Научные основы и технологические способы обработки гетерофазных сплавов с высоким уровнем конструктивной прочности

Детальный анализ процессов, протекающих при различных операциях термообработки, позволил сформулировать основные моменты, ответственные за создание двухфазных феррито-мартенситных сталей:

- прецизионное использование фазовых превращений по схеме:

Ф + П _{(нагрев)} А _{(охлаждение)} Ф + М (Б) ;

- дозированное формирование при нагреве в отдельных микрообъемах аустенита с повышенным содержанием углерода;

- дальнейшее обогащение в ходе выделения избыточного феррита нераспавшегося аустенита.

Таким образом, основным условием создания ДФМС, регулирования их структуры и механических свойств является целенаправленное образование аустенита, обогащенного до заданного уровня углеродом, что обеспечивает при охлаждении с необходимой скоростью формирование оптимального количества мартенсита (бейнита) с определенным содержанием углерода (твердостью).

На примере собственных разработок рассмотрена технология производства изделий, где используется высокая пластичность сталей с гетерофазной феррито-мартенситной структурой в сочетании с большой скоростью деформационного упрочнения.

На “Турбомоторном заводе” совместно с автомобильным заводом (“Москвич”), машиностроительным заводом (г. Екатеринбург) изучена возможность изготовления деталей крепежа, в том числе гаек М6-М12 методом холодной высадки. Заготовкой служила проволока из стали 10кп, в которой феррито-мартенситная структура формировалась закалкой в масле после нагрева на 760^оС с выдержкой 30 мин. Отмечено удовлетворительное формообразование (хорошо сформированные грани и ребра гаек), усилие среза резьбы на уровне соответствующем гайкам, изготовленным из стали 45 методом точения, достаточная пластичность, вязкость металла и хладостойкость. В результате достигается снижение трудоемкости изготовления гаек и экономия проката.

На Ревдинском метизно-металлургическом заводе при изготовлении проволоки из сталей 10кп, 10сп и 08Г2С показана возможность повышения производительности отжигового отделения на 20% при использовании ускоренного охлаждения из межкритического интервала температур в зоне длительного рекристаллизационного отжига. Достигнуто оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик при использовании нагрева в бунтах до 780^оС с выдержкой 1 час и последующего спрейерного охлаждения для проволоки из сталей 10кп и 10сп, и нагрева в бунтах до 760^оС и охлаждения обдувом вентилятором или сжатым воздухом.

На Уральском электромеханическом заводе ускоренное охлаждение из МКИ листовых заготовок обеспечило повышение технологической пластичности металла при изготовлении холодной штамповкой деталей сложной формы. Это способствовало также улучшению жесткости конструкционных элементов и снижению их материалоемкости.

На основе результатов собственных исследований и разработок трубного производства, в первую очередь Синарского трубного завода, показана перспективность совмещения термомеханической обработки с закалкой из межкритического интервала температур.

Обобщением рассматриваемых в диссертации научно-технических разработок явилась формулировка основных качеств низколегированных доэвтектоидных сталей с феррито-мартенситной структурой, делающих их материалом, перспективным для использования в двух направлениях:

- для изделий, получаемых холодным формоизменением, – это уникальный комплекс механических свойств, где высокая пластичность сочетается с большой скоростью деформационного упрочнения;

- для изделий, изготавливаемых горячей деформацией, – высокая конструктивная прочность, включающая максимально высокий уровень одновременно прочностных и вязко-пластических характеристик.

Результаты диссертационной работы широко внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальностям: 150501 – “Материаловедение в машиностроении”, 150105 – “Металловедение и термическая обработка”, 150702 – “Физика металлов”, 150106 – “Обработка металлов давлением”, а также бакалавров и магистров тех же направлений. Ряд теоретических и экспериментальных положений, касающихся изменений структуры и механических свойств при деформации и термомеханической обработке сталей, пластического течения и разрушения гетерофазных сплавов, состоящих из нескольких структурных составляющих с различными свойствами, и др., нашли свое отражение в главах 15, 16 учебника “Физическое металловедение”, допущенного Министерством образования Российской Федерации для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 615300 “Металлургия”.

1. Построение термокинетических диаграмм (ТКД) распада аустенита в сталях 10кп, 09Г2, 10С1, 05Г2С2, 10Г2Р, 05Г2Р, нагретых в межкритический интервал температур (МКИ), анализ устойчивости переохлажденного аустенита и температуры начала мартенситного превращения (М_н) показал, что вне зависимости от содержания углерода в стали, количество углерода в аустените после небольшого перегрева над Ас₁ (DТ @ 40^оС) достигает 0,41-0,46%, в результате чего устойчивость переохлажденного аустенита и М_н соответствуют уровню, характерному для сталей с таким общим содержанием углерода. Легирование сталей Mn (~1,6%), Si (1,18-1,84%) и B (0,003%) усиливает данный эффект, что способствует при ускоренном охлаждении из МКИ образованию низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита) и отсутствию перлита.

Подбором композиции сталей, температуры нагрева в МКИ и скорости последующего охлаждения удается регулировать не только структуру и фазовый состав сталей, но и содержание углерода и легирующих элементов в отдельных фазах, что расширяет спектр механических свойств сталей.

2. Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите. Установлено, что новый феррит при отпуске вплоть до 400^оС имеет меньшую на 400 МПа твердость, чем исходный феррит, и содержание легирующих элементов, характерное для аустенита, сформировавшегося в МКИ.

Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств (σ_В = 650-700 МПа, σ_0,2 ≈ 350 МПа, δ ≈ 30 %, δ_р ≈ 15 %) исследованных ДФМС достигается при наличие 15-25% мартенсита, 20-35 % нового феррита и, соответственно, 40-65% исходного феррита при нагреве на оптимальную, для стали определенной композиции, температуру и ускоренном охлаждении.

Рациональным легированием марганцем, бором, кремнием даже при снижении до 0,05 % содержания углерода удается повысить на 30-40 % прочностные свойства. При этом уровень ударной вязкости и температура вязко-хрупкого перехода весьма низкие, что требует последующего низкотемпературного отпуска.

3. Разработан новый режим термообработки для формирования двухфазной феррито-мартенситной структуры, включающий низкотемператур-ную аустенитизацию (на ~ 10^оС выше Ас₃ ) и ступенчатую закалку в воду с оптимальной выдержкой при температуре Аr₁ – (30-40^оС). На примере сталей 20 и 09Г2 промышленных плавок показано, что структура и уровень механических свойств после термообработки по новому режиму близки к тем, которые формируются в этих сталях после ускоренного охлаждения из МКИ.

4. На основе микроструктурных исследований и данных внутреннего трения выявлены факторы и дано объяснение экстремальному изменению предела текучести ДФМС сталей от температуры отпуска. Низкотемпературный отпуск позволяет увеличить σ_0,2 на 100-140 МПа, σ_0,2/ σ_В до 0,65-0,75, и, главное, повысить на 20-25 % уровень ударной вязкости при снижении Т₅₀ на 40-50^оС по сравнению с исходным состоянием после охлаждения из МКИ.

Предварительная пластическая деформация повышает склонность ДФМС к старению, но её влияние не монотонно. Максимальная склонность к старению создается при деформации растяжением на 4-6%, увеличение степени деформации до 10%, сопровождающееся образованием ячеистой дислокационной структуры, приводит к замедлению процесса старения.

5. Разработана модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая экспериментально установленное неравенство деформации феррита и мартенсита и её перераспределение между этими структурными составляющими в процессе нагружения. Получены количественные соотношения, позволяющие рассчитать напряжение течения в любой момент деформирования и величину истинной равномерной деформации в зависимости от таких структурных факторов, как объемная доля мартенсита, содержание углерода в стали, размер ферритного зерна. Справедливость предложенной модели проверена на ряде малоуглеродистых сталей, легированных марганцем, а также совместно марганцем и кремнием.

6. Экспериментально установлено, что при схемах напряженного состояния, соответствующих высадке, волочению, прессованию и прокатке, пластичность стали заданного состава с феррито-мартенситной структурой в 1,3-1,8 раза выше, чем в случае феррито-перлитной структуры.

Двухфазные феррито-мартенситные стали во всем изученном интервале изменения показателя напряженного состояния S/T (от -1,4 до -1) значительно превосходят стали того же химического состава с феррито-перлитной структурой по величине удельной работы при деформации до разрушения, интегрально учитывающей прочностные и пластические характеристики материала.

7. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что низкоуглеродистые стали с феррито-мартенситной структурой, получаемые термообработкой по вновь разработанной схеме ступенчатой закалки, имеют высокий комплекс механических свойств: стали 20 (σ_В = 669 МПа, ‪‪σ_0,2 = 400 МПа, δ_общ = 22 %, δ_Р = 14 %) и стали 09Г2С (σ_В = 760 МПа, ‪‪σ_0,2 = 460 МПа, δ_общ = 21%, δ_Р = 12 %). Это позволяет рекомендовать ступенчатую закалку как окончательную термообработку при производстве горячедеформированной продукции из низкоуглеродистых сталей.

8. На основе предложенной методики оценки свойств микрообъемов с помощью вдавливания индентера построены диаграммы « напряжение σ – степень деформации сдвига Λ» стали 10 и присутствующих в ней феррита и перлита. Это позволило описать поведение в ходе пластической деформации каждой структурной составляющей и оценить её вклад в пластическое течение металла: до Λ ≈0,3 перлит слабо участвует в пластической деформации металла, полное выравнивание степеней деформации феррита и перлита обнаружено при Λ >1,4.

9. Основные положения, сформулированные в работе по созданию низкоуглеродистых феррито-мартенситных (бейнитных) сталей, как перспективного материала для изделий, изготавливаемых холодным деформированием или горячей деформацией, представлены к реализации на ряде предприятий машиностроителтного и металлургического комплексов, а также широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов по ряду специальностей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. и испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, 534 с.

1. Прочность и пластичность двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин., М.И. Гольдштейн, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // ФММ. Т. 56, вып. 1.1983.С.179-185.

2. Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.

3. Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.

4. Применение малоуглеродистых низколегированных феррито-мартенситных сталей для деталей крепежа в автотракторостроении / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении: тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции. Челябинск, 1984. С. 233-234.

5. Деформационное старение двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Термическая обработка, структура и свойства металлов: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск. 1985. С. 50-55.

6. Емельянов А.А., Швейкин В.П., Пышминцев И.Ю. Структура и конструктивная прочность феррито-мартенситной низколегированной стали / Молодые ученые и специалисты – техническому прогрессу в металлургии: Материалы н/т конференции. Донецк, 1985. С. 77-79.

7. Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Влияние скорости охлаждения из межкристаллического интервала температур на деформационное упрочнение и старение стали 05Г2С2 // МиТОМ. 1986. №11. С. 31-34.

8. Низколегированные феррито-мартенситные стали – резерв повышения качества металлопроката / Б.М. Бронфин, М.И. Гольдштейн, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин // Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Днепропетровск. 1985. С. 44. Для служебного пользования.

9. Устойчивость эпитаксиального феррита при отпуске малоуглеродистой низколегированной стали / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, М.И. Гольдштейн, В.П. Швейкин // ФММ. 1986. Т.62, вып. 2. С. 358-361.

10. Перераспределение атомов при деформационном старении двухфазной феррито-мартенситной стали / Б.М. Бронфин, В.В. Овчинников, В.П. Швейкин, Г.Г. Амигуд, А.А. Емельянов // ФММ. 1986. Т.61, вып. 2. С. 354-360.

11. Бронфин Б.М., Шифман А.З., Швейкин В.П. Влияние типа микроструктуры на сопротивление усталости и разрушение малоуглеродистой низколегированной стали // Известия вузов «Черная металлургия».1986. №10. С. 73-77.

12. Bronfin B.M., Shveikin V.P. Influence of type of microstructure on fatigue resistanct and fracture of low carbon, alloy steel // Steel in the USSR.1986. Vol. 16, № 10. P. 494-496.

13. Исследование двухфазных феррито-мартенситных сталей для изготовления крепежных деталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Тольятти. 1986. С. 10-11.

14. Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Деформационное упрочнение и пластичность сталей с феррито-мартенситной структурой // Изв. АН СССР. Металлы. 1987. № 1. С. 127-133.

15. Вязко-хрупкий переход в сталях с феррито-мартенситной структурой / Б.М. Бронфин, М.И. Гольдштейн, Е.И. Голуб, В.П. Швейкин // Изв. АН СССР. Металлы. 1987. № 2. С. 105-111.

16. Кинетика закалочного и деформационного старения стали с феррито-мартенситной структурой / Б.М. Бронфин, В.П. Швейкин, С.Б. Михайлов и др. // ФММ. 1988. Т.5, вып. 2. С. 326-331.

17. Ресурс пластичности металла при изготовлении сильфонов / С.В. Смирнов, А.В. Тропотов, Р.Е. Лаповок, В.П. Швейкин // Тезисы докл. Эффективные технологические процессы листовой штамповки. Н/т конференция. Москва. 1993. С.155-163.

18. Методики определения технологических свойств металла и его отдельных структурных составляющих в условиях сложного нагружения / А.А. Богатов, С.В. Смирнов, В.П. Швейкин, А.В. Нестеренко // Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1995, № 2. с. 42-49.

19. Смирнов С.В., Швейкин В.П. Методика определения диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих в многокомпонентных системах // ФММ. 1995, Т. 80, вып.1. С. 144-151.

20. Смирнов С.В., Швейкин В.П. Исследование процесса деформационного упрочнения многофазных материалов на микроуровне // ФММ, 1995. Е.80, вып. 1. С. 152-159.

21. R. Lapovok, S. Smirnov, Shveykin V. Ductility Defined as Critical Local Strain / Proceedings First Australasian Congress on Applied Mechanics, 1996, Melburne. Vol. 1. P. 181-185. (National Committee on Applied Mechanics).

22. Швейкин В.П. Разработка оборудования и программного обеспечения для экспресс-метода определения механических свойств структурных составляющих композиционных и порошковых материалов / Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции. Вып. 2. Пермь, 1996. С.27-28.

23. Богатов А.А., Швейкин В.П. Упрочнение сталей 22ГЮ, 09Г2С и 37Г2С в потоке трубопрокатного агрегата / Тезисы докладов. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. Международная н/т конференция. Москва, МИСиС, 1996. С. 57-58.

24. Швейкин В.П. Разработка оборудования и программного обеспечения для экспресс-метода определения механических свойств структурных составляющих композиционных и порошковых материалов / Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции. Вып. 3. Пермь, 1997. С. 29-30.

25. Смирнов С.В., Швейкин В.П., Соломеин В.А. Определение диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих в многокомпонентных системах Тезисы докладов. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. Международная н/т конференция. Москва, МИСиС, 1997. С. 68-73.

26. Определение коэффициентов в функциональной зависимости сопротивления деформации по результатам вдавливания конического индентора / С.В. Смирнов, В.К. Смирнов, А.Н. Солошенко, В.П. Швейкин // Металлы, № 6, 1998. С. 91-94.

27. Shveikin V.P., Smirnov S.V. Method for Determination of the Strain Hardening Law and for Analysis of Early Fracture Stages of Some Structural components / Key Engineering Materials. FRAKTURE AND STRENGTH OF SOLIDS, PTS 1 AND 2. 145-9: Part 1 and 2. 1998, р.847-852.

28. Smirnov S., Soloshenko A.N., Shveykin V. Method for stress-strain equation (SSE) determination and early fracture stage analysis of some structural components/ Metal Forming 98, The University of Birmingham UK/ The 7 th Internftional Conference on Metal Forming . 1998, р. 107.

29. Швейкин В.П. Разработка метода исследования ранних стадий разрушения конструкционных материалов / Трансфертные технологии, комплексы и оборудование в металлургии и материаловедении. Выпуск 1. Пермь,1998. С. 4-6.

30. Термомеханическая обработка и современные способы производства высокопрочных труб / Л.Г. Марченко, С.Ю. Жукова, А.А. Богатов, В.П. Швейкин // Всероссийская конференция, посвященная 95-летию профессора В.В. Швейкина. УГТУ-УПИ, Екатеринбург. 1999, с. 73-76.

31. Применение термомеханической обработки в производстве высокопрочных труб / Л.Г. Марченко, С.Ю. Жукова, А.А. Богатов, В.П. Швейкин // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке. Москва, МИСиС, 1999. С. 18.

32. Lapovok R., Smirnov S., Shveykin V. Damage mechanics for the fracture prediction of metal forming tools / International Journal of Fracture 103. 2000. P. 111-126.

33. Особенности деформационного упрочнения конструкционных сталей с регламентированной гетерогенной структурой / В.П. Швейкин, В.Р. Бараз, С.В.Смирнов, Н.В. Кобелева, Н.В. Лопатина //Сборник материалов Всероссийской ежегодной н/т конференции «Наука – Производство- Технологии – Экология». Киров. 2001. Том 2. С.123-124.

34. The Influence of the Stress State on the Plasticity of Transformation Induced Plasticity – Aided Steel / Yu. Pyshmintsev, M. De. Meyer, B.C. de Cooman R.A. Savray, V.P. Shveykin, M. Vermeulen // Metallurgical and Materials Transactions. A. 2002. V. 33A, №6, p. 1659-1667.

35. Богатов А.А., Швейкин В.П., Смирнов С.В. Механические свойства низколегированных сталей 22ГЮ и 09Г2С после термомеханической обработки/ Сб. Обработка металлов давлением. Раздел II. Реология, пластичность, разрушение, Екатеринбург, 2002. С. 39-45.

36. Bogatov A., Shveikin V., Rezer A. Physical simulation of the ductile damage under the metal forming / The 6^th international ESAFORM Conference on Material Forming. Salermo, Italy. 2003. P. 723-726.

37. Марченко Л.Г., Жукова С.Ю., Богатов А.А., Швейкин В.П. Основы высокотемпературной термомеханической обработки труб. (Сборник научных трудов) Достижения в теории и практике трубного производства. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2004, с. 395-403.

38. Швейкин В.П., Хотинов В.А., Фарбер В.М. Кинетика распада переохлажденного аустенита, сформировавшегося в межкритическом интервале температур / ФММ. 2007. Том 104, № 5. С. 510-516.

39. Швейкин В.П., Хотинов В.А., Фарбер В.М. Микроструктура и фазовый состав низкоуглеродистых сталей после нагрева в межкритический интервал температур // Изв. Вузов, Черн. Мет., № 6. 2008. с. 39-43.

40. Смирнов С.В., Нестеренко А.В., Швейкин В.П. Деформируемость молибдена при изготовлении тонкостенных труб / Металлы, № 5, 2008, с. 80-89.

41. Оценка деформационного упрочнения по данным микротвердости / В.П. Швейкин, С.В. Смирнов, В.М. Фарбер, А.А. Хотинов, К.А. Лаев, А.Г. Шерер // Механика микронеоднородных материалов и разрушение: Тезисы докладовV Всероссийской конференции. Екатеринбург, 2008. С. 183.