CC BY
52
МИКРОСТРУКТУРА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА ПОСЛЕ ОБЪЕМНОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ
СТАЛИ 09Г2С
Мордовской Петр Григорьевич
младший научный сотрудник, Институт физико-технических проблем Севера
им. В.П. Ларионова СО РАН, РФ, г. Якутск E-mail: [email protected] Яковлева Софья Петровна проф., д-р техн. наук, зав. отделом материаловедения, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, РФ, г. Якутск
E-mail: [email protected] Махарова Сусанна Николаевна канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Институт физико-технических
проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, РФ, г. Якутск
E-mail: [email protected]
MICROSTRUCTURE AND DISTRIBUTION OF CARBON AFTER VOLUME NANOSTRUCTURING OF CONSTRUCTION STEEL 09G2S
Petr Mordovskoi
junior research scientist, Institute of Physical and Technical Problems of the North
SB RAS, Russia Yakutsk Sophia Yakovleva
professor, Doctor of Science, Head of Material Science department, Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS, Russia Yakutsk
Susanna Maharova
candidate of Science, leading research scientist, Institute of Physical and Technical
Problems of the North SB RAS, Russia Yakutsk
АННОТАЦИЯ
В работе исследованы микроструктура и распределение углерода в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С после объемного наноструктурирования методом равноканального углового прессования (РКУП) и последующего низкотемпературного отжига при 350 °С. Проведены сканирующая электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализ структуры материала. После РКУП и отжига получена структура с ультрамелкозернистым ферритом и равномерно распределенными в ферритной матрице наноразмерными карбидами.
ABSTRACT
We studied the microstructure and distribution of carbon after the volume nanostructuring by equal-channel angular pressing (ECAP) and subsequent low-temperature annealing at 350 °C. We performed scanning electron microscopy and micro x-ray spectral analysis of the structure. After ECAP and annealing obtained structure with ultrafine-grained ferrite and uniformly distributed in the ferrite matrix nanoscale carbides.
Ключевые слова: объемное наноструктурирование; равноканальное угловое прессование; структура; микрорентгеноспектральный анализ.
Keywords: volume nanostructuring; equal-channel angular pressing; structure; micro x-ray spectral analysis.
РКУП разработано В.М. Сегалом в 1970-х годах. В начале 90-х годов Р.З. Валиевым с соавторами [1] данная обработка металлических материалов была развита и впервые применена как метод интенсивной пластической деформации (ИПД) для получения структур с субмикрокристаллическим и нанометрическим размером зерен. Комбинация РКУП и низкотемпературного отжига является перспективной технологией получения наноструктуры во всем объеме обработанного материала, что обуславливает получение уникальных физико-механических свойств.
Материалы и методика исследования. Исследования проведены на широко применяемой в условиях холодного климата конструкционной ферритно-перлитной стали 09Г2С. Химический состав представлен в табл. 1. Заготовки стали 09Г2С диаметром 20 мм и длиной 100 мм продавливали через матрицу с углом пересечения каналов 90° при 20° С с двумя циклами прессования по маршруту Вс (рис. 1). Затем проводили термическую обработку (ТО) низкотемпературный отжиг при 350° С в течение 1 часа.
Таблица 1.
_Химический состав стали 09Г2С, %._
C Si Mn P S Cr Ni Al Cu
0,09 0,64 1,26 0,007 < 0,003 0,08 0,1 0,02 0,14
Рисунок 1. Схема РКУП
Сканирующую электронную микроскопию проводили на приборе Mira3Tescan. Микрораспределение химических элементов проведено методом микрорентгеноспектрального анализа при сканировании с помощью прибора JEOL JSM-6480LV (луч диаметром ~2 мкм, ^-излучение).
Результаты и обсуждение. Структура стали 09Г2С в исходном состоянии ферритно-перлитная (рис. 2, а) средний размер зерен феррита составляет 10-20 мкм.
Рисунок 2. Микроструктура стали 09Г2С в исходном состоянии (а) и после
РКУП и ТО при 350° С (б).
После РКУП структура состоит из распределенных в деформированной ферритной матрице обособленных карбидов диаметром -300...500 нм и карбидных конгломератов, средний размер ферритных областей свободных от перлита равен ~5 мкм [2]. При последующем нагреве до 350° С размер ферритных площадок становиться менее 2 мкм, продолжается процесс диспергирования карбидов до первых десятков нм, происходит их растворение, сопровождающееся сфероидизацией и рассредоточением карбидов, что хорошо видно при больших увеличениях (рис. 2, б).
В колониях пластинчатого перлита при деформировании первоначально меняются межпластиночные расстояния; в пластинах феррита, как и в матричном феррите, идет формирование развитой ячеистой структуры, пластины цементита постепенно истончаются и фрагментируются.
Для анализа микроструктуры наноструктурированной стали 09Г2С был проведен микрорентгеноспектральный анализ, были выбраны следующие точки в темных (1—4), светлых (5—8) и серых (9—12) областях (рис. 3).
В табл. 2 и рис. 3 представлены результаты микрорентгеноспектрального анализа. В темных областях снимка содержание углерода минимально (спектры 2 и 3), кроме области 1 и 4 (пора), в которой по всей видимости находиться свободный графит. Светлые области (спектры 5—8) показали содержание углерода от 0,072 до 0,084 %. Серые области (спектры 9—12) практически не содержат углерод. Можно предположить, что в серых областях расположен феррит с растворимостью углерода 0,02—0,03 %, а в светлых областях вдоль границ зерен феррита расположены скопления карбидов.
Таблица 2.
Микрорентгеноспектральный анализ. Содержание углерода по точкам
Точка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
С,% 0,067 0,14 0,072 0,078 0,084 0,081 0,052
0 12 3 4 5 6 7 8 Full Scale471 cts Cursor: Р.МШ_keV
Рисунок 3. Микрораспределение химических элементов в образце после РКУП и ТО при 350оС: области проведения микрорентгеноспектрального анализа (а); линии рентгеновского спектра в точке 3 (б) и в точке 6 (в)
Выводы:
1. Микроструктура после РКУП и низкотемпературного отжига при 350° С состоит из фрагментированных вытянутых зерен феррита со средним размером зерен ~2 мкм.
2. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что после РКУП и низкотемпературного отжига при 350° С происходит измельчение до первых десятков нанометров, сфероидизация и перераспределение карбидов вдоль границ фрагментированного феррита.
Список литературы:
1. Валиев Р.З., И.В. Александров. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. — 272 с.
2. Яковлева С.П., Махарова С.Н., Борисова М.З. Образование наноразмерных элементов структуры в стали 09Г2С при низкотемпературном отжиге после интенсивной пластической деформации // Сб. материалов III межд. конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
(12—12 октября 2009 г., М.). М.: Интерконтакт Наука, — 2009. — Т. 1. — С. 256—257.
