CC BY
65
УДК 669.018.41:620.17
М.В. Голубева1, О.В. Сыч1, Е.И. Хлусова1, Г.Д. Мотовилина1
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ
НОВОЙ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОЙ ХЛАДОСТОЙКОЙ СТАЛИ С ГАРАНТИРОВАННЫМ ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ 690 МПа
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-19-24
Исследования выполнены с целью определения оптимального режима термической обработки новой экономнолегированной хладостойкой стали, обеспечивающего получение гарантированного предела текучести 690 МПа в сочетании с ударной вязкостью не менее 35 Дж/см2 при температуре испытаний -70°С. В работе исследовано влияние различных режимов закалки и отпуска на изменение механических свойств, структуры стали и характера разрушения образцов после испытаний на ударный изгиб при температуре -70°С. Показаны результаты исследования взаимосвязи свойств, структуры и характера разрушения стали. Определен оптимальный режим термической обработки новой экономнолегированной хладостойкой стали.
Ключевые слова: экономнолегированная высокопрочная сталь, хладостойкость, снижение углеродного эквивалента, растровая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, механические свойства, структура, бейнит, мартенсит, закалка, отпуск.
Purpose of the present research is to determine the optimal heat treatment parameters that ensure yield strength over 690 MPa in combination with impact toughness of at least 35 J/cm2 at temperature -70°C in new sparingly alloyed cold-resistant steel. The effect of various quenching and tempering parameters on mechanical properties, structure of steel and fracture mode of samples after impact tests at temperature -70°C has been studied. The interaction between the properties, structure and fracture mode of steel samples are shown. The optimal heat treatment parameters of new sparingly alloyed cold-resistant steel are determined.
Keywords: sparingly alloyed high-strength steel, cold resistance, reduction of carbon equivalent, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, mechanical properties, structure, bainite, martensite, quenching, tempering.
1Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра
«Курчатовский институт» Государственный научный центр Российской Федерации [National Research Center «Kurchatov Institute» Federal State Unitary Enterprise «Central Research Institute of Structural Materials «Prometey»]; e-mail: npk3@crism.ru
Введение
В настоящее время в России для производства ответственных сварных конструкций, в том числе для подъемно-транспортного оборудования и горнодобывающей техники, целесообразно использовать высокопрочные свариваемые конструкционные стали с гарантированным пределом текучести 690 МПа. Технико-экономическая эффективность применения высокопрочных сталей по сравнению с малоуглеродистыми и обычными низколегированными сталями заключается в снижении массы и повышении несущей способности конструкций, в увеличении их долговечности благодаря повышенной прочности и хладостойкости [1, 2].
В России при производстве сталей хромони-кельмолибденовой композиции легирования с
пределом текучести >690 МПа широко используется технология закалки с высоким отпуском (термоулучшение).
Цель данной работы - определение оптимального режима термической обработки листового проката из новой экономнолегированной хладостойкой стали хромоникельмолибденовой композиции легирования с гарантированным пределом текучести 690 МПа.
Материал и методика проведения эксперимента
В качестве материала для исследований была выбрана новая разработанная сталь марки 09ХГН2МД, химический состав которой представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав новой исследуемой стали (% по массе)
C Si Mn Ni+Cu Cr+Mo Al N V+Nb+Ti P S C Cэкв
0,09 0,33 0,67 2,24 0,795 0,036 0,006 0,024 0,007 0,003 0,51
Закалку и отпуск заготовок размером 12^300x350 мм проводили в лабораторных условиях. Варьировали следующие параметры термической обработки:
- температуру закалки: 900 и 950°С (выдержка при температуре закалки 60 мин);
- температуру отпуска: 550, 570, 600, 630, 660 и 690°С;
- продолжительность отпуска: 60 и 180 мин.
Охлаждение после закалки производили в воде, после отпуска - на воздухе.
Исследовали влияние данных параметров на механические свойства, структуру и характер разрушения.
Механические испытания образцов из стали на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84, на ударный изгиб при температуре -70°С - по ГОСТ 9454-78.
Исследования микроструктуры образцов выполняли на инвертированном микроскопе Ах^еА: 25СА и световом металлографическом микроскопе AxiоObserverA1M с цифровым анализатором изображения после травления в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Исследования тонкой структуры выполняли на просвечива-
ющем электронном микроскопе Теспа G2 30 S-TWIN, оснащенном рентгеновским энергодисперсионным спектрометром, при ускоряющем напряжении 120 кВ. Исследования поверхности разрушения образцов проводили с применением растрового электронного микроскопа ЕМ 535.
Экспериментальная часть
Влияние температуры закалки на механические свойства и структуру стали Результаты механических испытаний показывают, что повышение температуры закалки на 50°С не оказывает существенного влияния на механические свойства (табл. 2). Наблюдается незначительное снижение предела текучести (на 32 МПа) и ударной вязкости при температуре испытаний -70°С - на 12 Дж/см2
Исследования микроструктуры, выполненные методом оптической металлографии показывают, что после закалки с температур 900 (рис. 1, а) и 950°С (рис. 1, б) в образцах формируется бейнит-но-мартенситная структура, близкая по морфологическим признакам и размеру структурных составляющих. Большую часть поверхности
Таблица 2
Механические свойства новой исследуемой стали в закаленном состоянии
Температура закалки, °С Предел текучести а0д, МПа Ударная вязкость* КСУ-70, Дж/см2
900 859 46,8-85,1
66,0
950 827 43,4-64,9
54,2
* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.
Рис. 1. Микроструктура (а, б) и характер разрушения (в, г) исследуемых образцов, закаленных с температур 900 (а, в) и 950°С (б, г)
а) б) е) г)
Рис. 2. Особенности структурных составляющих в образце из стали, закаленном с температуры 950°С: а - реечный мартенсит; б - высокотемпературный мартенсит; в - реечный бейнит; г - гранулярный бейнит
изломов образцов Шарпи, испытанных при температуре -70°С, занимают области хрупкого транскристаллитного разрушения, образованного фасетками квазискола и микроскола, окруженные участками вязкого зернограничного излома (рис. 1, в, г).
Исследования тонкой структуры образцов после закалки с температуры 900°С показали, что основными структурными составляющими являются реечный бейнит (до 50%) и высокотемпературный мартенсит (до 40%). В структуре также присутствует до 10% реечного мартенсита. Средняя ширина реек в реечном бейните составляет 0,68 мкм, а в реечном мартенсите 0,13 мкм. Плотность дислокаций в реечном бейните составляет 2,91014 м-2, что на порядок ниже, чем в высокотемпературном (2,4 1015 м-2) и реечном (3,21015 м-2) мартенсите.
Повышение температуры закалки до 950°С приводит к изменению структуры стали: объемная доля реечного бейнита снижается до 30% (рис. 2, в), а высокотемпературного мартенсита -до 20% (рис. 2, б), доля реечного мартенсита увеличивается до 40% (рис. 2, а). В структуре образцов из стали выявлено также ~10% гранулярного бейнита с плотностью дислокаций 2,9 1014 м-2 (рис. 2, г), наличие которого и могло привести к незначительному снижению прочностных характеристик. Плотность дислокаций в реечном бей-ните, высокотемпературном и реечном мартенсите практически не изменяется по сравнению с образцами после закалки с температуры 900°С.
Следует отметить, что при увеличении температуры закалки в высокотемпературном мартенсите увеличивается объемная плотность карбидов
90 90 ^
самоотпуска внутри зерна - с 4 10 до 7 10 м-, при этом их средние размеры составляют 170-200 нм. В реечном мартенсите наблюдаются более мелкие частицы карбидов со средними размерами 10-40 нм.
Влияние температуры и продолжительности отпуска на механические свойства и структуру стали На рис. 3 представлены графики зависимости механических свойств от температуры отпуска и
продолжительности выдержки при нем. Требуемое сочетание прочности и ударной вязкости образцов из стали достигается в интервале температур отпуска 550-630°С и при температурах закалки как 900, так и 950°С. Увеличение продолжительности выдержки при отпуске с 60 до 180 мин способствует повышению значений ударной вязкости при температуре испытаний -70°С (рис. 3 б, г) при сохранении значений предела текучести не менее 690 МПа до температуры отпуска 630°С (рис. 3, а, в).
Исследования структуры образцов из стали показали, что после отпуска при температуре 570°С в образцах, закаленных с температуры 950°С, реечный характер структуры сохраняется (рис. 4, а), наблюдается уменьшение плотности дислокаций в дислокационном мартенсите - с 3,21015 до 2,0 1014 м-2, что сопровождается снижением предела текучести на 50-70 МПа (рис. 3, а, в). Одновременное повышение низкотемпературной ударной вязкости образцов из стали до значений не менее 90 Дж/см2 (рис. 3, б, г) может быть связано с разбиением реек а-фазы на фрагменты и выходом углерода из а-решетки с образованием дисперсных карбидов цементитного типа на границах этих фрагментов внутри зерен [3, 4].
Повышение температуры отпуска до 630°С способствует нарушению реечного характера структуры (рис. 4, б). В отдельных областях реечного мартенсита и бейнита реечной морфологии происходит исчезновение малоугловых границ реек и внутренних фрагментов с образованием областей сорбито-подобной феррито-карбидной смеси, размеры которых растут при увеличении температуры отпуска (рис. 4, б, в). Такие структурные изменения при отпуске приводят к снижению значений прочностных характеристик и росту значений низкотемпературной ударной вязкости (рис. 3).
Исследования тонкой структуры образца после отпуска при температуре 630°С показали, что в дислокационном мартенсите реечного типа происходит диссоциация карбидов самоотпуска и рост карбидов по границам реек. По границам кристаллитов бей-нита реечного и гранулярного типа наблюдается коагуляция частиц цементитного типа, происходит их легирование хромом и марганцем.
Рис. 3. Зависимости механических свойств от температуры и продолжительности выдержки при отпуске при температурах закалки 900 (•, ▲) и 950°С (о, д): а, б - в течение 60 мин; в, г - в течение 180 мин
г) д) е)
Рис. 4. Микроструктура (а-в) и характер разрушения (г-е) исследованных образцов после закалки с температуры 950°С и отпуска продолжительностью 180 мин при температурах 570 (а, г), 630 (б, д) и 690°С (в, е)
Более высокие температуры отпуска 660-690°С приводят к росту отдельных зерен а-фазы (рис. 4, в), интенсификации процессов коагуляции частиц, что вызывает существенное снижение предела текучести до значений <690 МПа (рис. 3, а, в).
Структурные изменения при отпуске существенно влияют на характер разрушения образцов
после испытаний на ударный изгиб при температуре -70°С.
После закалки с 950°С и отпуска при температуре 570°С в изломах ударных образцов реализуется разрушение микросколом и квазисколом (рис. 4, г). Повышение температуры отпуска до 630°С приводит к получению излома образца,
образованного преимущественно мелкими фасетками микроскола, порядка 30-35% излома представлены областями квазискола, ограниченными вязким контуром зернограничного излома (рис. 4, д). Однако, несмотря на преимущественно хрупкий вид излома образцов после отпуска при температурах 570-630°С, значения низкотемпературной ударной вязкости значительно выше требуемых.
Отпуск при температурах 660 и 690°С приводит к получению вязкого чашечного вида излома ударных образцов (рис. 4, е). Изменение характера разрушения образцов при повышении температуры отпуска обусловлено нарушением реечного характера структуры.
На основании комплексного анализа, результатов механических испытаний, исследования структуры и характера разрушения образцов из стали определены оптимальные параметры закалки и отпуска новой экономнолегированной хладостойкой стали, обеспечивающие получение гарантированного предела текучести 690 МПа в сочетании с требуемыми значениями низкотемпературной ударной вязкости, рекомендованные для опробования изготовления образцов толстолистового проката в условиях опытного производства. Температурные режимы термической обработки определяли с учетом опыта адаптации результатов лабораторных исследований к оборудованию научно-производственного комплекса. Для опробования изготовления листового проката толщиной 30 мм предложены следующие параметры:
- температура закалки 930°С;
- температура отпуска 570°С;
- продолжительность отпуска 100 и 180 мин.
Опробование рекомендованного режима термической обработки в условиях опытного производства
Результаты механических испытаний опытных образцов листового проката толщиной 30 мм после
закалки с температуры 930°С и отпуска при 570°С в течение 100 и 180 мин показали, что требуемое сочетание прочности и ударной вязкости достигается при продолжительности отпуска не более 100 мин (рис. 5).
Исследование структуры образцов листового проката, изготовленных в условиях опытного производства по рекомендованным режимам термической обработки, показало, что основными структурными составляющими являются реечный мартенсит, объемная доля которого составляет 50% (рис. 6, а, д), реечный бейнит - до 20% (рис. 6, в, ж) и гранулярный бейнит - до 25% (рис. 6, г, з). Высокотемпературный мартенсит занимает незначительную долю структуры - всего 5% (рис. 6, б, е). Плотность дислокаций в реечном мартенсите составляет (2,8-3,0)1014 м-2; она выше, чем в реечном бейните ((1,5-2,0)1014 м-2).
Увеличение длительности выдержки при отпуске со 100 до 180 мин приводит к растворению мелкой упрочняющей карбидной фазы внутри зерен и увеличению размеров карбидных частиц по границам бейнитных реек, что способствует снижению предела текучести и низкотемпературной ударной вязкости. Одновременно наблюдается рост карбидов по границам гранулярного бей-нита. Объемная плотность распределения карбидов самоотпуска в дислокационном мартенсите при этом практически не изменяется и остается на уровне (2,8-3,0) 1020м-3.
Заключения
На основании проведенных исследований новой экономнолегированной хладостойкой стали установлено следующее.
1. Достижение требуемых прочностных характеристик обеспечивается при формировании бей-нитно-мартенситной структуры с долей реечного мартенсита 40-50% с высокой плотностью дислокаций и равномерно распределенной мелкодисперсной карбидной фазой размером 10-40 нм
Рис. 5. Изменение механических свойств после закалки с температуры 930°С и последующего отпуска при температуре 570°С в течение 100 (■) и 180 мин (□)
Рис. 6. Структурные составляющие в исследованных образцах листового проката толщиной 30 мм после закалки с температуры 930°С и отпуска при температуре 570°С в течение 180 (а-г) и 100 мин (д-з):
а, д - реечный мартенсит; б, е - высокотемпературный мартенсит с карбидами самоотпуска; в, ж - реечный бейнит; г, з - гранулярный бейнит
внутри кристаллов при полном отсутствии структурно-свободного феррита.
2. Показано, что повышение температуры закалки с 900 до 950°С не оказывает существенного влияния на значения предела текучести и низкотемпературной ударной вязкости, однако способствует изменению соотношения структурных составляющих в бейнитно-мартенситной структуре:
- 10% реечного мартенсита+40% высокотемпературного мартенсита+50% реечного бейнита после закалки с температуры 900°С;
- 40% реечного мартенсита+20% высокотемпературного мартенсита+30% реечного бейни-та+10% гранулярного бейнита после закалки с температуры 950°С.
3. Установлено, что при повышении температуры отпуска в диапазоне 570-690°С происходит:
- снижение прочностных характеристик с одновременным повышением значений низкотемпературной ударной вязкости;
- нарушение реечного характера структуры, снижение плотности дислокаций и плотности распределения карбидных частиц;
- изменение вида излома образцов после испытаний на ударный изгиб - от хрупкого до вязкого чашечного, а также механизма разрушения.
4. Определен оптимальный режим термической обработки на примере листового проката толщиной 30 мм из новой экономнолегированной хладостойкой стали: закалка с температуры 930°С с последующим отпуском при температуре 570°С в течение не более 100 мин. Данный режим гарантирует получение предела текучести не менее 690 МПа в сочетании с ударной вязкостью не менее 35 Дж/см2 при температуре испытаний -70°С за счет формирования дисперсной бейнитно-мартенситной структуры, содержащей 50% реечного мартенсита и 45% бей-нита (соотношение бейнита реечной и гранулярной морфологии 20 и 25%) при незначительной доле высокотемпературного мартенсита - порядка 5%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барун В.Н., Белокуров В.Н., Павленко П.Д. Снижение металлоемкости несущей системы автомобиля-самосвала КамАЗ // Автомобильная промышленность. 1983. №9. С. 12-14.
2. Павленко П.Д., Фасхиев Х.А. Автомобили КамАЗ. Рама повышенной надежности // Автомобильная промышленность. 1992. №12. С. 10-11.
3. Никитин В.Н., Лазько В.Г. Высокопрочные свариваемые стали с пределом текучести 600-900 Н/мм2,
состояние и перспективы развития / Черметинфор-мация. М., 1988. 31 с.
4. Сыч О.В., Орлов В.В., Круглова А.А., Хлусова Е.И. Изменение структуры высокопрочной трубной стали класса прочности К70-К80 при варьировании режимов высокотемпературного отпуска после термомеханической обработки // Вопросы материаловедения. 2011. №1 (65). С. 89-99.
