CC BY
71
УДК 620.172.21:669.017.16
С.К. Гребеньков, А.А. Шацов, И.В. Ряпосов
S.K. Grebenkov, A.A. Shatsov, I.V. Ryaposov
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Research Polytechnic University
ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ОТПУСКОУСТОЙЧИВЫХ НМС НА СТАДИИ РАВНОМЕРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
STRENGTHENING OF TEMPER RESISTANCE LOW CARBON MARTENSITIC STEEL ON UNIFORM DEFORMATION STAGE
Определены числовые характеристики упрочнения низкоуглеродистых мартенситных сталей, имеющих реечную структуру, легированных сильными карбидообразующими элементами. Исследована микро- и тонкая структура сталей, определены значения показателей прочности, пластичности и вязкости. Построены истинные кривые «деформация - напряжение». Рассчитаны показатели упрочнения для стадии равномерной деформации. Показано хорошее согласие экспериментальных данных с уравнением Людвика - Холломона.
Ключевые слова: упрочнение, деформация, низкоуглеродистые стали, структура, показатель упрочнения, мартенсит, аустенит, бейнит.
Are defined numerical characteristics of strengthening of low-carbon martensitic steels, with the rake structure, alloyed strong carbide forming elements. Shown micro- and fine structure of steels, characteristics of strength, ductility and impact toughness. We construct the true curves of strain -stress diagram. Hardening rates were calculated for uniform strain stage. The good agreement between the experimental data with the equation of Ludwick - Hollomon.
Keywords: strengthening, strain, low carbon steel, structure, rate of strengthening, martensite, austenite, bainite.
Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) [1] содержат менее
0,12 % С, легированы 1-3 % Cr, 1-2 % Mn, 1 % Ni и часто сильными карбидообразующими элементами. Добавки V, Nb и/или Ti обеспечивают рост от-пускоустойчивости и проявление структурной наследственности [2]. НМС, при равной со среднеуглеродистыми сталями прочности, обладают вдвое более высокими характеристиками надежности [3].
Повышение содержания углерода в исследованных НМС более 0,12 % С продиктовано потребностью современной промышленности в высокопрочных сталях.
Важной характеристикой стали является деформационное упрочнение. Оценить упрочнение материала позволяет показатель деформационного упрочнения п уравнения Людвика - Холломона [4]:
= Кьеп, (1)
где - истинное напряжение; К - коэффициент упрочнения; е - истинная деформация.
Показатель деформационного упрочнения п зависит от предыдущей деформации [5], состава стали, температуры испытаний, скорости нагружения, количества, размеров и морфологии характерных элементов структуры (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительные характеристики упрочнения материалов на стадии равномерной деформации [4, 6-9]
Материал Кристаллическая решетка / структура п
Сталь 10 ОЦК 0,3
Сплав алюминия Д1 ГЦК 0,5
Сплав алюминия А85 (ё = 50 мкм) ГЦК 0,5
Сплав алюминия А85 (ё = 0,5 мкм) ГЦК 0,07
Сплав циркония ГПУ 0,2
Титан ВТ 1-00 (ё < 0,1 мкм) ГПУ 0,06
Сталь 10 Феррит 0,3
Сталь Х70 (12Г2СФТБ) Феррит + сорбит 0,2
Сталь 42СгМо4 (40ХМ) Феррит + сорбит 0,1
Сталь Х2Сг№Мо18.12 (02Х18Н12М) Аустенит + мартенсит (деформационное у-а-превращение) 0,36
Примечание: скорость деформации в интервале 0,25-5 мм/мин.
Для оценки поведения материала в реальных условиях нагружения с учетом упрочнения строят истинные диаграммы «деформация - напряжение».
Цель работы - исследование деформационного упрочнения отпускоустойчивых НМС на стадии равномерной деформации.
Методика эксперимента и исследования. Исследовали НМС системы Бе - Сг - Мп - N1 - Мо - V - № с различным содержанием углерода (табл. 2). Образцы для исследований изготовлены из проката диаметром 110 мм (сталь 15Х2Г2НМФБА) и диаметром 90 мм (сталь 19Х2Г2НМФБА).
Таблица 2
Химический состав исследуемых сталей, %
Сталь С Бі Мп Сг Мі Мо У Си А1 N н, ррт №
15Х2Г2НМФБА 0,15 0,26 2,07 2,10 1,23 0,42 0,09 0,20 0,015 0,011 1,4 0,063
19Х2Г2НМФБА 0,19 0,21 2,02 2,16 1,22 0,41 0,09 0,17 0,019 0,011 1,5 0,056
Примечание: суммарное содержание серы и фосфора не превышало 0,025 %.
Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине ІИ8Іхоп 300 ЬХ. Использовали цилиндрические образцы типа III, номер 7. Ударную вязкость определяли согласно ГОСТ 9454-78, на маятниковом копре ИО 5003-0,3, образцы типа 11 с У-образным надрезом. Значения КСУ, ов, от, 5, у получали как среднее арифметическое по результатам испытаний не менее трех образцов, твердость определена по Бринеллю на твердомере ТШ-2 (табл. 3).
Таблица 3
Механические свойства исследуемых сталей
Сталь о0,2, МПа ов, МПа 5, % ¥, % КСУ, Дж/см2 Твердость, НВ
15Х2Г2НМФБА 1092 1347 14,5 65,0 134 400
19Х2Г2НМФБА 1152 1442 17,7 61,0 100 420
Микроструктуру (рис. 1, а, б) исследовали на микроскопе №орЬо1;-32 при увеличении от 100 до 1000 крат, тонкую структуру (рис. 1, в, г) - используя просвечивающий электронный микроскоп 1БМ 200СХ (ускоряющее напряжение до 200 кВ).
Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на модернизированном дифрактометре ДРОН-3 при ускоряющем напряжении 30 кВ, силе тока 5 мА, использовали железное Ка-излучение.
Окончательная термообработка включала закалку от температуры 980 °С (охлаждение в воде) и отпуск при 250 °С. Такой режим обеспечивает ускоренное охлаждение и высокие механические свойства [10].
Результаты и их обсуждение. Структура обеих сталей - низкоуглеродистый пакетно-реечный мартенсит (рис. 1), с соответствующими такой структуре механическими свойствами (рис. 2, табл. 3). Рентгеноструктурным анализом остаточного аустенита не обнаружено.
1 мкм 1 мкм
в г
Рис. 1. Микроструктура (а - 15Х2Г2НМФБА; б - 19Х2Г2НМФБА) и реечная структура (в - 15Х2Г2НМФБА; г - 19Х2Г2НМФБА) исследуемых сталей
Размер зерна в сталях составлял 15-20 мкм, в каждом зерне обнаруживали 4-6 пакетов мартенсита (см. рис. 1, а, б). Ширина рейки (см. рис. 1, в, г) составляет 200-300 нм. Отношение наибольшей и наименьшей полуосей рейки соответствует отношению а:с = от 1:7 до 1:35 [11, 12].
Истинную диаграмму «деформация - напряжение» на стадии равномерной деформации НМС (см. рис. 2) аппроксимировали уравнением (1) [4]. Истинные напряжения определяли по формуле (2), а истинные деформации - по формуле (3):
ош = а(1 + є), (2)
е = 1п(1 + є), (3)
где о - условное напряжение; є - условная деформация.
Значения коэффициента К и показателя деформационного упрочнения п, полученные в результате аппроксимации, представлены в табл. 4 и на рис. 2.
1600
1500
1400
г\г\л с 0,089 у = 2045л:
- —
>■ 1( Шх0’0871
* 1300
О)
I 1200
Я
1100 1000
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
Деформация
Рис. 2. Условные и истинные диаграммы деформации исследованных
сталей на стадии равномерной деформации:---------условная диаграмма;
-----истинная диаграмма; 1 - 15ХГ2НМФБА; 2 - 19Х2ГНМФБА;
■ аппроксимация
Таблица 4
Работа равномерной деформации Ае и коэффициенты уравнения Людвика - Холломона
Обозначение стали Ае Равномерная деформация а№ = Кьеп
Расчет Эксперимент Кь п
15Х2Г2НМФБА 40,3 40,1 1912 0,087
19Х2Г2НМФБА 48,6 48,4 2045 0,089
Работу равномерной деформации Ае находили по площади, ограниченной кривой «деформация - напряжение» (эксперимент), и для проверки воз, , ев (,2 + 2°в)
можности расчетной оценки вычисляли по формуле Ае =—*— ----------- , полу-
ченной Ю.И. Рагозиным исходя из предположения о дискретности поглощения энергии при разрушении [13] (расчет): ев - условная деформация при достижении предела прочности; о0,2 - предел текучести; ов - предел прочности.
Резкое повышение напряжений в области 0,005 % деформации вызвано увеличением скорости деформирования образца в 9 раз, что разрешает ГОСТ 1497-84.
Показатель п на стадии равномерной деформации во многом характеризует релаксационную способность стали. Полученные значения п на этой стадии отпускоустойчивых НМС лежат в интервале значений п НМС без сильных карбидообразующих элементов [14], что указывает на их высокую релаксационную способность.
Сделаем следующие выводы:
1. Установлена возможность расчета работы равномерной деформации для отпускоустойчивых НМС на базе методики, предполагающей дискретный характер разрушения.
2. Введение в низкоуглеродистую сталь с мартенситной структурой сильных карбидообразующих элементов не привело к значительному изменению показателя упрочнения по сравнению с НМС без сильных карбидообразующих элементов.
3. Низкие значения п на стадии равномерной деформации обеспечивают повышенную релаксационную способность НМС.
Список литературы
1. Клейнер Л.М., Шацов А. А. Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 303 с.
2. Структурная наследственность в низкоуглеродистых мартенситных сталях / С.С. Югай, Л.М. Клейнер, А.А. Шацов, Н.Н. Митрохович // МиТОМ. - 2004. - № 12. - С. 24-29.
3. Сталь на рубеже столетий / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. - М.: Изд-во МИСиС, 2001. - 664 с.
4. Статическая прочность и механика разрушения сталей: сб. науч. тр.: пер. с нем.; под ред. В. Даля, В. Антона. - М.: Металлургия, 1986. -566 с.
5. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С. А. Физика макролокализации пластического течения. - Новосибирск: Наука, 2008. - 327 с.
6. Бочкарева А.В. Локализация пластической деформации и изменение скорости звука в материале с прерывистой текучестью: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новокузнецк, 2009. - 18 с.
7. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Автоволновая модель деформации и разрушения [Электронный ресурс] // Механика микронеоднородных материалов и разрушение: VI Рос. науч.-техн. конф. - ИКЬ: http://do.gendocs.ru/download/ docs-147955Z147955.doc.
8. Пшеничников А.П. Неустойчивость пластического течения в ГПУ сплавах циркония: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2010. - 18 с.
9. Полетика Т.М., Пшеничников А.П. Закономерности потери устойчивости пластического течения в сплаве циркония // 15-я Зимняя школа по механике сплошных сред: сб. ст. - Пермь, 2007. - Т. 4, № 3. - С. 97-100.
10. Клейнер Л.М., Шацов А.А., Ларинин Д.М. Низкоуглеродистые мар-тенситные стали. Легирование и свойства // МиТОМ. - 2010. - № 11. -С. 29-34.
11. Изотов В.И. Морфология и кристаллогеометрия реечного мартенсита // ФММ. - 1972. - Т. 34, № 1. - С. 123-132.
12. Структура и свойства перспективных металлических материалов / под общ. ред. А.И. Потекаева. - Томск: Изд-во науч.-техн. литературы, 2007. -580 с.
13. Рагозин Ю.И., Антонов Ю.Я. Метод ускоренного испытания металлических материалов на вязкость разрушения // Проблемы прочности. - 1984. -№ 2.- С. 28-32.
14. Деформационное упрочнение низкоуглеродистых мартенситных сталей на стадии равномерной деформации / С.К. Гребеньков, Л.М. Клейнер, А. А. Шацов, Д.М. Ларинин // Деформация и разрушение материалов. - 2013. -№ 4. - С. 15-18.
Получено 2.09.2013
Гребеньков Сергей Константинович - аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
Шацов Александр Аронович - доктор технических наук, профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
Ряпосов Иван Владимирович - кандидат технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
Grebenkov Sergey Konstantinovich - Graduate Student, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: [email protected]).
Shatsov Aleksandr Aronovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: [email protected]).
Ryaposov Ivan Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: [email protected]).
