строения и, следовательно, прочности, но и увеличивают масштаб химической неоднородности стали, т.е. расслоение стали по углероду и легирующим элементам в двухфазных температурных областях при нагреве [9]. Высокой устойчивостью против отпуска, нормального и бейнитного распада переохлажденного аустенита, расслоения стали по углероду и легирующим элементам в двухфазных температурных областях обладают конструкционные низкоуг-

леродистые системно легированные стали, в которых реализован принцип сбалансированного легирования, приводящего к более эффективному по сравнению с прочими сталями сдерживанию диффузионных процессов [10].

Таким образом, для получения структурного состояния, обладающего одновременно высоким уровнем прочности и надежности, в материале высокоответственных конструкций и деталей необхо-

димо применять конструкционные системно легированные низкоуглеродистые стали и подвергать их при изготовлении закалке на структуру пакетного мартенсита. Далее в закаленном состоянии конструкционные низкоуглеродистые системно легированные стали нужно подвергать холодной пластической деформации методом радиальной ковки с большими степенями (до 60 %) для дальнейшего увеличения количества дефектов кристаллического строения, что позволит при последующей термической обработке в результате последовательности процессов структурообразования получить на-

7

ноструктурное или ультрамелкозернистое состояние с высоким комплексом механических свойств.

Для обеспечения высоких показателей надежности наряду с высоким уровнем характеристик прочности необходимо последовательно получить следующие структурные состояния в конструкционных сталях, т.е. реализовать следующие этапы диспергирова-

ния структуры:

1.Закаленное состояние конструкционных низкоуглеродистых системно легированных сталей со структурой пакетного мартенсита с высокой дефектностью, эта структура характеризуется хорошей технологической пластичностью.

2.Высокодеффектное состояние конструкционных сталей, полученное в результате эволюции дислокационной структуры при холодной пластической деформации.

3.Состояние рекристаллизованной фазы исходно холоднодеформированной конструкционной стали, сформированное при включении контролируемых диффузионных механизмов с минимальным масштабом при нагреве, прежде всего первичной рекристаллизации.

4.Высокодисперсное закаленное состояние, которое формируется в результате мартенситного превращения в рекристаллизованной матрице высокотемпературной фазы.

Первичная рекристаллизация исходно холоднодеформированной конструкционной стали с высокой плотностью дефектов кристаллического строения, прежде всего равномерно распределенных дислокаций, приводит к увеличению плотности высоко- и малоугловых границ и диспергированию структуры – уменьшению размера характерного элемента.

Таким образом, для формирования необходимого структурного состояния состояние 1 реализуется при предварительной закалке конструкционных сталей во время охлаждения с температур горячей ковки. Состояние 2 возможно реализовать в результате низкотемпературного (при комнатной температуре) деформационного воздействия. Состояние 3 можно получить в конструкционных ста-

8

лях как в состоянии низкотемпературной α-фазы, так и в состоянии высокотемпературной γ-фазы.

Вслучае если состояние 3 необходимо реализовать в ферритной фазе, применяют низкотемпературный рекристаллизационный отжиг исходно холоднодеформированной конструкционной стали. При этом температура рекристаллизационного отжига должна позволить реализовать первичную рекристаллизацию при подавлении собирательной, что призвано обеспечить высокий уровень характеристик механических свойств.

Ваустенитной фазе состояние 3 возможно получить при быстрой аустенитизации исходно холоднодеформированной конструкционной стали при условии наследования аустенитом высокой плотности дислокаций при разделении по температуре процессов фазовой и структурной перекристаллизации или при условии формирования большого количества зародышей аустенита при нагреве

вобласти межкритического интервала температур при одновременном протекании процессов фазовой и структурной перекристаллизации [11]. В первом случае такое состояние аустенита приведет к развитию процессов первичной рекристаллизации с получением высокодисперсного зерна аустенита, а эффект измельчения зерна при аустенитизации тем значительнее, чем выше плотность дислокаций к моменту развития первичной рекристаллизации и ниже скорость собирательной рекристаллизации. Во втором случае высокодисперсное состояние аустенита формируется в момент завершения аустенитизации в межкритическом интервале при смыкании границ аустенитных зародышей, а эффект зависит от плотности дефектов кристаллического строения и уровня напряжений второго рода к моменту начала образования зародышей аустенита в нижней части межкритического интервала температур.

Последующее закалочное охлаждение позволяет получить наноструктурное состояние мартенсита в результате сдвигового превращения при охлаждении высокодисперсной структуры аустенита – состояние 4. Повторные же циклические нагревы способны привести к дополнительному диспергированию структуры в случае

9

получения более высокого уровня дефектности на первом этапе каждого последующего цикла и, как следствие, к росту уровня механических свойств.

В.И. Изотовым [12] установлено, что при диаметре аустенитного зерна закаленной стали более 20 мкм размер пакета практически не зависит от размера зерна. При размере аустенитного зерна менее 5 мкм при закалке формируется только один пакет, равный по величине размеру зерна, размер рейки мартенсита при этом также уменьшается.

Приведенные данные указывают на возможность эффективного диспергирования структуры исходно холоднодеформированных конструкционных сталей как в процессе рекристаллизационного отжига с реализацией первичной рекристаллизации, так и при аустенитизации с реализацией фазовой и структурной перекристаллизации при аустенитизации с последующей закалкой на структуру пакетного мартенсита.

Последовательная реализация описанных выше состояний конструкционных сталей при комплексной механотермической обработке позволит получить высокий уровень характеристик механических свойств материала высокоотвественных изделий и конструкций.

Данное пособие написано при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. в рамках темы «Разработка технологии получения высокопрочных наноструктурных конструкционных низкоуглеродистых сталей с износостойкими наноструктурированными покрытиями» (соглашение № 14.B37.21.1638).

10