CC BY
49УДК 621:771.23-022.532:621.785
Чукин М.В., Полецков П.П., Набатчиков Д.Г., Гущина М.С., Бережная Г.А.1
Аннотация. В условиях комплекса ООО «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке высокопрочных сталей с последовательным варьированием содержания Сг, Мп, №, Мо, №. Определено влияние химического состава и скорости охлаждения на механические свойства высокопрочного проката.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, технологический процесс, химическая композиция, критическая скорость охлаждения, механические свойства
Опыт развития современных техники и технологий показывает, что одним из важных стратегических направлений является разработка и внедрение новых материалов на основе высокопрочных сплавов, обладающих комплексом уникальных механических свойств. Получить новые технические характеристики возможно, если при изготовлении использовать качественно новые материалы и инновационные разработки. Примером могут служить наноструктурированные высокопрочные стали, которые благодаря своим уникальным свойствам являются перспективными материалами для использования в различных областях обороны, машиностроения, крановой и автомобильной отраслей промышленности [1, 2].
Как показывает практика изготовления изделий из высокопрочных сталей применение новейших методов термодеформационного воздействия позволяет обеспечить уникальное сочетание технологических и служебных свойств [3-5].
Также известно [6-9], что увеличение содержания таких элементов как Сг, №, Мо, Мп, № и др. приводит к смещению вправо линий термокинетических диаграмм и, как следствие, способствуют снижению критической скорости охлаждения при закалке, что в свою очередь влияет на механические свойства.
В комплексе «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке высокопрочных сталей с последовательным варьированием химических элементов, входящих в их состав (табл. 1).
Слитки различного химического состава нагревали в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1200°С. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 и прокатку на одноклетевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО». Температура окончания деформации составляла от 850°С до 950°С. Слитки прокатывали до толщины 8 мм. Полученные раскаты охлаждали на воздухе.
Термическая обработка образцов заключалась в закалке и последующем отпуске по следующим режимам:
1) закалка с нагревом до температуры 850-1000°С. Время выдержки при температуре нагрева под закалку составляло 20 мин. В качестве закалочной среды использовали воду;
2) «низкий» отпуск при температуре от 180 °С. Время выдержки при температуре отпуска -40 мин. Последующее охлаждение образцов осуществляли на воздухе.
1 Работа выполнена при участии С.В. Денисова, Е.В. Брайчева, Н.В. Копцевой, М.П. Барышникова, Ю.Ю. Ефимовой, О.А. Никитенко, Д.М. Чукина, А.С. Ишимова, М.С. Жеребцова
2 Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).
Таблица 1
Химический состав опытных образцов
№ Маркировка Массовая доля элементов, не более, % CEV
п/п C Si S P Cr Mo Nb Mn Ni Прочие не более
1 база 0,6
2 0,8%Cr 0,8 0,4 0,01
3 1%Сг 1,0 0,9 0,9
4 0,7%Mo 0,32 0,30 0,010 0,015 0,7 Cu, V, Ti, B 0,83
5 0,03%Nb 0,03
6 1,25%Mn 0,6 0,4 1,25
7 1,6%Ni 0,01 0,9 1,6
8 3,2%Ni 3,2
Испытания механических свойств полученных опытных образцов высокопрочного листового проката осуществлялись в аккредитованной лаборатории в соответствии с общепринятыми условиями (табл. 2):
- испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497 на универсальной испытательной машине фирмы ZWICK GmbH&Co.Mn, Германия, серии Z2000;
- испытания на ударный изгиб c V-образным надрезом проводились в соответствии с ГОСТ 9454 на образцах типа 13 в соответствии с ГОСТ 9454;
- измерения твердости по Бринеллю HBW проводились по ГОСТ 9012 с применением шарика из твердого сплава диаметром 10,0 мм под действием усилия F = 29430 Н (3000 кгс).
Результаты измерений представлены в табл. 3.
Таблица 2
Размеры образцов для исследования
Вид испытания Размеры образца, мм
длина ширина толщина
Твердость HBW по ГОСТ 9012 (ISO 6506) 30 30 8
Растяжение (пропорциональные плоские образцы тип II) по ГОСТ 1497 (EN ISO 6892) 500 30±0,50 8
Ударный изгиб на маятниковом копре по Шарпи по ГОСТ 9454, тип образца 13 55±0,60 10±0,075 5±0,06
Таблица 3
Результаты механических испытаний
Маркировка Твердость HBW Ударная вязкость KCV-40, Дж/см2 Условный предел текучести Rpo.2, Н/мм2 Временное сопротивление разрыву Rm, Н/мм2 Относительное удлинение A50, %
база 495 38 1308 1639 12,5
0,03%Nb 555 27 1455 1920 15
0,7%Mo 555 15 1460 1835 12
1%Сг 578 25 1380 1390 1,6
1,25%Mn 537 35 1460 1920 5,5
3,2%Ni 530 39 1485 1918 13,5
По результатам анализа механических свойств опытных образцов определили:
- повышение прочностных свойств за счет дополнительного легирования стали Сг, Мо, №, Mn сопровождается снижением вязко-пластические свойств готового проката;
- для проката с повышенным содержанием № режимы термической обработки (закалки и низ-
кого отпуска) обеспечивают получение высокого уровня прочности и твердости без ухудшения вязко-пластических свойств.
Далее исследовали влияния скорости охлаждения на превращения переохлажденного аустенита для высокопрочных сталей различного химического состава. Результаты исследования представлены в табл. 4 и рис. 1.
Таблица 4
Твердость опытных сталей, полученная при различных скоростях охлаждения
Скорость охлаждения, °С/с
№ п/п Маркировка 1 3 5 10 20
Твердость HV
1 база 3243 4758 4975 4906 5036
2 0,8%Сг 3006 3814 4725 4896 4936
3 1%Сг 4205 5084 5321 5389 5324
4 0,7%Мо 3890 5377 5493 5413 4795
5 0,03%№> 3477 4676 5201 5476 5471
6 1,25%Мп 3941 5379 5454 5544 -
7 1,6%№ 3582 4481 5487 5536 5326
8 3,2%№ 4748 5361 5454 5500 -
Рис. 1. Зависимость значений твердости от скорости охлаждения проката различных химических композиций
Анализ полученных результатов позволяет заключить, что падение твердости для базовой композиции наблюдается при снижении скорости охлаждения до 3 °С/с. Для химических составов 0,8% Сг, 0,03% №Ь, а также с 1,6% № получена аналогичная тенденция.
Для сталей с 1,0%Сг, 0,7%Мо, 1,25% Мп заниженные значения твердости получены при снижении скорости охлаждения до 1°С/с. Для композиции с 3,2%№ требуемая твердость достигается уже при скорости охлаждения равной 1°С/с, в то время как для базовой композиции требуемый уровень твердости достигается при скоростях охлаждения не менее 5°С/с.
Таким образом, опробованные химические составы позволяют получать высокую твердость при более низких скоростях охлаждения, чем базовый. Следовательно, добавление 3,2%№, 1,0%Сг, 0,7%Мо, 1,25%Мп является эффективным механизмом снижения критической скорости закалки.
Выводы:
1) Проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке
наноструктурированных высокопрочных сталей с последовательным варьированием содержания Сг, Мп, №Ь, Мо, № относительно базового химического состава;
2) определена зависимость значений твердости от скорости охлаждения проката различных химических композиций. Установлено, что дополнительное легирование №, О", Мо, Мп является эффективным механизмом снижения критической скорости закалки;
3) исследовано влияние легирующих элементов на механические свойства проката. Установлено, что химический состав с повышенным содержанием № обеспечивает повышение твердости и прочности без ухудшения вязкопластических свойств.
Список литературы:
1. Чукин М.В, Салганик В.М., Полецков П.П., Денисов С.В., Кузнецова А.С., Бережная Г.А., Гущина М.С. Основные виды и области применения стратегического высокопрочного листового проката / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №4. С. 41 - 44.
2. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Оценка конъюнктуры мирового рынка и областей применения наносруктуриро-ванного высокопрочного листового проката / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Международный сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. Вып. 21. С. 39- 45.
3. Чукин М.В., Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Кузнецова А.С., Алексеев Д.Ю. Анализ технических требований, предъявляемых к наноструктурированному высокопрочному листовому прокату / Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. №2. С.19- 28.
4. Полецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А., Алексеев Д.Ю., Набатчиков Д.Г. Исследование влияния режимов термической обработки на механические свойства высокопрочного листового проката / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 88 - 92.
5. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Исследование влияния температуры нагрева при закалке на механические свойства низколегированной высокопрочной стали / Производство проката. 2015. №5. С. 32 - 37.
6. Тлустенко С.Ф. Теория и режимы нагрева и термообработки заготовок и деталей в процессах ОМД: учеб. пособие / С.Ф. Тлустенко. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. - 80 с.
7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
8. Шрейбер Г. К., Шибряев Б. Ф., Полферов А.П., Перлин С. М., Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности: Справочное руководство. М.: Машиностроение, 1962. -383 с.
9. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка: Учебник. - М.: Машиностроение, 1965. - 503 с.
УДК 669.018.58.017
С. Савицкий1, К. Лабер, Х. Дыя, А. Кавалек
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ С45 И С70
Аннотация. В работе проведен анализ высокотемпературных характеристик пластичности сталей С45 и С70. Целью исследований была оценка деформируемости исследуемых сталей в условиях горячей деформации. Для определения склонности сталей С45 и С70 к трещинообразованию при высоких температурах образцы испытывали на оборудовании для физического моделирования Gleeble 3800. Были определены температура нулевой прочности, нулевой пластичности, температура возврата в пластичное состояние, а также коэффициент трещиноустойчивости и область хрупкого состояния.
Полученные данные будут использованы при анализе процесса кристаллизации исследуемых сталей на установке УНРС (непрерывной разливки стали), а также при определении параметров охлаждения стали, обеспечивающих отсутствие растягивающих напряжений в материале при его перемещении через кристаллизатор при температуре выше температуры нулевой прочности.
Ключевые слова: сталь C45, C70, пластометрические исследования, высокотемпературные характеристики, температура нулевой пластичности, температура нулевой прочности, температура возврата в пластичное состояние
ВВЕДЕНИЕ
Целью исследований, представленных в данной работе, является определение параметров, характеризующих механические свойства сталей С45 и С70 при повышенных температурах, в том числе в области «твердая фаза - жидкость», при нагреве и охлаждении [1-5]:
- ТНПр (Температура нулевой прочности -№Т) - температура перехода нагреваемого металла или сплава в состояние нулевой прочности;
- ТНПл (Температура нулевой пластичности - КБТ) - температура, при которой нагреваемый металл или сплав полностью теряет пластичность;
- ТВПС (Температура возврата в пластичное состояние - БИТ) - температура, при которой материал снова становится пластичным при охлаждении после нагрева.
Для того, чтобы охарактеризовать склонность стали к трещинообразованию, используют коэффициент сопротивления трещинообразования К/, который определяется следующим образом:
КГ =
жг - мот
ыт '
(1)
чем выше его значение, тем меньше сопротивление стали к трещинообразованию.
Диапазон температур между температурой нулевой прочности (ТНПр) и температурой возврата в пластичное состояние (ТВПС) считается температурной областью хрупкости (BTR). Главной целью проведенных исследований было определение склонности материала к трещинообразованию. Исследования для определения температурного
