СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И ДЕФЕКТНОЙ СУБСТРУКТУРЫ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ............................................... 11
1.1. Технология и оборудование термомеханического упрочнения арматуры и проката............................................ 11
1.2. Структурно-фазовые состояния в арматуре из низкоуглеродистых
и низколегированных сталей после термомеханического упрочнения. 15
1.3. Масштабные уровни эволюции структурно-фазовых состояний в арматуре большого диаметра, подвергнутой прерванной закалке 20
1.4. Охрупчивание термомеханически упрочненной арматуры....... 22
1.5. Влияние ускоренного охлаждения на структуру и свойства
фасонного стального проката................................... 25
2 ГЛАВА. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ..................... 28
2.1. Материал и режимы термомеханической обработки............ 28
2.2. Методы исследований...................................... 29
2.2.1. Методика металлографических исследований............... 29
2.2.2. Методика измерения микротвердости...................... 29
2.2.3. Методики просвечивающей электронной микроскопии 30
ГЛАВА 3. ДИСЛОКАЦИОННАЯ СУБСТРУКТУРА И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ПРИ
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ ПРОКАТА ИЗ СТАЛИ 09Г2С......................................................... 36
3.1. Анализ эволюции дислокационной субструктурьт
термоупрочненной стали 09Г2С.................................. 36
3.1.1. Роль механизма у => а превращения в формировании дислокационной субструктуры а-фазы............................ 36
2
3.1.2. Зерна структурно-свободного феррита....................... 37
3.1.3. Зерна феррита, содержащие частицы цементита............... 39
3.1.4. Зерна перлита............................................. 40
3.1.5. Пластины бескарбидного бейнита............................ 42
3.1.6. Кристаллы мартенсита...................................... 44
3.2. Градиент дислокационной субструктуры сс-фазы, формирующийся
в условиях ускоренного охлаждения стали.......................... 45
3.3. Зависимость состояния дислокационной субструктуры сх-фазы от режима ускоренного охлаждения.................................. 48
3.4. Выводы по главе 3........................................... 53
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, СПОСОБСТВУЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЮ НАНОРАЗМЕРНЫХ ФАЗ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ ПРОКАТА ИЗ СТАЛИ 09Г2С............................................................ 55
4.1. Диспергирование цементитных пластин перлитных колоний путем разрезания их движущимися дислокациями........................... 57
4.2. Растворение пластин цементита перлитных колоний и повторное выделение частиц цементита на дислокациях, границах блоков, субзерен и зерен............................................ 60
4.3. Распад твердого раствора углерода в а-железе, формирующегося в условиях ускоренного охлаждения стали («самоотпуск» мартенсита) 61
4.4. Формирование частиц цементита в процессе допревращения остаточного аустенита, присутствующего в структуре «бескарбидного» бейнита.......................................... 62
4.5. Формирование наноразмерных фаз в результате полиморфного у=>ос превращения................................................ 63
4.6. Выводы по главе 4........................................... 64
з
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ......................... 65
5.1. Градиент свойств и структуры стали 09Г2С............... ^
72
5.2. Механизмы упрочнения стали.........................
79
5.3. Оценки предела текучести стали 09Г2С...............
Выводы по главе 5.......................................... 86
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................... 89
ПРИЛОЖЕНИЕ................................................. 103
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при производстве массовых видов прокатной продукции широко используются технологии термомеханического упрочнения, базирующиеся на результатах фундаментальных исследований механизмов и закономерностей формирования дефектной субструктуры и структурно-фазовых состояний [1, 2]. Исследование процессов
термомеханической обработки должно включать в себя установление связей между механическими свойствами готового продукта и эволюцией структуры, фазового состава и дислокационной субструктуры для каждого конкретного изделия. Только в этом случае возможна разработка оптимальных режимов упрочнения и целенаправленное управление эксплуатационными свойствами.
Процесс пластической деформации, осуществляемый обработкой металлов давлением, заметно отличается по своему характеру от хорошо исследованной активной деформации, что находит свое отражение в особенностях эволюции структуры, фазового состава и дислокационных субструктур (ДСС) [3, 4]. Необходимость и актуальность их изучения при термомеханическом упрочнении диктуются как требованиями практики, так и очевидной научной значимостью проблемы. Во-первых, развитие новых отраслей производства предъявляет ряд особых требований к свойствам изделий, которые могут эксплуатироваться в экстремальных условиях. С другой стороны, структурно-фазовые состояния, дислокационная субструктура определяют комплекс механических свойств и, в конечном итоге, работоспособность и надежность сооружений и конструкций [5].
При термомеханической обработке в материалах, как правило, формируются градиентные структурно-фазовые состояния (ГСФС) [6], характеризующиеся закономерным изменением вглубь материала одного или нескольких описывающих их параметров.
Количественное изучение ГСФС сталей на макро и мезоуровие
проводится традиционными металлографическими методами. Разработка
5
I
специальных методик просвечивающей электронной микроскопии, позволяющих готовить объекты исследования из тонких слоев на определенных глубинах от поверхности обработки, использование локального рентгеноспектрального анализа, электронной спектроскопии, вторичной ионной массспсктрографии и других методов современного физического материаловедения позволяет анализировать ГСФС на микро-наномасштабном уровнях и, что самое важное, устанавливать механизмы формирования поверхностных упрочненных слоев.
Настоящая работа является продолжением исследований, результаты которых опубликованы в монографиях томской и новокузнецкой школ металлофизики [7-10].
Актуальность
Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дислокационных субструктур (ДСС) в сталях - одна из важных задач физики конденсированного состояния и современного материаловедения, поскольку лежит в основе разработки и создания эффективных способов повышения служебных характеристик изделий. Экспериментальные исследования структур и фазовых состояний, формирующихся в сечении изделий в результате' термомеханической обработки, очень важны для понимания физической природы превращений, поскольку позволяют целенаправленно изменять структуру и механические характеристики. При этом получение требуемого комплекса прочностных и пластических свойств требует понимания физической природы структурных изменений всех уровней, протекающих в сталях при термомеханической обработке в процессе сложных деформационных и термических воздействий. И хотя практика применения термомеханического упрочнения проката известна давно, для получения требуемого комплекса прочностных и пластических свойств необходимо знание механизмов их формирования на различных структурно-масштабных уровнях для каждого конкретного вида изделий.
Цель работы: установление механизмов формирования структуры и
б
прочностных свойств, реализующихся при термомеханическом упрочнении низкоуглеродистой стали.
Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
1. Установление количественных закономерностей формирования градиентных дислокационных субструктур (ДСС) и структурно-фазовых состояний при послойном электронно-микроскопическом анализе термомеханически упрочненной низкоуглсродистой стали.
2. Анализ процессов, приводящих к формированию наноразмерной фазы при термомеханическом упрочнении.
3. Анализ физических механизмов упрочнения стали, реализующихся при термомеханической обработке низкоуглеродистой стали по режиму ускоренного охлаждения.
Научная новизна: впервые методами просвечивающей электронной микроскопии установлены количественные зависимости от расстояния до поверхности обработки скалярной плотности дислокаций и размеров субзерсн в структурных составляющих низкоуглеродистой стали после термомеханической обработки;
- проанализированы механизмы формирования наноразмерной карбидной фазы в условиях ускоренного охлаждения;
установлено однозначное соответствие типов дислокационной субструктуры и ес параметров и морфологии а-фазы (механизма у—>а превращения);
- выполнена количественная оценка вкладов физических механизмов упрочнения в предел текучести стали. Установлено, что основными механизмами, ответственными за поверхностное упрочнение низкоуглеродистой стали, являются субструктурное и деформационное, обусловленное формированием мартенсита и бейнита.
Научная и практическая значимость работы, подтвержденная актом внедрения результатов в прокатном производстве ОАО «ЕВРАЗ-Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»,
заключается в формировании банка данных о закономерностях и механизмах образования ДСС, структуры, фазового состава и наноразмерных фаз, используемого для установления оптимальных режимов термомеханического упрочнения прокатных профилей.
Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории структурно-фазовых превращений в сталях, а основные положения диссертации представляют интерес как учебный материал в курсе лекций по физике конденсированного состояния, физического материаловедения, металловедения и термообработки, обработки металлов давлением.
Экономический эффект от внедрения разработок 15 млн. руб., в том числе доля автора 3,75 млн. руб.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением апробированных методик и методов современного физического материаловедения, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, актом использования результатов работы.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, выполнении металлографических, электронномикроскопических и других исследований и механических испытаний термомеханически упрочненной двутавровой балки, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении технологий в производство.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты послойного электронно-микроскопического анализа дислокационной субструктуры и фазового состава низкоуглеродистой стали, подвергнутой термомеханическому упрочнению по различным режимам.
2. Градиентный характер структурно-фазового состояния стали, подвергнутой термомеханическому упрочнению в условиях принудительного охлаждения поверхности.
8
- Київ+380960830922