Изучение структуры и механических свойств феррито-перлитной стали 10Г2ФТ после интенсивной пластической деформации и последующих высокотемпературных отжигов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ 10Г2ФТ ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПОСЛЕДУЮЩИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТЖИГОВ

© Г.Г. Захарова1*, Е.Г. Астафурова1*, М.С. Тукеева1*,

Е.В. Найденкин1*, Г.И. Рааб2), С.В. Добаткин3*

^ Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Россия 2) Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Россия 3) Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, г. Москва, Россия,

e-mail: [email protected]

Ключевые слова: сталь; феррит; перлит; интенсивная пластическая деформация.

Изучены структура и механические свойства низкоуглеродистой феррито-перлитной стали 10Г2ФТ (Ре-1,12Ып-0,08У-0,07'П-0,1С, мас.%) после холодной интенсивной пластической деформации и последующих высокотемпературных отжигов.

В работе изучено влияние отжигов на структуру, фазовый состав и механические свойства низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ, полученной методами равноканального углового прессования (РКУП) и кручения под гидростатическим давлением (КГД).

Сталь 10Г2ФТ (Ее-1,12Мп-0,08У-0,07Ті-0,1С,

мас.%) в исходном состоянии после горячей ковки и нормализации при 950 °С имела феррито-перлитную структуру. РКУП цилиндрических заготовок проводили по режиму ВС (М = 4 прохода) при Т = 200 °С, угол сопряжения между каналами составлял Ф = 120°. Образцы также деформировали кручением при температуре 20 °С на 5 оборотов. Сталь в исходном состоянии, после РКУП и КГД, подвергали высокотемпературным отжигам при 400, 500, 600, 700 °С в вакууме (выдержка 1 час), охлаждение производили с печью.

Исходная структура нормализованной стали 10Г2ФТ до РКУП состоит из смеси феррита и перлита, объемная доля перлита составляет менее 20 %. Перлит имеет пластинчатую структуру со средним расстоянием между пластинами Ее3С I ~ 45 нм. Зерна феррита и перлита в исходном состоянии имеют квазиравноосную форму со средним размером зерна феррита 4,2 мкм, в теле зерен и по границам обнаружены частицы карбидов УС, ТіС размером 15-20 нм.

РКУП феррито-перлитной стали 10Г2ФТ при Т = = 200 °С привело к фрагментации и формированию развитой зеренно-субзеренной структуры. Средний размер фрагментов структуры, определенный по темнопольным электронно-микроскопическим изображениям составляет 260 ± 90 нм. Микродифракционная картина представляет собой квазикольцо, включающее яркие точечные рефлексы с типичным азимутальным размытием, указывающим на присутствие как большеугловых, так и малоугловых разориентаций. Границы зерен неравновесные, обнаружено множество контуров экстинкции внутри зерна. РКУП при Т = 200 °С не

приводит к полному растворению цементита в перлите, вызывает его фрагментацию и частичную сфероидиза-цию. На дислокациях в теле зерна и по границам присутствуют сферические карбиды УС, ТіС, У8С7, Ее3С с размером <10 нм, их объемная доля не превышает 1 %.

В процессе КГД реализуются большие напряжения и давления в сравнении с РКУП. Средний размер элементов зеренно-субзенной структуры составляет 90 ± 50 нм. После КГД наблюдаются многочисленные контуры экстинкции, полосчатый контраст внутри фрагментов, границы зерен искажены и размыты. Множество ярких рефлексов, выстроенных в кольцо на электронограмме, свидетельствует о преимущественно высокоугловых разориентировках в структуре, но при этом наблюдаются и азимутальные размытия рефлексов. Множество мелких карбидов, таких как У8С7, У2С, Ее3С, М23С6, М6С, было обнаружено в сформированной методом КГД структуре. Эти частицы имели преимущественно сферическую форму. Пластины Ее3С не были обнаружены после КГД, следовательно, кручение приводит к растворению цементита в перлите, перераспределению углерода по образцу и способствует выделению новых карбидов.

Отжиг при 500 °С не приводит к заметному изменению фазового состава и структуры стали после РКУП - наблюдается слабый рост размеров структурных элементов до ~400 нм, структура по-прежнему неравновесна, границы размыты. Пластины цементита искривлены, заметно тоньше, чем в исходной структуре (~20 нм). Отжиг приводит к выделению карбидов в теле зерен (~5 нм), на электронограммах видны диффузные кольца карбидов М23С6, Ее3С и ТіС.

Исследование дислокационной структуры после отжигов при температурах 600 и 700 °С показывает, что в этом интервале температур активно идут процессы рекристаллизации и наблюдается быстрый рост зерен до 2,2-2,9 мкм. Границы зерен становятся четки-

ми, но в теле зерен по-прежнему наблюдаются контуры экстинкции, указывающие на высокие внутренние напряжения в структуре зерен. Карбидная подсистема после отжига при 600 °С состоит из мелкодисперсных сферических карбидов У8С7, У2С, Ее3С с размером ~ 20 нм в теле зерен, тонких прослоек Ее3С по границам и крупных карбидов М23С6, Ее3С и ТіС с размерами 100-450 нм. Отжиг при 700 °С приводит к растворению карбидов на основе ванадия и росту карбидов Ее3С, М23С6, М6С. Доля цементита, имеющего пластинчатую структуру, наследованную от зерен перлита до РКУП, с ростом температуры отжига уменьшается и после отжига при 700 °С составляет менее 1 %. Сферический цементит является основной карбидной фазой в структуре стали 10Г2ФТ после РКУП и отжига при 700 °С.

Ультрамелкодисперсный характер структуры,

сформированной методом КГД, сохраняется до температуры отжига 400 °С. Характер микроэлектронногра-мы после КГД и отжига при 400 °С слабо изменяется по сравнению с состоянием после кручения, рефлексы выстроены в кольцо, границы зерен становятся четче. Это свидетельствует о частичном отпуске структуры стали. Наблюдается дополнительное диффузное кольцо на электронограмме после КГД и отжига 400 °С, соответствующее ультрамелкодисперсной фазе Ее3С в структуре стали. Отжиги в интервале температур 500-600°С способствуют росту зерна. Средний размер зерна составляет 490 ± 70 нм после отжига при 500 °С и 630 ± 300 нм после отжига при 600 °С.

Формирование субмикрокристаллической структуры в стали 10Г2ФТ приводит к росту ее механических

свойств: Нц = 1,6 ГПа в исходном состоянии, Нц = = 2,9 ГПа после РКУП и Нц = 6,4 ГПа после КГД. Эволюция значений микротвердости с температурой отжига находится в полном соответствии с изменениями структуры исследуемой стали.

Таким образом, сформированные методами РКУП и КГД структуры обладают термической стабильностью до 500 °С после равноканального углового прессования и до 400 °С после кручения под давлением. КГД обеспечивает образование нанокристаллической структуры с меньшим размером структурных элементов (субзерна и карбидов), что и обусловливает более высокие прочностные свойства и низкую термическую стабильность структуры по сравнению с кристаллами, полученными при РКУП.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (г/к № П151).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Zakharova G.G., Astafurova E.G., Tukeeva M.S., Naidyon-kin Ye.V., Raab G.I., Dobatkin S.V. A study of structure and mechanical properties of ferritic-pearlitic steel Fe-Mn-V-Ti-0.1C steel after severe plastic deformation and subsequent high-temperature annealing

Structure and mechanical properties of low-carbon ferritic-pearlitic steel (Fe-1.12Mn-0.08V-0.07Ti-0.1C, wt.%) were studied after cold severe plastic deformation and subsequent high-temperature annealings.

Key words: steel; ferrite; pearlite; severe plastic deformation.