CC BY
142
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 691.87:691.714:539.434
© Ефременко В.Г.1, Зурнаджи В.И.2
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Q&P-ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОМПЛЕКСА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ
В статье представлен обзор зарубежных публикаций по исследованию влияния режимов Q&P-термической обработки на механические и эксплуатационные свойства конструкционных сталей. Проанализированы механизм структурообра-зования при Q&Р-обработке, влияние легирующих элементов и микроструктуры на механические свойства сталей с различным содержанием углерода. Представлена классификация видов Q&Р-обработки, описаны ее перспективы в получении относительно недорогих высокопрочных сталей.
Ключевые слова: Q&P-технология, аустенит, мартенсит, прочность, пластичность, TRIP-эффект.
Сфременко В.Г., Зурнаджи В.1. Перспективи використання Q&P-технологu термообробки для тдвищення комплексу мехатчних властивостей стали У
статт1 представлений огляд заруб1жних публтацт по досл1дженню впливу режи-м1в Q&P-термiчноi обробки на мехатчт та експлуатацтт властивост1 констру-кцтних сталей. Проаналiзовано мехатзм структуроутворення при Q&Р-обробцi, вплив легуючих елементiв i мтроструктури на мехатчт властивостi сталей з рiз-ним вмiстом вуглецю. Представлена класифтащя видiв Q&Р-обробки, описан ii перспективи в отриманн вiдносно недорогих високомщних сталей. Ключовi слова: Q&P-технологiя, аустент, мартенсит, мщтсть, пластичтсть, TRIP-ефект.
V. G. Efremenko, V.I. Zurnadgy. Perspectives of using Q&P-heat treatment process for improving complex of mechanical properties of steel. The article provides an overview offoreign publications on the influence of modes Q&P (quenching and partitioning) heat treatment on mechanical and operational properties of structural steels with different carbon content. The mechanism of structure formation in Q&P-treated steels is analyzed, it is shown that Q&P-treatment results in formation of a microstructure containing tempered martensite, lower bainite (polygonal ferrite) with an increased amount of residual austenite which provides TRIP-effect when loaded. The values of strength and plastic properties, achieved in the low-carbon, medium-and high-carbon steel as a result of Q&P-processing are presented. The effect of alloying elements (Mn, Si, Al, Cr, Mo, Nb etc.) on the properties of the Q&P-steels is described. It is shown the crucial role of silicon and aluminum in formation of residual austenite and carbides-free bainite. The parameters of Q&P-processing, determining the amount of residual austenite and its ability to deformation martensite transformation during deformation are analyzed. The classification of types Q&P-treatment, depending on the additional operations of heat treatment such as preliminary hardening, heating in the intercritical temperature range, tempering for dispersed carbides precipitation, is given. The prospects of Q&P-processing to produce relatively inexpensive high strength steels are described. Keywords: Q&P-technology, austenite, martensite, strength, plasticity, TRIP-effect.
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, vgefremenko@mail. ги
2 студент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь,
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Постановка проблемы. В связи с потребностью в снижении веса стальных конструкций и, как следствие, экономии энергетических и сырьевых ресурсов, постоянно растет акцент на разработку новых высокопрочных сталей и развитие технологий их термообработки. Высокопрочные стали применяют при изготовлении болтов и крепежных изделий, высокоскоростных роторов, валов и многих других деталей машин и механизмов. Эти стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения. Получение высокопрочных сталей возможно за счет легирования, применения особых методов термообработки в сочетании с деформацией, а также за счет производства сталей высокой чистоты.
В последние годы активно развивается направление термообработки, которое в западной научной литературе получило название «Quenching and Partitioning», сокращенно - Q&P. В переводе с английского это означает «закалка и перераспределение (углерода)». Поскольку в отечественной литературе данные о Q&P-технологии практически отсутствуют, представляет интерес анализ ее особенностей и перспектив в получении высокопрочного состояния сталей.
Анализ последних исследований и публикаций. В 2003 году J.G. Speer предложил теорию «Ограниченного параравновесия углерода» («Constrained Carbon Paraequilibrium»), позволяющую рассчитать количество углерода, который может диффундировать из свежего пересыщенного углеродом мартенсита закалки в аустенит [1]. Базируясь на этой теории, была обоснована и предложена технологическая схема термической обработки стали, получившая название «Quenching and Partitioning - Q&P» («Закалка и разделение») [2]. Ввиду перспективности данная технология активно исследуется и развивается в последние годы [3-11].
Цель работы - анализ известных экспериментальных данных о влиянии параметров термической обработки по технологии Q&P на структуру и механические свойства сталей с различным содержанием углерода.
Изложение основного материала. Основная задача Q&P-обработки - создание многофазной структуры, содержащей повышенное количество остаточного аустенита (Аост), обладающего способностью к деформационному мартенситному превращению (ДМП). При нагру-жении такой аустенит претерпевает, превращаясь в мартенсит деформации, что обеспечивает рост прочности при одновременном повышении пластичности за счет реализации TRIP-эффекта (TRIP - transformation induced plasticity (пластичность, наведенная превращением)). Поэтому низкоуглеродистые стали, обработанные по Q&P-технологии, обладают повышенной прочностью 900-1800 МПа в сочетании с достаточной пластичностью (5 = 7-21%) (рис. 1) [6]. По комплексу свойств они превосходят двухфазные (феррито-мартенситные) и мартенситные стали. В среднеуглеродистой стали состава 0,54% C; 0,84% Mn; 0,15% Cr; 0,9% Si в результате Q&P-обработки достигнуты следующие свойства: предел текучести - 969 МПа; предел прочности при растяжении - 1907 МПа; относительное удлинение - 17% [8].
Основные этапы Q&P-обработки представлены на рис. 2. После аустенитизации (стадия А) производится закалка с охлаждением до температуры ti, лежащей в интервале между точками Мн и Мк (стадия Q-«quenching»). После короткой выдержки при этой температуре (в течение которой выравнивается температура по сечению образца и в нем образуется определенное количество мартенсита закалки), следует нагрев и выдержка при температуре, достаточной для активизации диффузии углерода (стадия P-«partitioning»). Как правило, ее выбирают несколько выше температуры Мн. На стадии «partitioning» происходит межфазное перераспределение углерода: он диффундирует из мартенсита в остаточный аустенит, поскольку растворимость углерода в у-фазе значительно выше, чем в мартенсите. Движущей силой процесса «разделениия» является стремление системы к минимуму свободной энергии за счет уменьшения энергии упругой деформации решетки мартенсита. В результате аустенит насыщается углеродом, что понижает его мартенситную точку и повышает устойчивость к мартенситному превращению при последующем охлаждении. Мартенсит, образовавшийся на стадии Q, претерпевает распад на стадии «partitioning». По завершении стадии Р следует окончательное охлаждение, в процессе которого формируется структура, состоящая из отпущенного мартенсита, остаточного аустени-та и свежезакаленного мартенсита (последний образуется из насыщенного углеродом аустенита при охлаждении в интервале температур Мн...Мк). Эта структура сочетает микроучастки с различной прочностью и пластичностью, что в совокупности обеспечивает повышенный комплекс свойств стали в связи с реализацией эффекта естественного композита. Толщина мартенситных реек составляет порядка 100 нм [8].
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Strength, MPa
Рис. 1 - Схематическая иллюстрация взаимосвязи предела прочности при растяжении и относительного удлинения низкоуглеродистых сталей различного класса: двухфазных (DP), мартенситного класса (М), TRIP-сталей, сталей после Q&P-обработки [6]
A
Time
Рис. 2 - График режима Q&P-обработки [7]
Количество Аост определяется температурой закалки, температурой и длительностью выдержки на стадии «partitioning» и составляет в зависимости от общего содержания углерода в стали 7...20% [4, 12]. Концентрация углерода в нем может достигать высоких значений 1,3...1,4% [3], что значительно выше равновесного состояния стали. Аост залегает между мар-тенситными кристаллами в виде пленочных включений или прослоек (рис. 3). Исследования показали, что аустенит в форме пленок имеет более высокую стабильность к деформационному мартенситному превращению, чем аустенит в форме блоков [13]. Содержание углерода в остаточном аустените определяет кинетику ДМП при нагружении, что существенно влияет на соотношение прочностных и пластических свойств стали. Если концентрация углерода в аустените составляет 0,5%, то превращение остаточного аустенита в мартенсит при деформации происходит слишком быстро. При концентрации углерода выше 1,8% аустенит является очень стабильным и выдерживает холодную пластическую деформацию без ДМП [8]. Как сообщают ав-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
торы статьи [8], для обеспечения приемлемой стабильности аустенита, содержание углерода в нем должна быть выше 1%. Состояние остаточного аустенита определяется, в основном, температурой приостановки закалки на стадии Q, а также температурой и длительностью выдержки на стадии Р.
Рис. 3 - Остаточный аустенит (RA - retained austenite) в виде пленок между мартен-ситными пластинами [13]
Стабильность аустенита так же зависит от размера его зерен [8, 9]. Большие аустенитные зерна легче превращаются в мартенсит при деформации [9]. Как сообщают авторы статьи [8], оптимальный размер аустенитных зерен лежит в диапазоне 0,01-1,0 мкм. Стабильность и прочность остаточного аустенита также зависят от окружающих его фаз [8]. Чем прочнее фаза, окружающая аустенит, тем он стабильнее к ДМП [14], поскольку окружающая прочная фаза препятствует сдвиговому превращению, увеличивающему удельный объем металла.
При длительных выдержках на стадии «partitioning» возможно частичное превращение аустенита в нижний бейнит. В этом случае количество остаточного аустенита снижается, и формируется более сложная мультифазная структура. Авторы статей [15, 16] сообщают, что образование бескарбидного бейнита невозможно полностью исключить при Q&P-процессе. Для того чтобы минимизировать образование бейнита и укрупнение карбидов, следует использовать короткие выдержки при «разделении» (от нескольких десятков секунд до нескольких минут) [15]. Тем не менее, такое короткое время «разделения» не является благоприятным для массивных стальных изделий в промышленном производстве, т.к. трудно достичь равномерности нагрева по большому сечению во время столь короткой выдержки. Таким образом, для широкого применения Q&P-процессов необходимо обеспечить увеличение выдержки для проведения «разделения» без опасности формирования карбидов или протекания бейнитного превращения. Этому способствует кремний: известно, что в кремнийсодержащих сталях образуется бескарбидный бейнит, что положительно сказывается на свойствах стали.
Особенностью Q&P-обработки является то, что она позволяет реализовывать возможности TRIP-эффекта в сравнительно недорогих низколегированных сталях, что делает ее перспективной для широкого промышленного применения. Как правило, Q&P-обработку применяют для низко-или среднеуглеродистых сталей (0,10...0,45% С), содержащих 1,5-3,0% Mn, до 0,5% Cr, а также 0,006-1,0% Al и 1,5-2,5% Si [17]. Известно также использование Q&P-обработки и для высокоуглеродистой стали [18]. Особая роль здесь отводится кремнию и алюминию. Эти элементы препятствуют выделению карбидов из мартенсита в ходе выдержки на стадии «partitioning», обеспечивая тем самым более полное насыщение аустенита углеродом [12]. Кремний и алюминий повышают активность углерода в аустените и делают термодинамически невыгодным выделение карбидов, поскольку накопление этих элементов на границе раздела «феррит/аустенит» приводит
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
к резкому повышению свободной энергии системы. Марганец и (или) хром применяют для повышения прокаливаемости стали и возможности ее переохлаждения до мартенситного интервала без опасности превращения аустенита в перлит или бейнит.
Технология Q&P является базовой, на ее основе разработаны следующие различные модификации:
1) Q-Q&P - обработка с двойной закалкой, в результате которой происходит двойная фазовая перекристаллизация, изделия получают более дисперсную структуру (рис. 4), что приводит к более полной реализации механизма зернограничного упрочнения, и как следствие, - к повышению комплекса механических свойств в сравнении с Q&P-обработкой. Авторы [6] объясняют это повышением доли Аост в связи с тем, что мелкие зерна аустенита более стабильны к мартенситному превращению из-за более низкой температуры начала мартенситного превращения. Как следствие, образцы, термообработанные по схеме Q&Q-P, характеризовались более сильным упрочнением при нагружении за счет более длительного и выраженного ТЫР-эффекта;
Рис. 4 - Микроструктура стали, содержащей 0,18% С; 1,48%Si; 1,44% Мп;
0,15% А1; 0,025% № после обработок Q&P (а) и Q-Q&P (б) [6]
2) 1А^&Р (1А - ^егсгШса1 austenization) - обработка с нагревом в МКИ позволяет получить в структуре определенное количество полигонального феррита вместе с мартенситом и Аост. В результате этого дополнительно повышаются пластические свойства стали. В результате 1А^&Р-обработки с «разделением» при 400оС в течение 10 с в стали, содержащей 0,2% С; 1,5% Si; 1,9% Мп, получен предел прочности на разрыв 990-1100 МПа и относительное удлинение 29,3%, что представляет собой хорошую комбинацию прочности и пластичности [2];
3) Q&P-T-обработка (Т4етреп^). Сочетает Q&P-обработку с последующим отпуском. Рекомендуется к применению в тех случаях, когда необходимо получить более высокие прочностные свойства стали. Повышение свойств достигается за счет механизма дисперсионного упрочнения при выделении равномерно распределенных дисперсных карбидов и карбонитри-дов в процессе отпуска. Данная обработка может применяется для сталей, микролегированных сильным карбидообразующими элементами (Мо, V). Так, в стали, содержащей 0,2% С; 1,5% Мп; 1,5% Si; 0,05% №>; 0,13% Мо, реализацией Q&P-T-обработки с отпуском при 400оС достигнут предел прочности при растяжении 1500 МПа при относительном удлинении 15%.
На рис. 5 показаны кривые растяжения образцов из среднеуглеродистой стали, приведенные в работе [11]; обращает на себя внимание гораздо большая деформация Q&P-T-образца по сравнению с образцом, прошедшим закалку и отпуск, при близком уровне прочности ^&Т) [4]. Известно применение Q&Р-T-обработки с целью повышения абразивной износостойкости высокоуглеродистой стали [18]. Образцы стали, содержащей 1,43% С; 0,68% Si; 1,37% Мп; 2,02% Сг; 0,46% Мо; 0,47% №, после Q&Р-обработки подвергли отпуску при 400 °С в течение 2 ч. Сравнение с образцами, прошедшими закалку и аналогичный отпуск, показало, что новая
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
технология обеспечила рост износостойкости на 20%, причем с увеличением нагрузки разница между скоростью износа образцов возрастала;
4) совмещение Q&T-обработки с технологиями противокоррозионной защиты, например, с горячим цинкованием, которое может проводиться на стадии «partitioning».
Недостатком Q&T-технологии является ограниченность ее применения изделиями небольшого сечения. При больших толщинах невозможно обеспечить одновременность протекания процессов структурообразования на различной глубине от поверхности, что приводит к градиенту микроструктуры и механических свойств по сечению изделий. Тем не менее, эта технология требует повышенного внимания с учетом ее перспективности, например, для производства высокопрочного листового проката.
Удлинение, %
Рис. 5 - Кривые растяжения образцов из среднеуглеродистой стали после закалки с отпуском (Q&T) и Q&P-Т-обработки [11]
Выводы
1. Q&P-обработка является перспективным видом термической обработки стали, позволяющим получать высокий комплекс прочностных и пластических свойств при использовании относительно недорогих сталей (легированных марганцем, кремнием, и в некоторых случаях -микролегированных Mo, Nb, V).
2. Благоприятное сочетание механических свойств достигается благодаря получению микроструктуры, состоящей из дисперсных мартенситных пластин, дисперсных карбидов и остаточного аустенита в виде прослоек между мартенситными кристаллами. В процессе нагру-жения аустенит претерпевает деформационное мартенситное превращение, обусловливая TRIP-эффект с соответствующим ростом прочности и пластичности стали.
3. Уровень свойств стали, прошедшей Q&P-обработку, определяется, в основном, температурой приостановки закалки на стадии закалки, а также температурой и длительностью выдержки на стадии partitioning. Эти параметры влияют на количество остаточного аустенита и кинетику его превращения в мартенсит деформации при нагружении.
Список использованных источников:
1. Speer J.G. Carbon partitioning into austenite after martensite transformation / J.G. Speer [et al.] // Acta Materialia. - № 51. - 2003. - P. 2611-2622.
2. Speer J.G. Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite, with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation / J.G. Speer [et al.] // Solid State and Materials Science. - № 8. - 2004. - P. 219-237.
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2015р. Серiя: Техшчш науки Вип. 31
ISSN 2225-6733
3. Hsu T.Y Proceedings of 6th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing / T.Y Hsu [et al.] // Material Science Forum, Cheju Island, South Korea. - 2007. -Р. 2283-2286.
4. Zhong N. Enhancement of the mechanical properties of a Nb-microalloyed advanced high-strength steel treated by quenching-partitioning-tempering process / N. Zhong [et al.] // Materials Science and Engineering A. - 2009. - № 506. - P. 111-116.
5. Zhou S. High strength-elongation product of Nb-microalloyed low-carbon steel by a novel quenching-partitioning-tempering process / S. Zhou [et al.] // Materials Science and Engineering A. - № 528. - 2011. - P. 8006-8012.
6. Zhang Jun. Enhanced stability of retained austenite and consequent work hardening rate through pre-quenching prior to quenching and partitioning in a Q-P microalloyed steel / Jun Zhang [et al.] // Materials Science & Engineering. - 2014. - A 611. - P. 252-256.
7. Hsu T.Y. Strengthening and toughening mechanisms of quenching-partitioning-tempering steels / T.Y. Hsu, X.J. Jin, Y.H. Rong // Journal of Alloys and Compounds. - 2013. - № 577S. - P. 568571.
8. Jirkova H. Influence of metastable retained austenite on macro and micromechanical properties of steel processed by the Q&P process / H. Jirkova [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. -2014. - № 615. - P. 163-168.
9. De Knijf D. Effect of fresh martensite on the stability of retained austenite in quenching and partitioning steel / D. De Knijf [et al.] // Materials Science & Engineering A. - 2014. - № 615. -P.107-115.
10. Liu S.G. Application of quenching-partitioning-tempering process and modification to a newly designed ultrahigh steel / S.G. Liu, S.S. Dong, F. Yang // Materials and Design. - 2014. - № 56. -P. 37-43.
11. Zhang Ke. A new effect of retained austenite on ductility enhancement in high-strength quench-ing-partitioning-tempering martensitic steel / Ke Zhang [et al.] // Materials Science and Engineering A. - 2011. - № 528. - P. 8486-8491.
12. Nayak S.S. Microstructure-hardness relationship in quenched and partitioned medium-carbon and high-carbon steels containing silicon / S.S. Nayak [et al.] // Materials Science and Engineering. -2008. - A 498. - P. 442-456.
13. Sun Jing. Microstructure development and mechanical properties of quenching and partitioning (Q&P) steel and an incorporation of hot-dipping galvanization during Q&P process / Jing Sun, Hao Yu // Materials Science & Engineering A. - 2013. - № 586. - P. 100-107.
14. Samek L. Influence of Alloying Elements on the Kinetics of Strain-Induced Martensitic Nuclea-tion in Low-Alloy, Multiphase High-Strength Steels / L. Samek [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2006. - Vol. 37, Issue 1. - P. 109-124.
15. Gao Guhui. A carbide-free bainite/martensite/austenite triplex steel with enhanced mechanical properties treated by a novel quenching-partitioning-tempering process / Guhui Gao [et al.] // Materials Science & Engineering. - 2013. - A 559. - P. 165-169.
16. Clarke A.J. Carbon partitioning to austenite from martensite or bainite during the quench and partition (Q&P) process: A critical assessment / A.J. Clarke [et al.] // Acta Materialia. - 2008. -№ 56. - P. 16-22.
17. Maheswari N. Influence of alloying elements on the microstructure evolution and mechanical properties in quenched and partitioned steels / N. Maheswari [et al.] // Materials Science & Engineering A. - 2014. - № 600. - P. 12-20.
18. Toji Y. Carbon partitioning during quenching and partitioning heat treatment accompanied by carbide precipitation / Y. Toji, G. Miyamoto, D. Raabe // Acta Materialia. - 2015. - № 86. - P. 137147.
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 14.11.2015
