Структурообразование в катанке из легированной стали сварочного назначения при изотермической выдержке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Ш1П ГГТТгП г: ГЛГ?Г(ТГ/7гггГГГГГТ / 2 (60), 2011-

Two series of experiments on investigation of structure formation in rolled wire of alloy steel of welding function are carried out.

А. Б. СычКОВ, Восточно-Европейский металлургический дивизион ОАО «мЕчЕЛ»,

м. а. жигарев, а. в. перегудов, С. Ю. ЖУКОВА,

т. м. ФИЛИппОВА, ОАО «молдавский металлургический завод»

УДК 669.

структурообразование в катанке из легированной стали сварочного назначения при изотермической выдержке

Исследования закономерностей структурообра-зования в катанке из стали марок Св-10ГАА, Св-08ХГ2СМФ, Св-08Г1НМА, Св-08ГНМ при различных температурно-временных условиях изотермической выдержки и температурно-деформационных вариантов протекания рекристаллизационных процессов были проведены в два этапа.

На первом этапе изучали структурообразование катанки из указанных выше марок стали в процессе изотермической обработки при температурах 700, 650, 600 и 500 оС и времени выдержки 20 и 30 мин при каждой температуре. При металлографическом анализе определяли структурные составляющие катанки, размеры действительного зерна, полосчатость структуры на продольных образцах катанки, оценивали количество и свойства структурно-свободного цементита (ССЦ), также измеряли микротвердость металла. Эти исследования проводили по стандартным методикам (ГОСТ 8233, 5639, 5640, NF 04-114 и т. д.) с использованием оптических микроскопов OLYMPUS IX 70

при увеличении 50-1000, OLYMPUS BX51M (оценка размеров действительного зерна феррита) при увеличении 400, полуавтоматического микротвердомера LECO MHT-240 при нагрузке 25 и 500 г.

Всего было исследовано 64 образца: по 16 на каждую марку стали. Причем первая половина образцов - поперечные, вторая - продольные.

Анализ результатов лабораторных исследований представлен ниже по маркам стали.

1. Катанка из стали св-10ГАА. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 1.

На рис. 1-5 показаны структурные особенности строения продольного и поперечного сечения катанки из стали Св-10ГАА при различных тем-пературно-временных режимах. На рис. 1 показана микроструктура продольного образца 1 (испытательный режим t = 700 оС, т = 20 мин). Из рисунка видно, что сечение разделяется на поверхностную зону и полосчато-бейнитно-мартенситную сердцевину (основную зону). Поверхностная зона толщиной 0,20-0,25 мм состоит (рис. 1, б) из фер-

Т а б л и ц а 1. Химический состав стали и механические свойства опытной катанки диаметром 5,5 мм

Номер плавки/ бунта Марка Массовая доля химических элементов, % Механические свойства

стали C/Mn Si/P S/Cr Ni/Cu N/B B/N Mo Ов, Н/мм2 От, Н/мм2 s5, % w, %

1/1 Св-10ГАА 0,078/ 1,14 0,036/ 0,015 0,008/ 0,049 0,095/ 0,184 0,005/ 0,0073 1,46/ 0,254 472 304 33.7 74.6

2/69 СВ-08ХГ2СМФ1 0,052/ 0,913 0,261/ 0,015 0,011/ 0,657 0,067/ 0,111 0,009/ 0,0069 0,77/ 0,454 491 246 39 74.8

3/2 Св-08Г1НМА 0,046/ 1,13 0,326/ 0,009 0,005/ 0,034 0,562/ 0,163 0,006/ 0,0089 1,48/ 0,70 772 633 19 69.4

4/2 Св-08ГНМ 0,036/ 0,779 0,242/ 0,008 0,004/ 0,033 0,596/ 0,147 0,006/ 0,0087 1,45/ 0,965 697 570 23.3 76.1

1 Содержание ванадия - 0,155%.

/ТГГТГгГ^ г ГТГТГТГ/ТТГГГГТ /1Л1 -2 (60), 2011 I 141

Рис. 1. Микроструктура катанки из стали Св-10ГАА (образец 1: Г = 700 °С, т = 20 мин): а - общий вид продольного сечения; б - микроструктура поверхностной зоны; в - бейнитно-мартенситная полоса в сердцевине; г - микроструктура отдельного

участка. а - х50, б-г - х500

рита (75%), перлита (20%) и бейнитно-мартен-ситных участков БМУ (~ 5%), размер зерна № 10, 11, микротвердость 130 ед. НУ500. Основная зона состоит из базовой структуры - феррит (75%), перлит (~ 15%), БМУ (~ 10%) в виде отдельных зерен или в составе перлитных зерен (рис. 1, в) и обособленного участка (рис. 1, г)

в виде полосы шириной ~ 1,3 мм, включающего продукты промежуточного превращения аусте-нита (ПППА - отпущенные в разной степени закалочные участки, имеющие структуру игольчатого феррита и карбиды), феррит и отдельные участки БМ. Эта зона имеет среднюю микротвердость 183 ед. НУ500.

у .• ,4 у-Г к '' •, % Л-

«С чС^йА- •8' .

•м ■ V ^у У

* . 1, ' V-' ■ ч '■* р

Рис. 2. Микроструктура отдельного участка образца катанки Рис. 3. Основная структура образца 3 катанки из стали Св-из стали Св-10ГАА (Г = 700 °С, т = 30 мин). х50 10ГАА (Г = 650 °С, т = 30 мин). х50

Рис. 4. Основная структура образца 4 катанки из стали Св-10ГАА (Г = 550 °С, т = 20 мин). х50

Рис. 5. Следы цементита в образце 5 катанки из стали Св-10ГАА (Г = 550 °С, т = 30 мин). х50

142/

г^г: г: гшшгггта 2 (60), 2011-

Рис. 6. Зависимость количества поверхностного феррита (а) и микротвердости HV (б) от температуры изотермы для катанки

из стали Св-10ГАА

Микроструктура поперечного образца 2 (режим: Г = 700 оС, т = 30 мин) подобна предыдущему образцу и состоит также из поверхностной зоны (феррит - 80%, перлит ~ 8%, БМУ ~ 12%) толщиной 0,20-0,40 мм, действительное зерно № 11, 10, микротвердость 145 ед. НУ500. Основная зона: феррит - 75%, перлит ~ 15, БМУ ~ 10% отдельными зернами и в составе перлитных зерен, микротвердость 181 ед. НУ500, а также достаточно крупный участок (~ 30-35% площади микрошлифа рис. 2), состоящий из смеси феррита, БМУ в виде шаровидных участков и отдельных зерен в перлите, микротвердость 210 ед. НУ500.

На рис. 3 показана микроструктура поперечного образца 3 (режим: t = 650 оС, т = 30 мин): поверхностный слой (к = 0,40-0,45 мм) состоит из феррита (80%), перлита (~ 10-12%), БМУ (~ 8%), действительное зерно № 11, 12, 10, микротвердость 145 ед. НУ500, т. е. наблюдается более дисперсная структура. Основная зона (рис. 3) состоит из смеси игольчатого феррита, перлита и БМУ как в виде отдельных зерен, так и в составе перлитных зерен, микротвердость 164 ед. НУ500. Такая структура наиболее пластичная.

Образец 4 (режим: t = 550 оС, т = 20 мин): поверхностный слой (к = 0,20-0,30 мм) состоит из смеси феррита и ПППА, микротвердость 169 ед. НУ500. Основная зона - ПППА и карбиды по границам зерен (рис. 4), микротвердость 184 ед. НУ500.

На рис. 5 показаны следы ССЦ в виде частиц в объеме зерен и по их границам. В образце 5 (режим: t = 550 оС, т = 30 мин) также наблюдается ССЦ.

На рис. 6 приведены зависимости количества феррита и твердости от температуры и времени выдержки для поперечных и продольных образцов. На основании представленных данных можно сделать вывод о том, что для повышения пластических характеристик наиболее оптимален режим 650 оС и 20-30 мин. Так, при указанном темпе-ратурно-временном интервале изотермической выдержки катанки наблюдаются минимальные значения микротвердости металла и количества БМУ без ПППА.

2. Катанка из стали Св-08ХГ2СМФ. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 1.

Рис. 7. Микроструктура по сечению образца 6 катанки из стали Св-08ХГ2СМФ (Г = 700 °С, т = 20 мин): а - микроструктура

поверхностной зоны; б - основная структура. х500

Рис. 8. Основная структура образца 7 катанки из стали Св-08ХГ2СМФ (Г = 600 °С, т = 30 мин)

На рис. 7, 8 показаны структуры поперечного сечения катанки (образцы 6 и 7), изотермически выдержанной при температуре 700 оС в течение 20 мин и 600 оС в течение 30 мин, на рис. 9 - зависимости микротвердости, распределения феррита и БМУ по сечению катанки от температурно-временных режимов изотермической выдержки. Анализ этих данных показывает следующее.

При 700 оС и 20 мин на поверхности ^ = 0,100,20 мм) наблюдается в основном ферритная структура (рис. 7, а) с размером зерна № 11, 12 и микротвердостью 167 ед. ИУ500; основная зона (рис. 7, б) состоит из феррита (~ 85 %) и БМУ (~ 15 %), размер зерна феррита более крупный № 10, 11 и средняя микротвердость 168 ед. ИУ500

лгттт^ г: гсттмгпта /1до -2 (60), 2011/ 1"*и

(при этом микротвердость феррита - 108 ед. ИУ25, а БМУ - 560 ед. ИУ25). При 600 оС и 30 мин на поверхности (Ъ = 0,07-0,15 мм) размер зерна феррита соответствует № 12, 11, а микротвердость составляет 157 ед. ИУ500, в основной зоне (рис. 8) - феррит (~ 75%) и БМУ (~ 25%), действительное зерно № 11, 10, 12 и микротвердость 168 ед. ИУ500 (142 ед. ИУ25 у феррита и 446 ед. ИУ25 у БМУ), т. е. структура при 600 оС более пластична, чем при 700 оС.

Из рис. 9 видно, что в целом наиболее оптимальным режимом изотермы является диапазон температур 600-650 оС при времени выдержки 20-30 мин. При этом наблюдается минимальная микротвердость сечения катанки (150-160 ед. ИУ500); максимальное количество мягкой фазы - феррита (до 94 %) и минимальное количество БМУ (до 6%). Следует отметить, что во всех образцах и режимах полосчатость структуры отсутствует, нет и участков ССЦ. Это в целом указывает на достаточно высокую однородность распределения химических элементов без их грубой ликвации.

3. Катанка из стали Св-08Г1НМА. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 1.

На рис. 10, 11 представлены структуры поперечных образцов (8, 9), изотермически выдержанных при 700 оС в течение 20 мин и 550 оС в тече-

Рис. 9. Зависимость количества поверхностного феррита (а), БМУ (б) и микротвердости ИУ (в) от температуры изотермы

для катанки из стали Св-08ХГ2СМФ

Ш

-г *:

¿к.

> , - ■ , - . ■ •! .* 'л; Ч Л '' ••> = . - - 4 4 ' Л : Г' (

г&И.«!!.'. С С * *>ч • • V

■ '.' . • - ' -г "--'ТС Ч-' \ - -

Рис. 10. Микроструктура по сечению образца 8 катанки из стали Св-08Г1НМА (Г = 700 °С, т = 20 мин): а - поверхностный

слой; б - сердцевина; в - цементитная сетка. х500

14412

нтге г глгтггг/7гггггггз 2 (60), 2011-

Рис. 11. Микроструктура по сечению образца 9 катанки из стали Св-08Г1НМА (Г = 550 °С, т = 20 мин): а - поверхностный

слой; б - сердцевина. *500

ние 20 мин соответственно, на рис. 12 - зависимости микротвердости структурных составляющих в катанке из стали Св-08Г1НМА. Для образца 8 (700 оС в течение 20 мин) на поверхности (рис. 10, г) толщиной 0,15-0,20 мм наблюдаются феррит и единичные БМУ, размер действительного зерна № 11, 12, 10, микротвердость 157 ед. ИУ500; в сердцевине - ПППА и карбиды, равномерно распределенные по сечению (рис. 10, б), микротвердость 238 ед. НУ500. Для образца 9 (550 оС в течение 20 мин) на поверхности толщиной 0,05-0,08 мм - феррит и отдельные БМУ (рис. 11, а), размер действительного зерна № 11, 10, микротвердость 143 ед. НУ500; в сердцевине - ПППА, БМУ и карбиды, равномерно распределенные по сечению (рис. 11, б), микротвердость 256 ед. НУ500 для всего сечения и НУ25 = 5 3 6 ед. для БМУ, т. е. со снижением температуры наблюдается упрочнение металла. Наиболее оптимальным следует признать изотермическую выдержку в диапазоне 600700 оС.

В температурном интервале 700-600 оС и времени выдержки 20-30 мин наблюдается ССЦ в виде фрагментов сетки по границам бывших ау-стенитных зерен. В этих же образцах (продольных) наблюдается полосчатость структуры. При 550 оС и выдержке в течение 20-30 мин - слабая полосчатость до 1-го балла.

4. Катанка из стали Св-08ГНМ. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 1.

На рис. 13-15 представлены структуры поперечного сечения катанки, изотермически выдержанной при 700 оС в течение 20 мин (образец 10), 600 оС в течение 20 мин (образец 11) и 550 оС в течение 20 мин (образец 12), на рис. 16 - зависимости микротвердости от температуры и времени изотермы. Анализ показывает следующее. При режимах изотермы 700 оС и 20-30 мин, 650 оС и 2030 мин микроструктура катанки состоит из двух

слоев (поверхностного и сердцевины); при 600 оС и 20-30 мин, 550 оС и 20-30 мин - из трех слоев (поверхностного, переходного и сердцевины).

При 700 оС и 20 мин в поверхностном слое толщиной 0,17-0,20 мм (рис. 13, а) имеется феррит, размер действительного зерна № 10, 11, 9, микротвердость составляет 131 ед. НУ500; в сердцевине (рис. 13, б) - ПППА и карбиды, равномерно распределенные по сечению, микротвердость 244 ед. НУ500 без БМУ.

При 600 оС и 20 мин в поверхностном слое толщиной 0,04-0,05 мм имеется феррит, размер действительного зерна № 10, 11, 9, микротвердость составляет 161 ед. НУ500; в промежуточном слое (рис. 14, а) толщиной 0,30 мм - смесь ПППА и карбидов, равномерно распределенных по сечению, микротвердость 209 ед. НУ500; в сердцевине (рис. 14, б) - ПППА и карбиды, равномерно распределенные по сечению, микротвердость 248 ед. НУ500; без БМУ.

При 550 оС и 20 мин в поверхностном слое толщиной 0,10-0,15 мм имеется феррит, размер действительного зерна № 10, 11, 9, микротвердость составляет 120 ед. НУ500; в переходном слое

Рис. 12. Зависимость микротвердости катанки из стали Св-08Г1НМА от температуры изотермы

/

-2 (60), 2011/ 1"*и

Рис. 13. Микроструктура по сечению образца 10 катанки из стали Св-08ГНМ (Г = 700 °С, т = 20 мин): а - поверхностный

слой; б - сердцевина; в - цементитная сетка. *500

Рис. 14. Микроструктура по сечению образца 11 катанки из стали Св-08ГНМ (Г = 600 °С, т = 20 мин): а - переходный слой;

б - сердцевина. х500

толщиной 0,20-0,25 мм - смесь ПППА и карбидов, равномерно распределенных по сечению, микротвердость 231 ед. ИУ500, в сердцевине (рис. 15) - ПППА и карбиды, равномерно распределенные по сечению, микротвердость 255 ед. ИУ500 (для БМУ ИУ25 = 5 60 ед.).

При 700-600 оС и 20-30 мин наблюдаются ССЦ в виде фрагментов сетки по границам бывших аустенитных зерен (рис. 13, в), при 550 оС ССЦ отсутствуют. Во всех продольных образцах отсутствует структурная полосчатость.

Распределение микротвердости (рис. 16) доказывает, что оптимальным режимом, в максимальной степени повышающим пластичность стали, является режим 600-700 оС (лучше 650-700 оС) и 20-30 мин.

Результаты исследования четырех разнолеги-рованных марок стали (Св-10ГАА, Св-08ХГ2СМФ,

Св-08Г1НМА, Св-08ГНМ) показывают следующие закономерности. Наилучшие пластические характеристики катанки наблюдаются при 650 оС и 2030 мин, причем выдержка в течение 30 мин влияет в большей степени. Эти условия в максимальной степени соответствуют изотермическим условиям превращения аустенита в феррит. Наличие в ряде случаев БМУ определяется структурным наследием металла.

ТКД для металла из стали Св-08ГНМ (рис. 17, ТКД построена М. Ф. Евсюковым (ИЧМ НАН Украины)) в динамике процессов охлаждения косвенно подтверждает и изотермическую картину структурных превращений. Так, из ТКД видно, что однофазная область формирования ферритно-пер-

Рис. 15. Микроструктура сердцевины образца 12 катанки из стали Св-08ГНМ (Г = 550 °С, т = 20 мин). х500

Рис. 16. Зависимость микротвердости катанки из стали Св-08ГНМ от температуры изотермы

1Лв/А ГГТГгГ^ г: гл^ггггтгггг

1Чи I 2 (60), 2011-

Т а б л и ц а 2. схема лабораторного эксперимента с образцами катанки диаметром 11 мм из стали св-08ГНМ

Темпера-тура нагрева и осадки, оС Образцы после осадки при соответствующей температуре

2 3 4 5

h, мм e, % h, мм e, % h, мм e, % h, мм e, % h, мм e, %

800 9,3 28,5 7,4 54,7 5,6 74,1 4,7 81,7 3,1 92,1

900 8 47,1 5,8 72,2 5 79,3 3,4 90,4 - -

1000 7,6 52,3 5,2 77,7 5 79,3 3 92,6 - -

1050 8 47,1 5,4 75,9 4,7 81,7 2,5 94,8 - -

1100 6,3 67,2 5,3 76,8 4,5 83,3 2,5 94,8 - -

1200 8 47,1 7 59,5 4,8 81 3,5 89,9 - -

П р и м е ч а н и е: h - высота образца после осадки; е - относительная степень деформации образца в процессе осадки.

литной структуры находится в диапазоне температур 620-727 оС, центр этого диапазона ~ 650 оС, а временной интервал составляет 100-104 с, в периоде - до бесконечности. Ниже (по температуре от 600 до 400 оС) располагается бейнитная зона протяженностью во времени 10-104 с и более, в периоде - до бесконечности. Снижение скорости охлаждения до 0,033 оС/с и менее (фактически -условия изотермы) обеспечивает формирование в микроструктуре до 75% феррита, 12% перлита и остальное - остаточный аустенит и БМУ. Степень распада остаточного аустенита на зернистый бейнит составляет 15-20%.

Таким образом, анализируя изотерму, подтвержден вывод о том, что наличие в структуре металла БМУ неизбежно, однако важно в каком количестве и в каком структурном виде они существуют. Установлено, что при оптимальных режимах изотермической обработки указанных выше сталей БМУ имеются в Св-10ГАА и Св-08ХГ2СМФ, но отсутствуют в Св-08Г1НМА и Св-08ГНМ.

На втором этапе лабораторных исследований было проведено моделирование процесса динамической рекристаллизации/полигонизации металла при горячей осадке при разных температурах

и степенях деформации образцов катанки из стали Св-08ГНМ. Всего было исследовано 25 образцов катанки диаметром 5,5 мм, которые нагревали до шести разных температур - 800, 900, 1000, 1050, 1100 и 1200 оС. На каждую температуру нагревали по четыре образца длиной 11мм, которые в горячем состоянии при заданной температуре деформировали со степенями 25, 50, 75, 95 %. Конкретные условия эксперимента приведены в табл. 2, его результаты - на рис. 18.

Кривая изменения микротвердости металла в зависимости от температуры и степени деформации характеризуется наличием двух экстремальных значений: локального максимума при 900 оС и локального минимума при 1050 оС. Причем при всех температурах с увеличением степени деформации микротвердость возрастает (рис. 19). Микроструктура представляет в основном смесь БМУ и ПППА (феррит, перлит, БМУ, карбиды).

Физическое объяснение таким деформационно-температурным аспектам проведенного моделирования можно найти в механизме горячей пластической деформации [1, 2], представленной на кривой напряжение-деформация (рис. 20). По мере увеличения степени деформации в аустените происходят

>

X

ct

§; 260 о. о ш

О 240

4>

V <1

V ж

А

Л

Рис.17. Термокинетическая диаграмма превращения аусте-нита стали Св-08ГНМ

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Температура (изотермы) нагрева, ° С

Рис. 18. Зависимость микротвердости катанки из стали Св-08ГНМ от температуры аустенитизации и степени деформации: 1 - s = 30%; 2 - 60; 3 - 90%

лгттт^ г: гсттмгпта /1Д7

-2 (60), 201м

Рис. 19. Макроструктура катанки из стали Св-08ГНМ

структурные изменения. Стадия I соответствует легкому скольжению дислокаций, для которого характерно состояние горячего наклепа; II стадия -множественному скольжению, при котором наряду с упрочнением происходит и некоторое разупрочнение. Стадия III соответствует одновременному протеканию деформационного упрочнения и разупрочнения по механизму динамического возврата. На этой стадии еще до пика напряжений образуется ячеистая или полигонизированная субструктура с вытянутыми субзернами и высокой плотностью свободных дислокаций. При переходе от стадии III к стадии !У субструктура трансформируется в динамически полигонизированную субструктуру с равноосными субзернами и сравнительно низкой плотностью свободных дислокаций. На стадии !У может протекать не только динамическая полигонизация, но и динамическая рекристаллизация, что определяется химическим составом стали и условиями деформации (температурой, степенью и скоростью деформации).

Локальные максимум и минимум прочности (ИУ = св на рис. 18) при 900 и 1050 оС можно связать и с изменением размера зерна подобно зависимости Холла-Петча.

Выводы

1. Проведены две серии (два этапа) лабораторных экспериментов (лабораторное моделирование) по исследованию структурообразования в катанке

Рис. 20. Схема кривой деформационного упрочнения - разупрочнения в ходе горячей деформации стали

из легированной стали сварочного назначения. Первая серия (этап) - исследование влияния температуры в диапазоне 700-500 оС и времени выдержки металла в течение 20 и 30 мин при указанных температурах на структуру и свойства катанки. Вторая стадия (этап) - изучение температурно-деформационных (динамическая осадка) процессов в интервале температур 800-1200 оС и степенях деформации 30-90%.

2. На первом этапе была исследована катанка из четырех легированных сталей: Св-10ГАА, Св-08ХГ2СМФ, Св-08Г1НМА, Св-08ГНМ. Установлено, что максимальная пластичность (минимальные значения микротвердости) для указанных сталей наблюдается при 650 оС и 30 мин. Увеличение времени изотермической выдержки соответственно повышает пластические свойства и снижает прочностные характеристики. При оптимальном лабораторном режиме (650 оС и 20-30 мин) в структуре сталей Св-10ГАА и Св-08ХГ2СМФ наблюдается минимальное количество БМУ, а в сталях Св-08Г1НМА, Св-08ГНМ БМУ отсутствуют, что обусловливает максимальную деформируемость катанки при безотжиговом волочении.

3. Деформационно-температурное моделирование для стали Св-08ГНМ подтверждает динамику превращений структуры при горячем деформировании катанки и зависимость Холла-Петча по влиянию размера зерна на механические свойства стали.

литература

1. Б е р н ш т е й н М. Л., З а й м о в с к и й В. А., К а п у т к и н а Л. М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983.

2. Разупрочняющая термомеханическая обработка проката из углеродистой стали / В. В. Парусов, А. Б. Сычков, В. А. Лу-ценко, Э. В. Парусов // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 6. С. 54-56.