CC BY
11
7. Modifitsirovaniye chuguna dlya otlivok (Modification of cast iron for castings) Available at: www.steeltimes.ru/books/blastfumace/pigironotlivki/24/24.php (accessed 31 January 2018). (Rus.)
8. GOST 3443-87. Otlivki iz chuguna s razlichnoy formoy grafita. Metody opredeleniya struktury [State Standard 3443-87. Cast iron castings with graphite of different form. Methods of structure determination]. Moscow, Standartinform Publ., 1988. 42 р. (Rus.)
Рецензент: О.И. Тришевский д-р техн.наук, проф., ХНТУСХ
Статья поступила 15.02.2018
УДК 669.017.07 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142518
© Гаврилова В.Г.1, Григор'ева М.О.2
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НАГР1ВУ П1Д ЗАГАРТУВАННЯ НА ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦ1ЙНОГО ЗМ1ЦНЕННЯ СТАЛ1 КАТЕГОРП М1ЦНОСТ1 К60
На ocHoei анал1зу д1аграм розтягнення зразюв cmmi категорИ' мщност! К60, попе-редньо нормалiзованих i загартованих у eodi з двофазного (у-а) ттервалу, розрахо-вано стутнь змщнення, рiвномiрне подовження та коефщент змщнення як вiдно-шення рiзницi меж мiцностi й плинностi до вiдносного подовження розривних зразюв на дтянц дiаграми розтягування, що вiдповiдаe рiвномiрному подовженню. Встановлено характер змти коефiцieнта деформацтного змщнення /*. Отримаш результати рекомендуеться використовувати для розробки режимiв термозмщ-нення маловуглецевих низьколегованих сталей, а також при ощнюванш показниюв гх мехатчних та експлуатацтних характеристик.
Ключовi слова: двофазний (у-а) ттервал, коефщент змщнення, штрипсова сталь К60, стутнь змщнення, рiвномiрне подовження.
Гаврилова В.Г., Григорьева М.А. Влияние температуры нагрева под закалку на характер деформационного упрочнения стали категории прочности К60. На основе анализа диаграмм растяжения образцов стали К60, предварительно нормализованных и закаленных в воде из двухфазного (у-а) интервала, рассчитаны степень упрочнения, равномерное удлинение и коэффициент упрочнения как отношение разности пределов прочности и текучести к относительному удлинению разрывных образцов на участке диаграммы растяжения, соответствующему равномерному удлинению. Установлен характер изменения коэффициента деформационного упрочнения /*. Полученные результаты рекомендуется использовать для разработки режимов термоупрочнения малоуглеродистых, низколегированных сталей, а также при оценке показателей их механических и эксплуатационных характеристик. Ключевые слова: двухфазный (у-а) интервал, коэффициент упрочнения, штрипсо-вая сталь К60, степень упрочнения, равномерное удлинение.
V.G. Gavrylova, M.O. Grigoreva. Influence of quenching temperature on the character of steel K60 strain hardening. The article analyses the strain-stress diagrams of steel K60, previously normalized and quenched in water from two-phase (у-а) interval; the degree of hardening, even elongation and hardening coefficient were calculated as the ratio of the tensile strength and yield strength difference to the relative elongation of ten-
1 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуnоль, яаугИоуд V g@mail.ua
2 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуполь
sile test specimens on the diagram tension sector, that corresponds to the even elongation. Hardening temperature increase from 700 to 830 °С results in opposite change of <в and <т values: <в slowly increases from 516,8 to 527,0 MPa while <т rather sharply decreases from 498,7 to 478,6 MPa. Thus, obtaining of diphasic structure of low-carbon steel after hardening from the diphasic area, consisting of pure ferrite and martensite in separate joints of grains, predetermines the low values of yield limit and the high values of ultimate resistance. The nature of strain hardening coefficient r* change has been determined. Its value becomes »1,7 times higher with the increase of quenching temperature from the intercritical interval. Herewith the compound ferritic- martensitic structure is formed, its dispersion increases with the increase of the quenching temperature from the mentioned interval. It is coefficient r * that determines plasticity of low-carbon sheet steel. At the temperatures in the upper part top of the intercritical interval its growth is related to forming ofplenty of dispersed austenite grains, to size reduction of martensite packages, and to active atoms of carbon in martensite that block the sources of dislocations. The results are recommended to be used in the development of thermal hardening modes for low-carbon and low-alloy steels, as well as in the evaluating the parameters of their mechanical and operating characteristics.
Keywords: two-phase (y-a) interval, hardening coefficient, skelp К60 steel, the degree of hardening, even elongation.
Постановка проблеми. Щцвищення вимог до штрипсових сталей, що використовуються для виготовлення труб великого дiаметру, викликае необхщнють оптимiзащ! !х режимiв термо-змщнення, зокрема, застосування загартування з на^вом в мiжкритичний штервал температур (МК1Т), а також вивчення тсля вказано! обробки !х структурного стану i поведшки при дефор-мацшному змщненш.
AH^i3 останшх дослщжень та публжацш. Штрипсовi стал^ що використовуються для виготовлення зварних газопровщних труб великого дiаметру виробляються металургшними компашями Укра!ни, Роси, Шмеччини, Японп, Коре! та шших кра!н як за технолопчною схемою низькотемпературного контрольовано! прокатки ^з завершенням в (у-а)-обласп) i пода-льшим охолодженням на повг^ (iнодi прискореним охолодженням), так i за схемою високоте-мпературно! контрольовано! прокатки з подальшим прискореним охолодженням залежно вщ вимог, сортаменту, наявносп устаткування та технологи, а також з економiчний мiркувань. Одним з ефективних ршень отримання оптимального поеднання мехашчних властивостей мета-лопрокату з маловуглецевих низьколегованих сталей, а також зниження енерговитрат в процес !х термообробки являеться змщнення в результат загартування з нагрiвом в МК1Т в порiвняннi з технолопями, що передбачають традицiйне для даних сталей на^вання вище Ас3 [1-6].
У роботах [2-6] розглянуп теоретичш та прикладнi питання, що стосуються загартування з МК1Т низько- та середньовуглецевих сталей, а також приведений аналiз чинниюв, пов'язаних з формуванням структури у вказанiй областi. Рiвень механiчних властивостей трубних сталей ощнюеться на пiдставi результатiв механiчних випробувань з використанням рiзних методiв, оскшьки в процесi експлуатацп вони тддаються рiзного роду навантаженням [1]. Найбшьш повну iнформацiю про властивостi металiв дозволяе отримати спосiб випробування на розтягу-вання [1, 7]. При цьому ощнюються показники мiцностi (ат та <) i пластичностi (5 и у). Дода-ткову шформащю, що вiдображае змiну характеристик металу в процес пластично! деформацi! при збшьшенш напруги вiд <т до <в, дозволяе отримати вiдношення <т/<в. Такий показник, од-нак, не дае уявлення про рiвень пластичностi в областi однорщно! деформацi!, що спостер^а-еться в процес зростання напруги в межах мiж <т та <в [8].
Стандартний шдхщ при аналiзi мщнюних властивостей маловуглецевих низьколегованих сталей, загартованих з МК1Т, в силу неоднозначно! залежносп, не дозволяе в належнш мiрi встановити особливостi деформацiйного змщнення в iнтервалi розтягуючих напруг <т-<в. Най-бiльш прийнятною величиною в цьому випадку е коефщент змщнення, який може бути визна-чений рiзними способами [7, 8]. Проте щ способи малоефективнi для розрахунку вказаного по-казника по дiаграмах розтягування на дiлянцi, що вщповщае рiвномiрному подовженню зраз-юв, загартованих з МК1Т.
Мета статт - встановлення особливостей деформацшного змiцнення при випробуваннях на розтягування штрипсово1 сталi категорп мiцностi К60 тсля аустенггизацп та загартування з МК1Т.
Виклад основного матерiалу. Картки розмiром 200x300 мм, cталi категорп мiцностi К60, хiмiчний склад яко! приведений у табл. 1, вирiзувалися з листового металу згiдно ГОСТ 7564-97. З них виготовлялися стандартт розривт зразки за ГОСТ 1497-84, як тддава-лися нормалiзацil при 1070°С та подальшому загартуванню у водi вiд температур 700, 730, 760, 790 та 830°С. Випробування на розтягування (ГОСТ 1497-84) проводилися при юмнатнш температура Дослщження мiкроструктури виконувалося на металографiчному мшроскот ее МЕТАМ РВ-22.
Таблиця 1
Хiмiчний склад стат категорп мiцностi К60 (Х70),% мас.
С Si Мп Сг Nb V Мо Ti А1 Си Ni S Р Fe
о" •I- о о •I- 00 0, 0, ЧО 0, 0, •I- 5 0, 5 0, 0, •I- 0 0, •I- 0 0, •I- 0 0, 10, решта
ас О, •I- 1,50- ас 0, 0, 0, 0, 0, 0, •I- ас 0, 0, •I" 5 01, 0, 5 0, 0, ас 0, 0, 0 ГЧ 0, •10 0, 0, •I- 0 0, 0,
Критичнi точки у дослщжувано! сталi - Ас1 = 720°С; Ас3 = 862°С [2]. Готовi зразки зазда-легiдь пiддавалися аустенггизацп з витримкою 25 хвил. i подальшим охолодженням на повiтрi. Пюля цього вони нагрiвалися в мiжкритичний (Ас1-Ас3) iнтервал до температур: 700, 730, 760, 790, 820°С з такою самою витримкою та охолоджувалися у водг Таким чином, нормалiзацiя вщ температури 1070°С забезпечувала вщносно повне розчинення карбонiтридних фаз, а при подальшому нагрiвi в iнтервалi температур Ас1-Ас3 та охолоджент у водi, в дослiджуванiй стал фiксувалися рiзнi стадп утворення продукпв розпаду двофазно! структури.
На рис. 1а представлена мкроструктура сталi К60 тсля нормалiзацil вiд 1070°С. Така об-робка забезпечила формування структури сорбгг. Подальше загартування з МК1Т дозволило створити умови для утворення двофазно1 структури, дисперснiсть яко! збшьшувалася з тдви-щенням температури на^ву пiд загартування в двофазнiй обласп (рис. 1 б-е). Номер зерна змшювався вiд 5-го при температурi 730°С (рис. 1в) до 9-го при 830°С (рис. 1е).
где
Рис. 1 - Мшроструктура стат К60 пiсля попередньо1 аустенггизацп та загартування вщ рiзних температур, х400: а - аустенiтизацiя при 1070°С (охолодження на повгг-рi); загартування у водi вiд температур: б - 700°С; в - 730°С; г - 760°С; д - 790°С; е - 830°С
Пластична деформащя металiв i сплавiв зазвичай розглядасться як стадiйний процес, що характеризуеться рiзною iнтенсивнiстю деформацiйного змщнення, що обумовлене, значною мiрою, еволющею дефектно! структури сплавiв [7]. У зв'язку з тим, що гартування з МК1Т мо-же показати складну залежнють характеристик мiцнiсних властивостей, рiвень деформацiйного змiцнення на стадп рiвномiрно! деформацi! можна оцiнити за допомогою умовного коефiцiента змiцнення
1 =
А1
(1)
де <уе, ит - характеристики мщносп, МПа; А - подовження зразка %. В табл. 2 представлен усереднеш результати випробувань на розтягування зразкiв, загар-тованих з мiжкритичного iнтервалу (по 5 на кожну температуру). Ощнка достовiрностi експе-риментальних значень проводилася з 95% довiрчою вiрогiднiстю.
Таблиця 2
Показники мехашчних властивостей сталi К60 (Х70) тсля загартування з МК1Т
Температура на^ву, °С Експериментальш середнi значення мехашчних властивостей
ит, МПа <в, МПа 5,%
700 493,1 516,8 18,0
730 498,7 519,9 19,5
760 497,1 519,6 18,0
790 488,3 527,0 19,5
820 478,6 526,0 25,5
и — и
в т
За результатами випробувань розрахунок середньо! величини коефщента змiцнення 1* виконувався шляхом визначення вщношення величини Аи до вщносного подовження розрив-них зразкiв на дшянщ дiаграми розтягування, що вщповщае рiвномiрному подовженню (А///о)р:
1 =—А<—. (2) (А1/10 )р
Ця величина визначалася з дiаграм розтягування без зуба i майданчика текучостi, що мае монотонний характер, шляхом дшення на 100 вщносного подовження 5 на дшянщ рiвномiрно! деформаци.
Клас мщносп К60, згiдно з ДСТ 20295-85, передбачае тимчасовий отр бiльш шж 588МПа, однак, при проведеннi експерименту нагрiвання в мiжкритичний iнтервал сприяло отриманню бiльш низьких значень ив, що пояснюеться присутнiстю в двофазнш структурi фе-ритно! складово!.
Аналiз результатiв мехашчних випробувань показав, що тдвищення температури загартування вiд 700 до 830°С супроводиться протилежною змiною величин ив та ит: величина ив повiльно зростае вiд 516,8 до 527,0 МПа, а ит вщновщно знижуеться вiд 498,7 до 478,6 МПа.
Таким чином, тдвищення температури загартування в МК1Т призводить до рiзкого збь льшення рiзницi Аи= ив - ит (рис. 2а) i величини рiвномiрного подовження (А!/!о)р (рис. 2б).
З результатiв розрахунюв значень 1*, приведених в табл. 2 i на рис. 3, витшае, що зразки, якi тддавалися попереднiй нормалiзацi! (вихiдний стан вшх зразкiв) i загартуванню вiд температури ~730°С, характеризуються низьким коефщентом змiцнення 1* = 108,7.
При шдвищенш температури до 730°С, величина 1 знижуеться до 110,0, а поим зростае до максимального значення - 199,5. С даш [2], що при нагрiвi в мiжкритичний штервал вщбу-ваеться рафiнування фериту за домшками (вони переходять в аустешт), цей чинник робить фе-рит пластичним. Здобуття двофазно! структури низьковуглецево! сталi пiсля загартування з МК1Т, що складаеться з рафшованого фериту й острiвцiв мартенситу в потршних стиках зерен, зумовлюе низью значення межi текучостi при високих значеннях тимчасового опору.
о
50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0
_ 0,27
I 0,25
| 0,23
I 0,21
ш
| 0,19
0,17
<и
680 700 720 740 760 780 800 820 840 Температура нагр1ву пщ загартування ^ оС
а
Щ 0,15 о '
X
110
а.
680 700 720 740 760 780 800 820 840 Температура нагр1ву пщ загартування t, оС
б
Рис. 2 - Вплив температури загартування з МК1Т на стутнь змiцнення (а) та рiвно-мiрне подовження (б) сталi К60
я
<и о
220,0 200,0 180,0 160, 0 140,0 120,0 100,0
N >
680 700 720 740 760 780 800 820 840 Температура нагр1ву пщ загартування ^ оС
Рис. 3 - Залежнiсть величини параметра змiцнення вщ температури загартування з МК1Т стал К60
Низькi значення коефiцieнта г* визначають пластичнiсть листових маловуглецевих сталей. Зростання коефiцieнта г* може бути пов'язане з формуванням при температурах верхньо! межi МК1Т велико! кiлькостi дисперсних зерен аустешту i, як наслiдок, подрiбненням мартен-ситних пакетiв, а також наявнютю в мартенситi дифузiйно активних атомiв вуглецю, що бло-кують джерела дислокацш [6, 9].
Висновки
1. Встановлено, що тдвищення температури загартування з мiжкритичного Ас1-Ас3 ш-тервалу температур (700 до 830°С) заздалегiдь нормалiзованих зразкiв сталi К60 супроводжу-еться збiльшенням величини межi мiцностi, однак межа текучостi, при цьому, зменшуеться; спостерiгаeться подрiбнення структури змiшаного, ферито-мартенситного типу.
2. Показано, що в разi неоднозначно! змши показникiв мiцностi зразкiв дослiджувано! стал^ загартованих з МК1Т, i яю пройшли випробування на розтягування, для ощнки характеру деформацiйного змiцнення може бути застосований коефщент г*.
3. Щцвищення температури нагрiву пiд загартування з МК1Т призводить до рiзкого зб> льшення рiзницi показникiв <ув-ат i величини рiвномiрного подовження (Д///о)р, при цьому кое-фiцiент змiцнення г пiдвищуеться « у 1,7 разiв.
Список використованих джерел:
1. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хайстеркамп [и др.]. - М. : Интермет инжиниринг, 1999. - 96 с.
2. Швейкин В.П. Микроструктура и фазовый состав низкоуглеродистых сталей после нагрева в межкритический интервал температур / В.П. Швейкин, В.А. Хотинов, В.М. Фарбер // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2008. - № 6. - С. 39-43.
3. Малинов Л.С. Влияние термообработки с нагревом в межкритический интервал температур на свойства сталей 60С2А и 60С2ХФА / Л.С. Малинов, И.Е. Малышева, Д.В. Малинова // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2012. - № 1. - С. 55-58.
4. Haitao Jiang. Influence of isothermal bainitis processing on the mechanical properties and microstructure characterization of TRIP-steel / Haitao Jiang, Hubin Wu, Di Tang, Qiang Lui // Journal of University of Science and Technology Beijing. - 2008. - № 5. - Pp. 574-579.
5. Влияние деформации в двухфазной области на кинетику аустенит-феррит превращения в стали 08Г2С / В.Н. Урцев [и др.] // Сталь. - 2005. - № 5. - С. 75-84.
6. Влияние температуры нагрева в межкритический интервал на формирование субзеренной структуры в предварительно закаленных низколегированных сталях [Электронный ресурс] / С.В. Беликов [и др.] // Современные проблемы науки и образования (электронный журнал). -2013. - № 2. - С. 34-40. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=8873.
7. Конева Н.А. Природа стадий пластической деформации / Н.А. Конева // Соровский образовательный журнал. - 1998. - № 10. - С. 99-105.
8. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. / А.А. Богатов. - Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. - 329 с.
9. Конева Н.А. Классификация, эволюция и самоорганизация дислокационных структур в металлах и сплавах / Н.А. Конева // Соровский образовательный журнал. - 1996. - № 6. - С. 99-107.
References:
1. Khaisterkamp F., Khulka K., Matrosov Iu.I., Morozov Iu.D., Efron L.I., Stoliarov V.I., Chevskaia O.N. Niobiisoderjashie nizkolegirovannie stali [Niobium-containing low alloy steels]. Moscow, Intermet inzhiniring Publ., 1999. 96 p. (Rus.)
2. Shveikin V.P., Khotinov V.A., Farber V.M. Microstruktura i fazovii sostav nizkouglerodistyh stalei posle nagreva v mezhkriticheskii interval temperatur [The microstructure and phase composition of low-carbon steel after heating in the intercritical temperature range]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaia metallurgiia - Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 2008, no. 6, pp. 39-43. (Rus.)
3. Malinov L.S., Malysheva I.E., Malinova D.V. Vliyanie termoobrabotki s nagrevom v mezhkriticheskii interval temperatur na svoistva stalei 60S2A I 60S2HFA [Influence of heat treatment with heating in the intercritical temperature range on the properties of steels 60Si2 and 60Si2CrV]. Metalurgisheskaya i gornorudnaia promishlennost - Metallurgical and Mining Industry, 2012, no. 1, 55-58. (Rus.)
4. Haitao Jiang, Hubin Wu, Di Tang, Qiang Lui. Influence of isothermal bainitis processing on the mechanical properties and microstructure characterization of TRIP-steel. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2008, no. 5, pp. 574-579.
5. Urtsev V.N., Degtyarev V.D., Mukhin V.V. Vliyanie deformacii v dvukhfaznoi oblasti na ki-netiku austenite-ferit prevrashenia v stali 08G2S [Influence of deformation in the two-phase region on the kinetics of the austenite-ferrite transformation in the steel 08Mn2Si]. Stal' - Steel, 2005, no. 5, pp. 75-84. (Rus.)
6. Belikov S.V., Sergeeva K.I., Karabanalov M.S., Popov A.A., Advan A.A. Vliyanie tenperaturi nagreva v mezhkriticheskii interval na formirovanie subzerennoi structure v predvaritelno za-kalennikh nizkolegirovannikh staliakh [Effect of heating temperature in the intercritical interval of the formation of sub grain structure in the prehardened low-alloy steels]. Sovremennie problem nauki i obrazovania - Modern problems of science and education, 2013, no. 2, pp. 34-40. Available at: www.science-education.ru/ru/article/view?id=8873 (accessed 13 September 2017).
7. Koneva N.A. Priroda stadia plasticheskoi deformacyi [Nature stages of plastic deformation]. So-rovskii obrazovatel'nyi zhurnal - Soros Educational Journal, 1998, no. 10, pp. 99-105. (Rus.)
8. Bogatov A.A. Mehanicheskie svoistva i modeli razrushenia metallov [The mechanical properties and fracture of metals model]. Yekaterinburg, SEI HPE Ural STU Publ., 2002. 329 p. (Rus.)
9. Koneva N.A. Klassifikacia, evolucia I samoorganizacia dislokacionnih structur metallah i splavah [Classification, evolution and selforganization of dislocation structures in metals and alloys]. So-rovskii obrazovatel'nyi zhurnal - Soros Educational Journal, 1996, no. 6, pp. 99-107. (Rus.)
Рецензент: В.Г. Сфременко
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ» Стаття надшшла 15.02.2018
