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

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Екатеринбург - 2009

Работа выполнена на кафедрах «Термообработка и физика металлов» и «Обработка металлов давлением» ГОУ ВПО «Уральского государственного технического университета – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Научный консультант доктор технических наук, профессор

Попов Артемий Александрович

зав. каф. УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург)

Гервасьев Михаил Антонович;

доктор технических наук, профессор,

зав. отделом института физики металлов

УрО РАН (г. Екатеринбург)

Сагарадзе Виктор Владимирович;

доктор технических наук, доцент,

зав.каф. ПГТУ (г. Пермь)

Симонов Юрий Николаевич.

Ведущая организация ОАО «Первоуральский Новотрубный завод»
Защита состоится 20 ноября 2009 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.285.04 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, 3-й учебный корпус, ауд. Мт – 329, тел. (343) 375-45-74, факс (343) 374-38-84.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

диссертационного совета Шилов В.А.

Характерно, что возможности повышения уровня эксплуатационных характеристик сталей путем применения традиционных композиций и видов термообработки близки к исчерпанию.

Работами последних десятилетий показано, что создание сталей с гетерофазной феррито-мартенситной структурой является перспективным направлением повышения конструктивной прочности, улучшения технологичности и обрабатываемости изделий различного назначения. Для разработки таких сталей с заданным уровнем свойств необходимы отыскание их композиций, режимов термической и пластической обработок, приводящих к формированию гетерофазной структуры с оптимальной морфологией и соотношением компонентов, создание моделей, описывающих пластическую деформацию и упрочнение многофазных материалов.

Данная диссертационная работа является обобщением научных и практических результатов исследований, выполненных автором в период с 1985 по 2009 год по проблемам формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, их деформационного упрочнения и пластичности, а также связи между структурой и комплексом механических характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- изучение закономерностей формирования структуры и фазовых превращений при ускоренном охлаждении малоуглеродистых низколегированных сталей из межкритического интервала температур (МКИ) и ступенчатой закалки;

- установление особенностей деформационного упрочнения двухфазных феррито-мартенситных сталей (ДФМС) и их пластичности при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным операциям холодной объемной и листовой штамповки;

- создание модели пластического течения и упрочнения ДФМС, учитывающей неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными составляющими в процессе нагружения;

- исследование процессов, протекающих при закалочном и деформационном старении ДФМС, и их влияния на сопротивление данных материалов хрупкому, вязкому и усталостному разрушению;

- формирование основных положений по созданию низколегированных гетерофазных сталей, содержащих в оптимальном соотношении феррит и мартенсит (бейнит), а также главных качеств ДФМС, делающих их перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.

Научная новизна работы определяется следующей совокупностью результатов исследований.

- Дано научное обоснование составов низколегированных сталей и режимов термической обработки, приводящим к образованию гетерофазной структуры с требуемым комплексом механических свойств, по которым они являются перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.

- Впервые для большой группы доэвтектоидных низколегированных сталей построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита и микроструктурные карты, показывающие влияние температуры нагрева в межкритический интервал (МКИ) и скорости последующего охлаждения на тип и количество отдельных структурных составляющих.

- 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, а также концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах в зависимости от температуры и длительности отпуска.

- Предложена и экспериментально проверена модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.

- Изучена и сопоставлена пластичность сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при схемах напряженного состояния, соответствующих реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.

- На основе комплексного исследования деформационного старения ДФМС, его влияния на прочностные и пластические характеристики, способности сопротивляться хрупкому, вязкому и усталостному разрушению установлено, что наибольшая склонность к старению проявляется после деформации растяжением на 4-6%, а при дальнейшем увеличении степени деформации интенсивность его затухает.

- Разработана методика тестирования механических свойств микрообъёмов, позволяющая с помощью специального программного комплекса проводить построение диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих и оценивать их вклад в пластическое течение гетерофазных сплавов.

• 
  использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа), фазового и химического составов (растровой электронной микроскопии со спектрометром энергетической дисперсии), поведения примесных атомов внедрения и замещения (внутреннего трения, ядерной гамма-резонансная спектроскопии), прочностных, вязко-пластических характеристик, предела выносливости, а также пластичности сталей при растяжении и кручении с наложением гидростатического давления;
  
• 
  согласованностью экспериментальных результатов, полученных по различным методикам, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных и их воспроизводимостью.
  

Результаты комплексных исследований представлены к реализации на ряде предприятий. На производственном объединении “Турбомоторный завод” (использование ускоренного охлаждения из МКИ в качестве исходной обработки стали 10кп для холодной высадки крепежных деталей).

В условиях Ревдинского метизно-металлургического завода показано, что применение ускоренного охлаждения проволоки из МКИ приводит к повышению производительности отжигового отделения сталепроволочного цеха на 20%.

Внедрение результатов данной работы на Уральском электромеханическом заводе позволило повысить технологическую пластичность заготовок для листовой штамповки, а также прочность и жесткость готовых конструкционных элементов. В результате получен специальный эффект.

• 
  Установленные закономерности образования аустенита при нагреве в МКИ, особенности фазового и химического состава продуктов его распада после охлаждения с различными скоростями, концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах при отпуске.
  
• 
  Модель деформационного упрочнения ДФМС, базирующаяся на учете неравенства и перераспределения деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.
  
• 
  Совокупность результатов, описывающих характеристики пластичности сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.
  
• 
  Особенности структурных изменений при деформационном упрочнении и старении ДФМС, их влияние на комплекс механических свойств и характеристики разрушения сталей данного класса.
  
• 
  Сформулированные на основе результатов собственных экспериментальных и теоретических исследований, а также литературных данных основные требования к структуре ДФМС, предназначенных для изготовления деталей методами холодного формоизменения, а также концепция создания экономичных доэвтектоидных низколегированных сталей с гетерофазной структурой, обладающих высокой конструктивной прочностью.
  

Анализ научных разработок, выполненных в нашей стране и за рубежом, показал, что малоуглеродистые низколегированные стали с двухфазной феррито-мартенситной структурой обладают уникальным сочетанием предела текучести, временного сопротивления разрыву и пластичности, что определяет их использование преимущественно для деталей, изготавливаемых методами холодной объемной или листовой штамповки. Благодаря особенностям структуры и пластического течения эти стали испытывают интенсивное деформационное упрочнение, а в последующем – деформационное старение при нанесении и сушке антикоррозионных защитных покрытий на изделия. В этой связи научный и практический интерес имеет изучение закономерностей деформационного упрочнения и старения ДФМС с целью оптимизации их составов и режимов термической обработки, что и рассматривалась как одна из основных задач настоящей диссертации.

В последние годы круг изделий и, соответственно, сталей с окончательной или промежуточной гетерофазной феррито-мартенситной (бейнитной) структурой непрерывно расширялся . Это позволило повысить конструктивную прочность изделий, экономить ресурсы за счет снижения легированности сталей или при термообработке. Потребовалось использование новых схем термообработки, приводящих к формированию гетерофазной структуры, детальное изучение влияния агрегатного упрочнения перлитом, мартенситом, бейнитом на комплекс механических свойств сталей, режимов заключительного отпуска с целью увеличения предела текучести, вязкости и пластичности.

В диссертации обосновано, что для дальнейшего прогресса в данном направлении необходимы, с одной стороны, научно-обоснованная разработка композиций сталей, новых технологических режимов, приводящих к формированию гетерофазной структуры, а с другой стороны, проведение детальных исследований пластичности и деформируемости ДФМС без нарушения сплошности при различных схемах напряженного состояния.

Показано, что максимальное увеличение предела текучести гетерофазных сталей при сохранении присущего им высокого уровня пластичности позволит использовать этот перспективный класс сталей для значительной номенклатуры изделий, в частности, для строительных конструкций, труб газо-нефтяного сортамента, деталей машиностроения.

Исходя из данных положений, с учетом специфики получения и использования сталей с гетерофазной структурой сформированы цель и основные задачи, решаемые в диссертации.

При выборе составов и режимов термообработки ДФМС основными требованиями являются предотвращение формирования перлита и определенное соотношение между количеством феррита и мартенсита. Для этого необходимы представления об устойчивости сформировавшегося аустенита к распаду в различных температурных областях, что описывается термокинетическими диаграммами (ТКД). Однако в литературе ТКД распада аустенита, сформировавшегося при нагреве в МКИ, не описаны. Это позволяет считать, что для исследованной группы сталей данные диаграммы построены нами впервые.

Исследование проведено на большой группе малоуглеродистых сталей, легированных как раздельно, так и совместно марганцем и кремнием (табл. 1). Кроме того, в некоторых случаях для повышения устойчивости аустенита сталь легировали также хромом, молибденом и бором.

Сталь 10кп была промышленной выплавки. Другие стали выплавлялись в открытой индукционной печи и разливали на слитки массой 10 кг, которые затем подвергали гомогенизационному отжигу при температуре 1200^оС в течение 5 часов, после чего проковывались в прутки 12х12 мм.

Таблица 1

Химический состав сталей (мас.%)