Исследование микроструктуры и фазового состояния низколегированной стали после интенсивной пластической деформации и термической обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

© П.П. Петров, А.М. Иванов, А.А. Платонов, Н.Д. Петрова

Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск, Россия,

e-mail: a.m.ivanov@iptpn.ysn.ru

Ключевые слова: сталь; микроструктура; фаза; интенсивная пластическая деформация; термическая обработка. Представлены данные по исследованию изменения микроструктуры и фазового состояния в низколегированной ферритно-перлитной стали после воздействия интенсивной пластической деформации и термической обработки.

Введение. Изменение микроструктуры в процессе интенсивной пластической деформации (ИПД) и её влияние на механические характеристики для чистых металлов и некоторых сплавов изучены достаточно полно. Закономерности фазовых превращений при ИПД рассмотрены в основном для алюминиевых сплавов, ферритных, аустенитных, перлитных, мартенсит-ных и ферритно-перлитных сталей и других сплавов в большинстве случаев при кручении под высоким ква-зигидростатическим давлением. Следует отметить, что вопрос влияния режимов ИПД по схеме РКУП на структурные и, в особенности, на фазовые превращения в конструкционных сталях ферритно-перлитного класса остается мало изученным.

Материал и методика эксперимента. Химический состав 09Г2С в % - 0,12 С; 0,008 N 0,5-0,8 Б1; 0,035 Р; 0,04 Б; 0,3 Сг; 1,3-1,7 Мп; 0,3 N1; 0,3 Си; 0,08 Л8 и остальное Ее.

Изучение структуры проводилось с помощью оптической, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа.

Результаты исследований. Средний размер зерна 09Г2С в исходном состоянии 16 мкм. Режимы РКУП и ТО стали 09Г2С следующие: 1) эталон - материал без механической обработки, отожжённый при Т = 1073 К в течение 1 часа с последующим остыванием в печи; 2) материал, закаленный в воде от Т = 1203 К и подвергнутый РКУП (ВС, Т = 623 К, п = 4); 3) материал, закаленный в масле от Т = 1203 К и подвергнутый РКУП (ВС, Т = 623 К, п = 4) и 4) материал, закаленный в масле от Т=1423 К и подвергнутый РКУП по маршруту ВС в п = 4 прохода при температуре Т = 623 К.

Закалка в масле от Т = 1423 К приводит к образованию мартенсита + феррита со средним размером субзерен 300 нм. При деформировании закаленной стали методом РКУП выделяется перлит и начинает формироваться перлитно-ферритная структура. Происходит измельчение структуры - ферритного зерна и участков перлита, которые располагаются преимущественно на границах ферритных зерен или чередуются с ними. Структура феррита характеризуется наличием (разме-

ром 5-6 мкм) субзерен с четко ограниченными границами, имеющими более мелкую субструктуру. Сформировавшаяся структура феррита имеет высокую плотность дислокаций.

По результатам рентгеновского фазового анализа установлено следующее:

- во всех исследованных образцах фазовый состав один и тот же (таблица 1), то есть состоит, кроме основного элемента, из цементита (Ее3С), интерметаллического соединения с матрицей (ЕеМп4) и силицида железа (Ее812);

- для Ее3С профили дифракционных линий, как по интенсивности, так и по полуширине на испытанных образцах одинаковы, то есть цементит не претерпевает существенных изменений при данных трех условиях предварительной ТМО;

- для ЕеМп4 в образце №4 наблюдается максимальное значение относительной интенсивности, что характеризует преимущественную ориентировку (текстура) зерен в соответствующем слое образца;

- для ГеВ12 по интенсивности и по форме профили дифракционных линий для всех образцов одинаковы, то есть силицид железа как более жесткое фазовое составляющее испытывает минимальное искажение.

В результате закалки и РКУП прочность стали 09Г2С повышается: по режиму №4 увеличение прочности в 2,46^3,34 раза и снижение пластичности в 3,65 раз по сравнению с исходным состоянием (таблица 2). Можно предположить, что при температуре закалки 1203 К формируется более мелкодисперсный мартенсит, чем при Т = 1423 К. Снижение температуры закалки

Таблица 1

Элементный фазовый состав стали 09Г2С

№ Fe Fe3C FeMn4 FeSi2

1 + + + +

2 + + + +

3 + + + +

4 + + + +

Таблица 2

Значения характеристик прочности и пластичности стали 09Г2С при 293 К после различных режимов обработки

№ Состояние материала МПа Ов, МПа s%

1 Исходное состояние -состояние поставки 332 464 23

2 1) Закалка от Т = 1203 К в воду; 2) РКУП, «ВС», Т = 623 К, п = 4 1164 1231 6,9

3 1) Закалка от Т = 1203 К в масло; 2) РКУП, «ВС», Т = 623 К, п = 4 1163 1178 7,1

4 1) Закалка от Т = 1423 К в масло; 2) РКУП, «ВС», Т = 623 К, п = 4 1108 1140 6,3

при тех же режимах РКУП (режим № 3) способствует как увеличению прочности, так и пластичности. Такое поведение материала при ИПД после закалки, возможно, обусловлено меньшим количеством выделения перлита, как более твердого структурного составляющего наряду с ферритом. ТМО по режиму № 3 повышает прочностные характеристики в 2,54^3,5 раза и снижает пластичность в 3,24 раза.

Выводы. Таким образом, для рассмотренных режимов ТМО стали 09Г2С более высокая прочность достигается при закалке в воде и РКУП, а большая пластичность - при закалке в масле и РКУП. Причиной динамического упрочнения является появление больших сжимающих напряжений, которые способствуют протеканию структурного изменения, в частности, образованию субзеренной структуры, имеющей несколько вытянутую форму вдоль направления деформации, границы которой утолщены и характеризуются повышенной плотностью дислокаций. Сжимающие напряжения также способствуют протеканию фазового превращения, в данном случае, изменений, происходящих в мартенситной составляющей стали.

Малые размеры субзерен обеспечивают достаточно высокую прочность. Вместе с тем, пониженная плотность дислокаций в некоторых субграницах делает их барьерами, которые обеспечивают релаксацию пиковых напряжений, созданных скопившимися дислокациями, и их прорыв в соседние субзерна.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-01-98507.

Petrov P.P., Ivanov A.M., Platonov A.A., Petrova N.D. Investigation of microstructure and phase state of low-alloy steel after severe plastic deformation and heat treatment

The data on the study of changes in the microstructure and phase state of low-alloy ferritic-pearlitic steel after exposure to severe plastic deformation and heat treatment is given.

Key words: steel; microstructure; phase; severe plastic deformation; heat treatment.