Превращение переохлажденного аустенита в хромо-марганцевых сталях, содержащих 0,7-0,8 % углерода Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2001 р.

Вип. №11

УДК 621.771.65:621.785

Ткаченко Ф.К.1, Ефременко В.Г.

ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА В ХРОМО-МАРГАНЦЕВЫХ СТАЛЯХ, СОДЕРЖАЩИХ 0,7-0,8 % УГЛЕРОДА

Исследованы особенности изотермического распада переохлажденного аустенита в стали эетектоидного состава, легированной марганцем и хромом; дано обоснование влияния легирующих элементов на температурно-временные параметры распада в перлитной и бейнитной областях

Исследовали характер превращения переохлажденного аустенита в сталях с эвтектоид-ным содержанием углерода и различными добавками хрома и марганца после нагрева до температур, обычных при прокатке сортовых профилей (900-1000 °С). Материалом исследований служила сталь, выплавленная в лабораторной индукционной печи ИСТ-160 с основной футеровкой. Сталь раскисляли алюминием; содержание серы и фосфора в опытных слитках находилось в пределах 0,018-0,021 % и 0,013-0,016 %, соответственно (состав сталей представлен в таблице). Сталь разливали в песчано-глинистые формы диаметром 150 мм, после чего следовала гомогенизация слитков при 1150 °С. Слитки проковывали в заготовки диаметром 30 мм, которые отжигали при 850 °С с последующей нормализацией от 900 °С. Термообработанные заготовки подвергали механической обработке с изготовлением образцов размером 10x10x1,5 (мм).

Построение диаграмм изотермического распада переохлажденного аустенита производили магнитометрическим методом с тензометрической фиксацией прироста количества ферромагнитной фазы. Образцы нагревали до 950 °С (с выдержкой в печи 20 мин), подстуживали на воздухе до ~750 °С и переносили в свинцово-оловянную ванну магнитометра, имевшую температуру от 300 до 650 °С. Для каждой температуры опыт повторяли 3-4 раза с усреднением полученных данных. Критические точки сталей при нагреве и охлаждении определяли с помощью оптического дилатометра.

На рис.1 представлены диаграммы распада, наиболее характерные для исследованных сталей. Во всех сталях, легированных 0,3-0,8 % Мп, "С"-образные кривые характеризуются наличием одной области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, соответствующей 500-530 °С (рис.1). По мере увеличения содержания в этих сталях хрома, а также при повышении концентрации марганца от 0,3 до 0,8 % кривые распада монотонно смещаются вправо, и при 0,75 % Сг протяженность зоны минимальной устойчивости аустенита достигает 20 с. Само превращение растягивается во времени при всех подкритических температурах. Так, при увеличении содержания хрома от 0,25 до 0,75% в сталях с 0,8% Мп временной интервал распада аустенита возрос в 2,2; 2,8; 4,0; 1,7 раза при 300, 400, 500 и 600 °С, соответственно. Обособление области промежуточного распада начинается в сталях с содержанием 1,3% Мп при введении не менее 0,5% хрома, а в случае повышения концентрации марганца до 1,8% -при 0,25% Сг. При таком его количестве становится виден второй максимум на кинетической кривой, соответствующий 400 °С (рис. 1,6). При 450 °С промежуточное и перлитное превращения, очевидно, накладываются одно на другое, что делает низкотемпературную область превращения слабо выраженной на диаграмме. Более полное разделение областей происходит при 0,5 % Сг (рис.1, г), а в стали с 1,8 % Мп и 0,75 %Сг они оказываются практически полностью разделенными: при 450 °С превращение в течение 1800 с не фиксируется (рис.1, е). Рост содержания хрома в сталях с 1,3-1,8 % Мп сопровождается увеличением температуры минимальной устойчивости в перлитной области с 500 °С (до 0,25 % Сг, включительно) до 550 °С при 0,5-

1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

0,75 % Сг, а рост количества марганца с 1,3 до 1,8 % в сталях с 0,5-0,75 % Сг вызывает смещение кинетического пика бейнитной "С"-образной кривой с 450 до 400 °С.

30 33 36 36 „ 40 | 45 " 51

ш ф

"о

ь о о

10 100 1000 Время, с

а)

10 100 1000 10000 Время, с

б)

О

о

го о.

Р1

го

о. ф

600 550 500 450 400 350 300 250 200

10

/ / (

\

\ \

1'

35

39 ш

ф

43 § о о

40

43 л О 47 ш

>53

100 Время,с 1000

600 550

го"

О; 500

о. 450 ф

| 400 Н 350 300 250 200

100

С 1

Э1Г 'о

IV !! 1

38

43 н ш

48

ь

44 8

О"

51 I

70

52 О

54

в)

1000 „ 10000 Время, с

г)

Рис. 1 - Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита сталей №№ 6 (а), 7 (в), 8 (д), 14 (б), 15 (г), 16 (е)

Таблица - Состав, критические точки и температура минимальной устойчивости аустени-

та в перлитной и бейнитной областях исследованных сталей

№ опыта Содержание элементов, % Температура, °С

С 81 Сг Мп Ась Айз, Лшп Глтт Ъ

1 0,75 0,30 0,02 0,28 725 750 530 - 245

2 0,75 0,25 0,22 0,28 722 745 530 - 245

3 0,80 0,27 0,48 0,33 730 745 530 - 240

4 0,79 0,27 0,78 0,32 734 746 500 - 240

5 0,77 0,29 0,02 0,81 718 740 500 - 235

6 0,74 0,28 0,23 0,80 720 755 500 - 230

7 0,76 0,26 0,52 0,81 725 752 500 - 230

8 0,75 0,27 0,75 0,82 728 758 500 - 225

9 0,78 0,30 0,03 1,30 710 735 500 - 230

10 0,78 0,28 0,27 1,27 715 740 500 - 225

11 0,75 0,29 0,50 1,33 715 742 550 450 220

12 0,81 0,25 0,72 1,33 726 745 550 450 220

13 0,77 0,28 0,02 1,81 705 717 500 - 215

14 0,76 0,26 0,22 1,78 710 730 500 - 210

15 0,75 0,27 0,53 1,83 705 735 550 400 210

16 0,77 0,27 0,78 1,80 715 735 550 400 200

Указанные температурные изменения в сталях с 1,8 % Мп сопровождаются резким увеличением временного интервала устойчивости переохлажденного аустенита в обеих областях.

Так, увеличение концентрации хрома от 0,22 до 0,78 % привело к росту Тщт а 1абёе6пё тёапоё п 35 ш 160 п, а а ааёюопё - п 68 ш 480 п.

Полученные результаты позволяют оценить влияние марганца и хрома на перлитную и бейнитную прокаливаемость стали. На рисунке 2 изображены зависимости величины инкубационного периода (х) распада аустенита при температурах его минимальной устойчивости в перлитной области и при 400 °С. Видно, что зависимость "т=ДМп)" при любом содержании хрома имеет степенной характер как для перлитной, так и бейнитной областей. В то же время, при содержании марганца в стали до 1,3 % включительно зависимости "т=ДСг)" можно аппроксимировать прямыми линиями одинакового наклона независимо от типа превращения. И лишь введение 1,8 % Мп обеспечивает резкое усиление влияния хрома на устойчивость переохлажденного аустенита в подкритической области. Таким образом, воздействие марганца на прокаливаемость стали должно усиливаться по мере увеличения его содержания в стали, в то время, как изменение концентрации хрома до 0,75 % в большинстве исследованных сталей может приводить лишь к аддитивному росту прокаливаемости.

В работе [1] указывается, что в сталях, содержащих 0,25-0,55 % С, марганец оказывает одинаковое воздействие как на перлитную, так и бейнитную прокаливаемость, а влияние хрома на бейнитную прокаливаемость оказывается приблизительно в два раза слабее. Сравнение диаграмм распада сталей №№ 11, 12, 14-16, на которых выявлено по две области минимальной устойчивости аустенита, позволяют сделать вывод о том, что в стали с содержанием углерода, близким к эвтектоидному, марганец более существенно увеличивает инкубационный период распада в области промежуточного распада, чем в перлитной. Что касается хрома, то его воздействие является либо более значительным в интервале бейнитного превращения (при повышенном содержании марганца), либо дает одинаковый прирост х в обеих областях. В результате совместного влияния хрома и марганца область промежуточного превращения сдвигается резко вправо по отношению к перлитной.

Зафиксированное отличие в поведении хрома и марганца в сталях с различным содержанием углерода можно объяснить, исходя из представлений о конкретных факторах повышения устойчивости аустенита легирующими элементами. К таковым относятся: 1)торможение у —» а полиморфного превращения за счет снижения разности свободных

ч: о

о. ф

л

I

=г го ю >1

200

150

100

50

0,75 /0,5

I / /°'75 / ♦

к / 0,5 ^//0,25

X 0,25

0,5 1 1,5 2 Содержание марганца, %

ч: о

о. ф

го ю

200

150

100

50

1,8 / 1,8 . / ■

/ ■ /

/ ' 1,3 0 \ 1,3 ,8

^__■ 0,о

0,2 0,4 0,6 0,8 Содержание хрома, %

а) б)

Рис.2 - Влияние марганца (а) и хрома (б) на величину инкубационного периода при 500-550 °С (жирные линии) и 400 °С (тонкие линии); числа у кривых - содержание в сталях хрома (а) и марганца (б)

энергий а- и у-фаз и увеличения поверхностной энергии образующихся зародышей, 2)протекание эвтектоидного распада с образованием специальных карбидов или цементита, обогащенного карбидообразующим элементом, что требует диффузии последнего [1]. Определенную роль может играть и снижение легирующими элементами диффузионной подвижности углерода [2], хотя, вероятно, этот фактор оказывает большее влияние в бейнитном интервале - в области пониженных температур. В сталях, содержащих до 0,5 % С, действие марганца на рост устойчивости переохлажденного аустенита к у—>П превращению реализуется, главным образом, посредством действия первого фактора, а влияние хрома, как более сильного карбидообразова-теля, - связано с обоими факторами. Поскольку распад аустенита в бейнитном интервале протекает с выделением метастабильных карбидных фаз, влияние хрома в этой области ограничивается, в основном, торможением у—ж превращения, вследствие чего в хромистых низко- и сред-неуглеродистых сталях перлитная область резче сдвигается вправо по отношению к бейнитной.

При увеличении содержания углерода в стали повышается предельная растворимость легирующих элементов в у-железе [1], что, соответственно, снижает вероятность образования специальных карбидов или легированного цементита. При определенном соотношении углерода и карбидообразующего элемента термодинамически стабильной фазой может стать уже нелегированный цементит, и в этом случае влияние элемента на скорость перлитного сведется лишь к его воздействию на параметры образования зародышей феррита. С другой стороны, хром и, марганец снижают активность углерода в у-фазе и повышает ее в а-твердом растворе, в результате чего в соответствии с выражением (1) рост содержания этих элементов сопровождается снижением термодинамического стимула превращения, т.е. уменьшением скорости бей-нитного распада:

АО, (1)

с

где - молярная концентрация углерода в у -твердом растворе, с и сС'с —активности углерода в у- и а-растворах [3].

Таким образом, с повышением содержания углерода в стали создаются условия к выравниванию интенсивностей смещения перлитной и бейнитной областей, а затем и к более активному смещению последней при введении хрома и марганца. В стали с 0,3-1,3 % Мп хром одинаково влияет на прирост Ттщ в обоих температурных интервалах распада, при этом во всех ъ п

случаях X 1ПШ >Т Шщ. При введении 1,8 % Мп влияние хрома на бейнитную прокаливаемость резко усиливается. Такое влияние марганца можно объяснить тем, что он предположительно повышает активность углерода в а-твердом растворе, что по уравнению (1) обеспечивает дополнительное торможение бейнитного превращения.

Полученные результаты позволяют спрогнозировать изменение прокаливаемости и структуры по сечению термоупрочняемого проката по мере увеличения содержания марганца и хрома в стали с эвтектоидным содержанием углерода. С ростом количества этих элементов (до 0,75 % Сг при <0,8 % Мп или до 0,25 % Сг при <1,3 % Мп) определяющей будет перлитная прокаливаемость стали, нарастающая пропорционально содержанию хрома. Соответственно увеличится протяженность мартенситной зоны, которая по мере удаления от поверхности к центру сменится троосто-мартенситной структурой, а затем - эвтектоидом разной степени дисперсности. С увеличением содержания марганца до 1,3 % и хрома до 0,5 % и обособлением низкотемпературной области прокаливаемость стали будет определяться бейнитным интервалом. В результате поверхностная мартенситная зона сменится зоной продуктов промежуточного распада, которая, в зависимости от химического состава и размеров изделия, может распространяться вплоть до его центра. И, наконец, при содержании марганца и хрома в количестве не менее 1,8 и 0,75 %, соответственно, прокаливаемость стали вновь станет перлитной с уменьшением ширины бейнитной структуры по сечению закаливаемого изделия.

Выводы

1. Введение хрома в количестве до 0,75 % и марганца в количестве до 1,8 %, включительно, в сталь, содержащую 0,75-0,80 % С, повышает устойчивость переохлажденного аустенита как в перлитной, так и бейнитной областях распада В сталях с 0,3-0,8 % Мп вне зависимости от концентрации хрома наблюдается равномерное увеличение прокаливаемости в обеих областях распада. При повышении концентрации марганца до 1,3-1,8 % торможение превращения аустенита резко усиливается, причем в большей степени - в интервале промежуточного превращения.

2. Появление бейнитного максимума на кинетической кривой распада аустенита фиксируется при содержании в стали не менее 1,3 % Мп и 0,5 % Сг. С увеличением количества марганца минимально необходимое для этого количество хрома уменьшается до 0,25 %.. Полное разделение перлитной и бейнитной областей фиксируется в стали, содержащей 1,80 % Мп и 0,78 % Сг.

Перечень ссылок

1. Меськин B.C. Основы легирования стали. -М.: Металлургия, 1964. - 694 с.

2. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник: В 3-х т /Под ред. Берн-штейна M.JL, Рахштадта А.Г. - М.: Металлургия, 1983. Т.П. Основы термической обработки, 1983.- 368 с.

3. Ткаченко Ф.К., Ткаченко И.Ф. Научные основы выбора сплавов с заданными механическими свойствами: Уч. пособие. В 2-х ч. - Мариуполь: Мариупольский металлургический институт, 1991.4.1. Формирование структуры, 1991. - 100 с.

Ткаченко Федор Константинович. Д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой металловедения, окончил Мариупольский металлургический институт в 1952 году. Основные направления научных исследований - повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава стали, а также макро- и микроструктуры.

Ефременко Василий Георгиевич. Канд. техн. наук, доц., докторант кафедры металловедения, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984 году. Основные направления научных исследований - повышение качества металлопродукции за счет регулирования состава стали, а также макро- и микроструктуры.