Влияние циклического теплового воздействия на механические свойства стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

Бахрачева Юлия Сагидулловна

канд. техн. наук, доцент Волгоградского филиала МИИТ, г. Волгоград

E-mail: bakhracheva@yandex. ru

INFLUENCE THERMOCYCLIC TREATMENT ON THE MECHANICAL

PROPERTIES OF STEEL

Julia Bakhracheva

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Moscow State Transport

University (MIIT), the Volgograd branch, Volgograd

АННОТАЦИЯ

Рассматривается эволюция структуры стали при термоциклическом воздействии. Показана возможность повышения комплекса механических свойств сталей после термоциклической обработки.

ABSTRACT

Evolution of structure of steel at thermocyclic influence is considered. Possibility of increase of a complex of mechanical properties staly after thermocyclic processing is shown.

Ключевые слова: термоциклическая обработка; фазовый переход;

прочность; пластичность.

Keywords: thermocyclic; phase transition; durability; plasticity.

Одним из перспективных видов упрочнения сталей является термоциклическая обработка (ТЦО) [3]. В отличие от других видов термообработки, структурные и фазовые превращения при термоциклической совершаются многократно при изменяющейся температуре «нагрева-охлаждения». Необходимость многократного повторения обработки при заданных температурах, как правило, обусловлено стремлением накопить изменения в структуре металла, которые коренным образом улучшают качество изделий и придают им свойства, недостижимые при одноразовой термической обработке.

Характер фазового взаимодействия компонентов в системе во многом определяет эффективность воздействия термоциклической обработки на изменения структуры и свойств сплавов. В случае полной не смешиваемости компонентов в твердом состоянии ТЦО не сопровождается изменением количества фаз в системе, а структурные изменения в сплавах этой системы под воздействием термоциклирования могут быть связаны лишь с последствиями микропластической деформации и последующей рекристаллизации. Микропластические деформации вызывают упрочнение металла, а рекристаллизация повышает его пластичность.

В случае наличия растворимости компонентов друг в друге в эвтектической и перетектической системе, характер процессов ТЦО изменяется. Появляется возможность диффузионного деления протяженных частиц, как в эвтектике, так и избыточных фаз, а также их сфероидизация и коагуляция.

При ТЦО сплавов, матрица которых претерпевает фазовые превращения (сплавы на основе железа) возникают значительные межфазные напряжения при повторных диффузионных превращениях, а также градиенты температур между отдельными элементами матрицы, которые приводят к увеличению центров превращения и, в итоге, к измельчению зерна. Сплавы со сформированной таким образом структурой имеют повышенную ударную вязкость, высокую прочность и удовлетворительную пластичность [2].

В железоуглеродистых сплавах имеет место фазовое превращение, которое играет решающую роль в делении сетки карбидов и значительно упрощает ТЦО. Известно, что ТЦО оказывает существенное влияние на структурное состояние карбидов [1]. Из непрерывной сетки пластинчатого строения в результате ТЦО образуются изолированные дисперсные карбиды округленной формы, располагающиеся как по границам аустенитных зерен, так и внутри зерна.

Данная работа проводилась с целью выявления способности к одновременному повышению прочностных и пластических свойств

углеродистых и малолегированных конструкционных сталей с удалением их от состояния равновесия термоциклическим воздействием.

Термоциклирование сталей 40 и 45 проводилось по схеме 850 -о- 450°С с полным фазовым превращением в каждом цикле при нагреве и охлаждении. Эксперименты проводились на лабораторной печи типа БКОЬЬ. Было выполнено два варианта экспериментов. В первом варианте скорость охлаждения между циклами составляла 15°С/мин, а во втором 100°С/мин. Нагрев в обоих вариантах осуществлялся с одинаковой скоростью. После заданного числа циклов закалку проводили в воде. Количество циклов варьировали от двух до четырех. После заданного числа циклов проводился низкий отпуск. Образцы исследовались после каждого цикла.

Охлаждение со скоростью 15°С/мин между циклами не привело ни к каким изменениям свойств этой стали. В каждом цикле происходили процессы, связанные с упрочнением стали в результате фазового наклепа. Система реагировала на это воздействие развитием процессов, направленных на релаксацию тех изменений, которые произошли при фазовом наклепе.

Во втором варианте с увеличением числа циклов происходит повышение твердости и ударной вязкости в каждом последующем цикле.

56

55

X 52 ¡3 51 о 50 ^ 49 й 48 Н 47 46 45

/4

Xі

' 1 2 3

2

2 5

10

Расстояние, мм

Рисунок 1. Распределение твердости по сечению образцов стали 45:1 — традиционная закалка; 2 — два цикла; 3 — три цикла; 4 — четыре цикла

Анализ результатов термоциклического воздействия при втором режиме

стали 45 показал, что получен эффект термоциклирования в виде повышения устойчивости аустенита и постепенному возрастанию твердости и ударной вязкости.

Твердость поверхности повышается с увеличением числа циклов от 52 до 55 ИКС при твердости после традиционной закалки, равной 51 ИКС. Твердость сердцевины увеличилась от 46 до 49 ИКС (рис. 1).

л

Ударная вязкость возросла за 4 цикла от 41 до 53 Дж/см (рис. 2).

Количество циклов

Рисунок 2. Влияние количества циклов на ударную вязкость стали 45

я

<и

а

<и

СО

О

ч

о

8

¡Г1

10 20 30

Размер зерен, мкм

0

Рисунок 3. Распределение зерен аустенита стали 45 по размерам в зависимости от числа циклов: 1 — после традиционной закалки; 2 — после

трех циклов; 3 — после четырех циклов

Величина зерна и распределение зерен по размерам после каждого цикла свидетельствуют об измельчении зерна, уменьшении разнозернистости (рис. 3).

Предел прочности (аВ) возрастает от 1700 до 2100 МПа за шесть циклов, потом уменьшается к восьмому циклу и снова повышается до 2040 МПа с последующим уменьшением в седьмом цикле до 1950 МПа. Ударная вязкость увеличивается одновременно с увеличением аВ до пятого цикла, а затем уменьшается и достигает минимума в шестом цикле, где наблюдается максимальное значение аВ.

Список литературы:

1. Гурьев А.М., Ворошнин Л.Г., Чепрасов Д.П. и др. Способ термоциклической обработки инструментальных сталей //Патент № 2078440, РФ, •л. С. 21 Д 1/78 от 27.04.97.

2. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. — Новосибирск: Наука, 1985. — 229 с.

3. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. — Л.: Машиностроение. Ленинград. Отд-ние. 1989. — 255 с.