Структурообразование в низкоуглеродистых бейнитных сталях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Kapustin Igor Victorovich, leading engineer, JSC “Irbis-T”, Russia, Tula, JSC “Ir-

bis-T”,

Kataev Roman Alekseevich, postgraduate student, engineer, kataev@,shtyl. com, Russia, Tula, JSC “Irbis-T”,

Blinov Roman Vadimovich, leading engineer, JSC “Irbis-T”, Russia, Tula, JSC “Ir-

bis-T”

УДК 669.017

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ БЕЙНИТНЫХ СТАЛЯХ

Н.В. Мельниченко, А.В. Маляров, М.О. Мукосеева,

К.В. Коледенкова

Приводятся особенности структурообразования при бейнитном превращении в низкоуглеродистых низколегированных сталях.

Ключевые слова: структура, бейнит, аустенит, феррит.

К сталям, используемым для производства деталей для газо-нефтепроводов, предъявляются повышенные требования. Высокие прочностные свойства невозможно получить без термической обработки. После упрочняющей термической обработки структура и свойства по сечению изделий толщиной от 18 до 32 мм не однородны. В поверхностных слоях может образовываться мартенсит, ниже по глубине - нижний бейнит, бейнитная структура зернистой морфологии (СЗМ) и феррит. Наиболее предпочтительна СЗМ как с точки зрения технологичности и свариваемости стали, так и ее надежности в эксплуатации [1 - 4]. СЗМ в большом количестве образуется при скорости охлаждения от 2 до 10 оС/с. Распад ау-стенита начинается по границам аустенитных зерен и распространяется к их центру. В отдельных зонах образуются участки аустенита с повышенной концентрацией углерода, приобретая вид островков. В процессе дальнейшего охлаждения часть участков распадается с образованием мартенсита, феррита и цементита или смеси их, а часть сохраняется до полного охлаждения стали. Зерна мезоферрита в основном имеют полиэдрическую форму и различаются размерами в зависимости от времени образования. Они в одних участках примыкают друг к другу, в других выглядят как ост-ровковые включения окруженные мартенситом, образовавшимся в процес-

се охлаждения [2].. Объем мартенсито-аустенитной (МА) составляющей с увеличением скорости охлаждения от 2 до 10 оС/с возрастает от 1 до 7 %, а затем снижается и при 18 оС/с составляет около 3 % [3]. По мнению автора крупные островки МА составляющей являются инициаторами зарождения хрупких трещин. Охрупчивание активизируется в случае охлаждения стали со скоростью 9 оС/с. В процессе приготовления шлифов из стали 05Г2МФБ на их поверхности, охлаждённой приблизительно с такой же скоростью, обнаружено выкрошивание частиц округлой формы.

Таким образом, одна из причин охрупчивания стали - это образование структуры мартенсита в охлаждаемой стали из аустенитного состояния при небольшой скорости охлаждения, которая может быть инициатором зарождения хрупких трещин. Проблема охрупчивания стали при термической обработке на бейнит актуальна, так как зарождение микротрещин внутри стенки изделия снижает его надёжность и может привести к аварии.

Цель работы - изучение условий зарождения микротрещин в низкоуглеродистой низколегированной стали при распаде аустенита и формировании структуры зернистой морфологии.

Образцы размером 45 х 45 х 45 мм, изготовленные из стали 05Г2МФБ, подвергали предварительной обработке - нормализации. Нагрев под закалку до 930 оС с последующим подстуживанием до 800 оС проводили в электрической печи СШОЛ мощностью 5 квт фирмы МИУС. Охлаждение осуществляли в воде. Температуру измеряли приборами серии ТРМ научно-производственного объединения ОВЕН. Структуру изучали с применением металлографического микроскопа №орИо1

Металлографическими исследованиями установлено, что по глубине закаленной зоны располагаются мартенсит, бейнит игольчатой формы, далее структура бейнита в виде глобулей (СЗМ) и в центре заготовки преимущественно структура феррита. В зоне перехода от игольчатого бейнита к СЗМ, иглы бейнита не сплошные, а состоят из строчек частиц округлой формы (глобулей) размером ~ 5 мкм (рис. 1), повторяющих очертания игл.

Строчки округлой формы

х 1250x2

Рис. 1. Структура бейнита игольчатая.

225

В слое СЗМ, толщиной ~ 10 мм, глобули формируются относительно произвольно. Форма их вытянутая. По границам глобулей отчетливо видны темные включения. В верхней части этого слоя имеют место кратеры от выкрошенных микрообъёмов округлой формы (рис. 2). Темные включения по границам глобулей по нашему мнению могут состоять из мартенсита, который предопределяет охрупчивание стали. Крупные островки МА составляющей сосредоточенные в центре бывшего аустенитного зерна не являются инициаторами зарождения хрупких трещин. Они не могут активизировать охрупчивание стали в узком диапазоне скоростей охлаждения при формировании глобулей бейнита с высокой плотностью распределения, т.к. образуются локально.

Зона выкрошенной глобули

х 1250x6

Рис. 2. Структура стали после охлаждения со скоростью ~ 9 оС/с.

Количество глобулей по глубине слоя уменьшается и ближе к центру глобули формируются в локальных зонах.

Количество зёрен феррита по глубине слоя, наоборот, возрастает, а их размер увеличивается. В центре заготовки он составляет ~ 10 мкм (рис. 3). Наряду с этим имеет место образование мелких зёрен феррита размером ~ 1 мкм.

х 1250x2

Рис. 3. Структура стали после охлаждения со скоростью ~ 6 оС/с

226

Для объяснения процессов, происходящих при распаде аустенита, использована модель формирования СЗМ (рис. 4), изложенная [2] и доработанная авторами.

Рис. 4. Структура стали после охлаждения со скоростью ~ 3 оС/с

При скорости охлаждения около 9 оС/с, когда образуется преимущественно СЗМ, глобули зарождаются и растут на границах отдельных зёрен аустенита почти до соприкосновения друг с другом (рис. 2). Вокруг глобулей образуется зона в виде тонкой прослойки переохлажденного аустенита обогащенного углеродом (Апер оу), который при охлаждении до температуры закалки превращается в высокоуглеродистый мартенсит, способный к зарождению микротрещины и выкрошиванию глобули. На рис. 2 эта зона выглядит как чёрная окантовка вокруг глобули.

При скорости охлаждения менее 9 оС/с число образовавшихся гло-булей уменьшается, расстояние между ними увеличивается (рис. 3), прослойка переохлажденного аустенита становится толще и менее обогащённой углеродом. Поэтому в ней не создаются условия для образования закалочных структур с высоким содержанием углерода.

В центре бывшего аустенитного зерна (рис. 6) Апер, зажатый между глобулями, менее обогащён углеродом, поэтому распадается с образованием низкоуглеродистого мартенсита или сохраняется как А ост.

Понижение скорости охлаждения до 3 оС/с приводит к дальнейшему уменьшению количества глобулей, они формируются только в отдельных зонах (рис. 4).

Когда скорость охлаждения стали становится ~ 2 оС/с образовавшиеся глобули бейнита по истечении некоторого времени распадаются, а Апер, зажатый между глобулями, распадается на феррит и карбиды, образуя новые зерна. Размеры их одного порядка с размерами глобулей СЗМ (рис. 5).

х 1250x2

Рис. 5. Структура стали после охлаждения со скоростью ~ 2 оС/с

Г раница бывшего зерна аустенита

Рис. 6. Модель образования структуры зернистой морфологии

Таким образом, в центре бывшего аустенитного зерна при скорости охлаждения ~ 9 оС/с между глобулями бейнита образуются закалочные структуры, а при более низких скоростях охлаждения условия для их образования уменьшаются и при скорости охлаждения ниже 2 оС/с в этих зонах формируются зёрна феррита и карбиды. Разнозернистость структуры стали образуется в два этапа. Первый этап - при распаде аустенита и второй -при распаде аустенита переохлаждённого или закалочных структур зажатых между глобулями зернистого бейнита.

Вывод:

1. Получить доказательства существования прослойки мартенсита затруднительно, но с помощью модели можно объяснить причину охрупчивания стали при скорости охлаждения ~ 9 оС/с, так как при достижении определенной концентрации углерода в локальных микрообъёмах по границам глобулей может образовываться тонкая хрупкая прослойка высокоуглеродистого мартенсита, способствующая зарождению микротрещин.

2. Разнозернистость структуры в низкоуглеродистой низколегированной стали связана с формированием феррита при охлаждении с аусте-

нитного состояния в два этапа.

Список литературы

1. Чепрасов, Д.П. Исследование структуры низколегированных вы-

сокопрочных сталей / Д.П. Чепрасов, Е.А. Иванайский, A.A. Иванайский, К.С. Кровяков. // Тезисы докладов 6-ой международной научно-

практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств». Барнаул. Изд-во АлтГТУ. 2004. С. 31.

2. Свищенко В.В., Чепрасов Д.П., Иванайский А.А //Формирование в промежуточной области структур зернистой морфологии и некоторые вопросы терминологии. Барнаул. Изд-во АлтГТУ. Ползуновский альманах № 4, 2003. С.111.

3. Борякова, М.А. Смирнов // Труды IV-ой Евразийской научнопрактической конференции «Прочность неоднородных структур - ПРОСТ 2008». Москва: МИСиС, 2008. С. 203.

Мельниченко Николай Васильевич, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Маляров Андрей Викторович, инженер, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Мукосеева Мария Олеговна, студентка, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Коледенкова Кристина Валерьевна, студентка, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE FEA TURES OF STRUCTURE FORMA TIONDURING BANITIC TRANSFORMA TION IN LOW CARBON LOW-ALLOYED STEELS ARE SHOWN

N. V. Melnichenko, A. V. Painters, M.O. Mukoseeva,

K. V. Koledenkova

The structure formation in low carbon steels during bainitic transformation

Key words: structure, bainite, austenite, ferrie

Melnichenko Nikolai Vasilievich, candidate of technical sciences, associate professor, Russia, Tula, Tula state University,

Painters Andrey Viktorovich, engineer, Russia, Tula, Tula state University

Mukoseeva Marija Olegovna, student, Russia, Tula, Tula state University,

Koledenkova Kristina Valerevna, student, Russia, Tula, Tula state University