CC BY
329
УДК 620.18
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1447-1449
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СТАЛИ 40Х13 ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ МЕТОДАМИ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
© Г.В. Шляхова1'2*, С.А. Баранникова1'3*, Л.Б. Зуев1'3*
1) Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
2) Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ, г. Северск, Российская Федерация,
е-mail: [email protected]
3) Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация,
е-mail: bsa@ ispms.tsc.ru
Исследовано деформационное поведение коррозионно-стойкой высокохромистой стали 40Х13 с ферритно-кар-бидной (состояние поставки) и мартенситной структурами (состояние после закалки). Обнаружено, что каждое состояние демонстрирует свой вид кривой нагружения. В состоянии поставки диаграмма нагружения является параболической на всем протяжении, в то время как в мартенситном состоянии содержит только стадию линейного деформационного упрочнения. Методами оптической, растровой сканирующей и атомно -силовой микроскопии исследована структура стали при различных видах термообработки.
Ключевые слова: высокохромистая сталь; структура; пластическая деформация; механические свойства; атомно-силовая микроскопия.
Поиск новых закономерностей в изменении физико-механических свойств металлов и сплавов после различных внешних энергетических воздействий является одной из важнейших проблем металловедения. Изменение свойств необходимо для получения сбалансированного комплекса характеристик конструктивной прочности сплавов с использованием энергосиловых воздействий, таких как обработка давлением и ТО сплавов [1].
Сталь 40Х13 обладает удовлетворительным соотношением прочностных и пластических характеристик, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в воде и в ряде кислот, и используется для изготовления ответственных деталей машин и агрегатов. Для аттестации материалов такого назначения важным представляется определение запаса пластичности и перехода к стадии разрушения до появления его видимых признаков.
Сталь 40Х13 целесообразно использовать после температурного отпуска в 200-400 °С в целях получения высоких коррозионной стойкости и твердости или после высокого отпуска при температуре 600-650 °С -для получения конструкционного материала. Образцы в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 50x10x2 мм были вырезаны электроискровой резкой из горячекатаного листа в состоянии поставки (ГОСТ 5582-75). Материал исследовался в состоянии поставки (1) и в закаленном (2) состояниях. Закалка проводилась после гомогенизации при Т = 1050 °С в течение 3 ч путем быстрого охлаждения на воздухе. Подготовленные образцы подвергались одноосному растяжению со скоростью 6,67-10-5 с-1 при комнатной температуре на универсальной машине LFM-125.
Для металлографических исследований подготовили образцы кубической формы с ребром = 10 мм. Образцы зажимали в струбцину, шлифовали на абразивных шкурках с понижением размера абразивного зерна. Для выявления структуры было проведено химическое травление реактивом Крупа: HCl:HNO3 (1:3). Для структурного анализа использовали оптическую микроскопию (Neophot 21), растровую микроскопию (Hitachi TM-1000) и атомно-силовую микроскопию (Solver PH47-PRO изготовленный ЗАО «Нанотехноло-гия-МДТ», Зеленоград, Россия) [2], которые позволяют исследовать особенности структуры различных материалов [3-5].
Рис. 1. Микроструктура стали 40Х13 в состоянии поставки: РЕМ
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
TU-1000 ЭОМ 2014 10 Э0 11 46 L «'S» 50 um
Рис. 2. Микроструктура стали 40Х13 после закалки, РЭМ
На рис. 1 показана микроструктура стали 40Х13 в состоянии поставки, полученная методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Твердость в состоянии поставки (1) составила 2060 МПа.
Сталь в состоянии поставки (1) имеет зернистую структуру, состоящую из ферритной матрицы, зернистого перлита и с крупными и мелкими частицами карбида (Сг, Fe)23C6 [6]. Зерна феррита имеют полиэдрическую форму, средний размер которых составил 7 мкм.
После закалки в состоянии (2) сталь 40Х13 приобретает мартенситную структуру, состоящую из мартенсита, небольшого количества карбидов и остаточного аустенита (рис. 2).
Исследование структуры методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) с применением контактного метода в режиме «постоянной силы» [2] показало, что данные оптической микроскопии согласуются с результатами АСМ. Так, структура стали в состоянии поставки (1) представляет собой смесь ферритной и карбидной фазы. В состоянии (2) после закалки и охлаждения на воздухе микроструктура стали состоит из мартенсита и включений карбидов (рис. 3). В матрице мартенсит преимущественно имеет игольчатую форму, однако встречается также мартенсит в виде пластин шириной менее 200 нм. Нерастворенные карбиды имеют в основном форму глобулей, максимальный размер которых составил до 500 нм. Наряду с крупными частицами карбидов наблюдаются также очень мелкие частицы, имеющие вытянутую форму. Следует отметить, что такие мелкие выделения не могут быть определены оптической микроскопией.
Характер деформационного упрочнения стали в состоянии поставки (1) и закаленной стали (2) различается, как и характеристики прочности и пластичности. Общее удлинение до разрыва образца в закаленном состоянии (2) составило ~2 %. Разрушение закаленной стали (2) происходит псевдо хрупко без образования шейки, в то время как в образцах стали в состоянии поставки (1) формируется хорошо видимая шейка. В закаленном состоянии (2) в объеме стали сформировалась мартенситная структура, характеризующаяся высокой прочностью, твердостью 3880 МПа и низкой пластичностью, что отобразилось на диаграмме нагру-жения [7].
Рис. 3. Скан-изображения структуры стали 40Х13 после закалки, АСМ
Анализ стадийности деформационных кривых сплава в состоянии поставки (1) позволил выделить стадию параболического упрочнения, где показатель деформационного упрочнения n « В закаленном состоянии (2) диаграмма нагружения содержит только стадию линейного деформационного упрочнения n = 1.
Таким образом, в настоящей работе показаны возможности и преимущества метода атомно-силовой микроскопии для исследования структуры сталей по сравнению с традиционно используемыми оптическими методами. Установлено, что структурное состояние исследуемой стали изменяет как тип деформационной кривой при одноосном растяжении, так и процесс локализации пластической деформации [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копцева Н.В., Ефимова Ю.Ю., Никитенко О.А., БарышниковМ.П., Жеребцов М.С. Формирование ультрамелкозернистой структуры углеродистой стали при высокоскоростной деформации сжатием при повышенных температурах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. № 59 (2). С. 123-127.
2. Сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO. Руководство пользователя. М.: ЗАО «Нанотехнология-МДТ», 2006. 341 с.
3. Зуев Л.Б., Шляхова Г.В. О возможностях атомно-силовой микроскопии в металлографии углеродистых сталей // Материаловедение. 2014. № 7. С. 7-12.
4. Lunev A. G., Nadezhkin M. V., Shlyakhova G. V., Barannikova S.A., Zuev L.B. The effect of hydrogen on the parameters of plastic deformation localization in low carbon steel // AIP Conference Proceedings. 2014. V. 1623. Р. 371-374.
5. Зуев Л.Б., Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Колосов C.B. Исследование микроструктуры элементов кабеля из сверхпроводящего сплава Nb-Ti // Металлы. 2013. № 2. С. 83-89.
6. Металлография железа. Атлас сталей: в 3 т. / под ред. Ф.Н. Тавад-зе. М. : Металлургия, 1972.
7. Pelleg J. Mechanical properties of materials. Dordrecht, Heidelberg, New York, London: Springer, 2G13. 644 p.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Государственной академии наук в 2015-2020 гг. и гранта РФФИ № 16-08-00385-a.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 620.18
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1447-1449
STUDY OF THE STRUCTURE OF HIGH-CHROMIUM STEEL 40Х13 UPON QUENCHING BY ATOMIC FORCE MICROSCOPY METHODS
© G.V. Shlyakhova12), S.A. Barannikova1,3), L.B. Zuev1,3)
1) Institute of Strength Physics & Materials Science, SB RAS, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
2) Seversk Technological Institute branch of NRNU MEPhI, Seversk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
3) National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, e-mail: bsa@ ispms.tsc.ru
The deformation behaviour of high-chromium steel 40Х13 with ferrite-carbide (delivery status) and marten-sitic structures (upon quenching) has been investigated. Each of the states is shown to be represented by a particular stress-strain curve. The stress-strain curve for the steel in the delivery state consists of a parabolic-hardening stage, whereas in the martensitic state consists of a single linear-hardening stage. Using the methods of optical, scanning raster and atomic force microscopy, structure of steel at different types of heat treatment has been investigated.
Key words: high-chromium steel; structure; plastic deformation; mechanical properties; atomic force microscopy.
REFERENCES
1. Koptseva N.V., Efimova Yu.Yu., Nikitenko O.A., Baryshnikov M.P., Zherebtsov M.S. Formirovanie ul'tramelko-zernistoy struktury uglerodistoy stali pri vysokoskorostnoy deformatsii szhatiem pri povyshennykh temperaturakh. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya — Izvestia. Ferrous Metallurgy. 2016, no. 59 (2), pp. 123-127.
2. Skaniruyushchiy zondovyy mikroskop Solver PRO. Rukovodstvo pol'zovatelya. Moscow, ZAO "Nanotekhnologiya-MDT", 2006. 341 p.
3. Zuev L.B., Shlyakhova G.V. O vozmozhnostyakh atomno-silovoy mikroskopii v metallografii uglerodistykh staley. Materialovedenie -Material science, 2014, no. 7, pp. 7-12.
4. Lunev A.G., Nadezhkin M.V., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. The effect of hydrogen on the parameters of plastic deformation localization in low carbon steel. AIP Conference Proceedings, 2014, vol. 1623, pp. 371-374.
5. Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Issledovanie mikrostruktury elementov kabelya iz sverkhprovodyashche-go splava Nb-Ti. Metally - Russian metallurgy (Metally), 2013, no. 2, pp. 83-89.
6. Tavadze F.N. (ed.) Metallografiya zheleza. Atlas staley: v 3 t. Moscow, Metallurgy Publ., 1972.
7. Pelleg J. Mechanical properties of materials. Dordrecht, Heidelberg, New York, London, Springer, 2013. 644 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled within a framework of program of Fundamental Research of State Academy of Sciences in 2015-2020 and grant of Russian Fund of Fundamental Research no. 16-08-00385-a.
Received 10 April 2016
Шляхова Галина Витальевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник; Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ, доцент кафедры «Машины и аппараты химических и атомных производств», e-mail: [email protected]
Shlyakhova Galina Vitalevna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Research Worker; Seversk Technological Institute - branch of National Research Nuclear University MEPhI, Associate Professor of Machines and Apparatus of Chemical and Atom Production Department, e-mail: [email protected] .ru
Баранникова Светлана Александровна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры «Механика деформируемого твердого тела», e-mail: [email protected]
Barannikova Svetlana Aleksandrovna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker; National Research Tomsk State University, Professor of Mechanics of Deformed Solid State Department, e-mail: [email protected]
Зуев Лев Борисович, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры «Теории прочности и проектирования», e-mail: [email protected]
Zuev Lev Borisovich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker; National Research Tomsk State University, Professor of Strength and Design Department, e-mail: [email protected]
