CC BY
32УДК 669.017:669.14
И.В. Ряпосов, Л.М. Клейнер, А.А. Шацов, П.А. Закревская
СТРОЕНИЕ РЕЕЧНОГО МАРТЕНСИТА ГОРЯЧЕКАТАНОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 15Х2Г2НМФБ
Пермский государственный технический университет
Аннотация: изучены особенности пакетно-реечного мартенсита низкоуглеродистой мартенситной стали (НМС) после охлаждения с прокатного нагрева. Установлено, что распределение реек по ширине описывается логарифмически нормальным законом. Дано статистическое описание тонкой структуры НМС.
Ключевые слова: низкоуглеродистый мартенсит, рейки, пакеты, фрагменты, ячейки, карбиды.
Введение
В начале второй половины ХХ века было обнаружено «восстановление» предела текучести и твердости деформированных металлов при «непрерывном отжиге», обусловленное образованием ячеистой структуры [1]. При отжиге количество дислокаций внутри ячеек уменьшалось, поэтому предположение об определяющей роли плотности дислокаций, а не размера ячейки не всегда обоснованно. С.Г. Болл на сплавах алюминия впервые показал выполнение соотношения петчевского вида между размером ячеек и пределом текучести. Позже Д.Г. Уорингтон на железе экспериментально доказал выполнение соотношения подобного уравнению Холла-Петча между пределом текучести и размером субзерен (ячеек). На основании работ перечисленных авторов и др. Р.У. Кан сделал заключение о том, что прочность материалов с ячеистой субструктурой определяют плоские скопления и стенки дислокаций, если только между ячейками не слишком малые углы разориентировки.
У материалов с пакетной структурой вклад в прочность границ реек на 1-2 порядка выше, чем границ пакетов, имеющих большеугловые границы [2], поэтому фрагментирова-ние реек должно существенно повлиять на свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей (НМС).
Цель работы
Изучение строения низкоуглеродистого мартенсита горячекатаной НМС марки 15Х2Г2НМФБ с пределом прочности ов - более 1400 МПа, пределом текучести о0;2 - более 1100 МПа, ударной вязкостью KCV - более 0,8 МДж/м2.
Результаты и их обсуждение
Исследованная сталь, кроме традиционного для НМС легирования, содержит сильные карбидообразующие элементы (табл. 1); критические температуры, средний размер зерна аустенита и твердость в горячекатаном состоянии представлены в табл. 2.
Определенное сочетание углерода и легирующих элементов НМС обеспечивает высокую устойчивость переохлажденного аустенита и большую прокаливаемость, а легирование стали 15Х2Г2НМФБ сильными карбидообразующими элементами (ванадием и ниобием) позволяет сохранить при нагреве мелкое зерно и увеличить отпускоустойчивость.
Для изучения структуры использовали образцы диаметром 19 мм высотой 10 мм из прутков горячекатаной стали 15Х2Г2НМФ.
Тонкую структуру и морфологию фаз изучали при помощи просвечивающей и растровой электронной микроскопии.
Для просвечивающей микроскопии использовали фольги, полученные методом электрополировки. Образцы предварительно нарезали электроэрозионным станком на пластины размером 10х4 мм толщиной 0,2-0,3 мм. Далее проводили двухстороннее утонение на
наждачных бумагах до толщины 0,05-,06 мм. Электрополировку проводили при температурах близких к 0 оС, в электролите состава 80 % ледяной уксусной кислоты, 20% хлорной кислоты [6]. Тонкую структуру просматривали на микроскопах JEM 200CX и СМ 30 при ускоряющем напряжении до 200 кВ.
Таблица 1
Химический состав стали 15Х2Г2НМФБ
Содержание элементов, % (по массе)
C Si Mn Cr Ni Mo V Nb S P
0,15 0,25 1,87 1,92 1,07 0,46 0,14 0,16 0,008 0,011
Таблица 2
Критические температуры (оС), размер исходного зерна аустенита и твердость НМС 15Х2Г2НМФБ
Aci Асз Мн Мк Размер зерна d ср., мкм Твердость, HRC
710 840 340 170 13 42
Растровое изображение полированных и травленых в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты образцов получали на микроскопах Hitachi s-3400N, FEI (Philips).
В качестве закона распределения по размеру ширины рейки выбран логнормальный
закон:
f = ехр -
1пСЮ -/х]
,
(1)
где ц - математическое ожидание, ц=<К>; о - среднее квадратичное отклонение.
Достоверность принятого закона распределения оценивали по статистическому критерию Пирсона х . Доверительная вероятности определения элементов структуры составила 95% при уровне значимости р=0,05. Оценку проводили следующим образом: определяли размеры элементов структуры (объем выборки не менее 250 измерений), разбивали массив данных на несколько примерно равных частей, но не менее восемь интервалов [3], аппроксимировали гистограммы каждым из альтернативных законов, на основании принятого закона распределения вычисляли вероятности р^ попадания случайной величины ё в 1-й интервал. Количество элементов в интервале - более восьми [3]. При определении количества интервалов к в зависимости от объема выборки п использовали рекомендации ВНИИМетрологии [4, 5]:
n к
40-100 7-9
100-500 8-12
500-1000 10-16
1000-10000 12-22
Отклонение выборочного распределения от предполагаемого (%) вычисляли по формуле [3]:
гдe к - число интервалов; п - объем выборки.
Гипотезу о принятом законе распределения принимали на заданном уровне значимости, исходя из соотношения:
X2 < Х21-Р, (4)
где х 1-р - значение, определяемое из таблиц [3] при заданном уровне значимости р.
Результаты исследований и их обсуждение
Типичная структура речного мартенсита, формирующаяся после охлаждения НМС 15Х2Г2НМФБ на воздухе непосредственно после прокатного нагрева, представлена на рис. 1, а, и после дополнительной закалки (рис. 1, б). Реечная структура практически не отличается, но заметны отличия дислокационной структуры.
У закаленных с прокатного нагрева образцов плотность дислокаций прядка 2-4*1012 см-2 и в несколько раз выше, чем у образцов с дополнительным нагревом при охлаждении на воздухе [7].
Распределение реек по ширине стали 15Х2Г2НМФБ закаленной с прокатного нагрева, представлено на рис. 2, наиболее вероятная ширина реек - 250 нм, средняя - 260 нм, значение критерия Пирсона X = 12,6, коэффициент вариации V = 0,5.
Табличные значения этого критерия для уровня значимости р=0,02 % =13,4 и для р=0,05 х =11,1, что означает выполнение с высокой вероятностью логнормального закона распределения.
а
б
Рис. 1. Реечная структура мартенсита стали 15Х2Г2НМФБ:
а - горячекатаная, х35000; б - заклеенная с 950 оС, х30000
Рис. 2. Распределение реек по ширине стали 15Х2Г2НМФБ в состоянии
с прокатного нагрева
Рейки объединены в пакеты с различными углами разориентации (рис. 3). Оценки размеров пакетов показали, что их средний размер составляет примерно 2,5 мкм. В границах бывшего аустенитного зерна в среднем находятся от 2 до 10 пакетов.
Выделения карбидов имеют нанометрический размер (ширина - 15-20 нм, длина -100-115 нм) и не менее двух направлений ориентации (рис. 4, а), что является отличительным признаком именно мартенситной структуры [8]. Для большей наглядности представлены инвертированная микрофотография (рис. 4, б).
Признаки фрагментирования (образование дислокационных субграниц) появляются после охлаждения горячекатаной стали на воздухе (рис. 5). Фрагментирование в процессе охлаждении при наличии нескольких морфологических типов мартенсита наблюдают только в мартенсите с пакетно-реечным строением [9].
б
а
в
Рис. 3. Пакетная структура низкоуглеродистого мартенсита НМС 15Х2Г2НМФБ:
а, б - просвечивающая электронная микроскопия, х10000; в - сканирующая электронная микроскопия, х5000
ооч г Ь
Карбиды
а
б
Рис. 4. Низкоуглеродистый мартенсит горячекатаной стали 15Х2Г2НМФБ с характерными выделениями карбидов:
а - х10000; б - х30000
а б
Рис. 5. Начальный этап фрагментирования стали 15Х2Г2НМФБ, х30000:
а - поперек реек; б -вдоль и поперек реек
Таким образом, высокие свойства закаленной с прокатного нагрева НМС 15Х2Г2НМФБ во многом обусловлены формированием ячеистой структуры мартенсита.
Выводы
Иерархическая структура низкоуглеродистого мартенсита, закаленного с прокатного нагрева, формируется в границах зерна аустенита и включает: пакеты рейки и фрагменты реек.
Внутри реек обнаружены выделения карбидов не менее двух направлений ориентации шириной - 15-20 нм и длиной порядка 100 нм.
Высокие механические свойства закаленных с прокатного нагрева НМС во многом обусловлены формированием наноразмерных характерных элементов структуры.
Библиографический список
1. Физическое металловедение / под ред. Р. Кана: [пер. с англ.]. - М.: Мир, 1968. Вып. 3. - 484 с.
2. Штремель, М.А. Прочность сплавов. Ч II. Деформация / М.А. Штремель. - М.: МИСИС, 1997. - 527 с.
3. Ахназарова, С.Л. Методы организации эксперимента в химической технологии / С.Л. Ахна-зарова, В.В. Кафаров. - М.: Высш. шк., 1985. - 319 с.
4. Бурдун, Г.Д. Основы метрологии / Г.Д. Бурдун, Б.Н. Марков. - М.: Изд-во стандартов. 1985. - 120 с.
5. Лемешко, Б.Ю. О выборе числа интервалов к критериях согласия типа X / Б.Ю. Лемешко, Е.В. Чимитова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. С. 61-67.
6. Утевский, Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении / Л.М. Утев-ский. - М.: Металлургия. 1973. - 584 с.
7. Югай, С.С. Структурная наследственность в низкоуглеродистых мартенситных сталях / С.С. Югай [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 12. С. 24-29.
8. Климашин, С.И. Влияние термической обработки на морфологию мартенсита и эволюцию дефектной структуры литой среднелегированной конструкционной стали: дис. ... канд. техн. наук / С.И. Климашин. - Новокузнецк, 2006. - 18 с.
9. Козлов, Э.В. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э.В. Козлов [и др.]. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. - 177 с.
Дата поступления в редакцию 17. 06.2011
I.V. Ryaposov, L.M. Kleyner, A.A. Shatsov, P.A. Zakrevskaya
STRUCTURE OF LATH MARTENSITE OF HOT-ROLLED LOW-CARBON MARTENSITIC STEEL 15Cr2Mn2NiMoVNb
The features of packet-rack martensite of low-carbon martensitic steel (NMS) after cooling from the rolling heat were explored. It was established that the distribution of racks in width described by a logarithmic normal law. The statistical description of the fine structure of the NMS was given.
Key words: low-carbon martensite, racks, packets, fragments, cells, carbides.
