CC BY
8
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2017р. Серiя: Техшчш науки Вип. 34
ISSN 2225-6733
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 621.785:669.15-194.2
© Ткаченко 1.Ф.1, Ткаченко Ф.К.2, Ткаченко К.1.3,
Мiрошнiченко В.1.4
ВПЛИВ ОСОБЛИВОСТЕЙ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ПРИ НАГРШАНШ ТА ОХОЛОДЖЕНН1 НА СТРУКТУРИ I СПРОТИВ УДАРНОМУ РУЙНУВАННЮ ЛЕГОВАНИХ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ СТАЛЕЙ
До^джували легован конструщтю стал1: 35ХМЛ у щойно литому та Е36 i 30ХГСА у щойно гаряче деформованому станах. Показано можливiсть досягнення повног перебудови вiдповiдних початкових мтроструктур в сталях 35ХМЛ та Е36, в той час як в сталi 30ХГСА помтю змти мтроструктури в аналогiчних умовах не вiдбуваються. Встановлено значне тдвищення спротиву ударному руйнуванню, не менше тж вдвiчi, сталей Е36 i 35ХМЛ та практична незмттсть цег характеристики сталi 30ХГСА тсля оптимальних умов охолодження за розробленим режимом. Встановлено формування високо однорiдних мтроструктур iз збтьшеним розмiром зерна в сталях Е36 i 35ХМЛ тсля термiчног обробки, що включае до себе iзотермiчну витримку за оптимальних умов тд час нагрiвання для високотемпе-ратурног аустенiтiзацiг.
Ключовi слова: легован конструкцтш сталi, фазовi перетворення при нагрiваннi та охолоджент, щойно литий структурний стан, щойно гаряче деформований стан, розмiр зерна, подрiбнення мтроструктури, спротив ударному руйнуванню.
Ткаченко И.Ф., Ткаченко Ф.К., Ткаченко К.И., Мирошниченко В.И. Влияние особенностей фазовых превращений при нагреве и охлаждении на структуры и сопротивление ударному разрушению легированных конструкционных сталей.
Исследовали легированные конструкционные стали: 35ХМЛ в литом и Е36, 30ХГСА в горячедеформированном состояниях. Показана возможность полной перестройки исходных микроструктур в сталях 35ХМЛ и Е36, в то время как в стали 30ХГСА заметные изменения микроструктуры в аналогичных условиях не происходят. Установлено значительное повышение сопротивления ударному разрушению, не менее чем вдвое, для сталей Е36 i 35ХМЛ и практическая неизменность этой характеристики стали 30ХГСА после охлаждения по разработанному режиму. Показано формирование высоко однородных микроструктур с повышенным размером зерна в сталях Е36 i 35ХМЛ после термической обработки, которая включает в себя изотермическую выдержку при оптимальных условиях во время нагревания для высокотемпературной аустенитизации.
Ключевые слова: легированные конструкционные стали, фазовые превращения при нагреве и охлаждении, литое и горячедеформированное структурные состояния, размер зерна, измельчение микроструктуры, сопротивление ударному разрушению.
I.F. Tkachenko, F.K. Tkachenko, K.I. Tkachenko, V.I. Miroshnichenko. Effects of the phase transformation in alloy structural steels at heating and cooling on their microstructure and impact resistance. The effects of the revealed phase transformation in alloy steels during isothermal soaking either at heating or cooling on theirs microstructures and impact resistance were experimentally investigated. The alloy Steel 35HML in as
1 д-р техн. наук, профессор, ДВНЗ «Приазовський техшчний ушверситет», м. Марiуnоль
2 д-р техн. наук, профессор, м. Марiуполь
3 канд. техн. наук, м. Кшв
4 асистент, ДВНЗ «Приазовський техшчний ушверситет», м. Марiуполь
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
cast state as well as Steel E36 and Steel 30HGSA both in as hot rolled state were used for the research. Grain size refinement as well as elimination of the typical micro- and meso-structural nonuniformities, formed in the just crystallized and just hot deformed steels, was reached as a result of optimal isothermal soaking during the subsequent cooling. practically full restructuring of the initial steel states is shown for Steel E36 and Steel 35HML meanwhile in Steel 30HGSA visible microstructure changes do not take place under the above mentioned heat treatment conditions. Considerable, not less than 2 fold increase in impact resistance of Steel E36 and Steel 35HML is also reached as a result of optimal heat treatment, contrary to Steel 30HGSA where the resistance is practically constant. Formation of highly homogeneous microstructures but having however increased grain size is reached in Steel E36 and Steel 35HML after the proposed heat treatment, which includes isothermal soaking during austenitizing heating. The effects observed in the investigated steels as a result of the proposed heat treatment were explained in terms of the grain and dislocation subgrain boundary influences on chemical element diffusional redistribution between the structure components and new phase nu-cleation process. The specific behavior of Steel 30HGSA was attributed to the silicon influence on the above processes.
Keywords: alloy structural steels, phase tranformations at heating and cooling, as cast structural state, as hot rolled condition, grain size, microstructure refinement, impact resistance.
Постановка проблеми. Головш 3aKOHOMipHOcri фазових перетворень (ФП) при на^ван-ш та охолодженш сталей вважаються такими, що е детально вивченими та добре вщомими з багатьох робгг. Головними джерелами ведомостей про вказаш перетворення е дiaгpaми вщповь дних ФП в iзотеpмiчних умовах або тд час безперервно! змши температур. Проте в низщ робгг [1, 2] показано в загальному вигляд^ що за умов iзотеpмiчноl витримки при певних температурах в легованих сталях як при на^вант, так i тд час охолодження, е можливим утворення ви-сокодисперсних мшроструктур з однорщним просторовим розподшенням структурних складо-вих специфiчноl морфологи, а також хiмiчних елеменив. Проте на тепершнш час вщсутне то-чне визначення особливостей вказаних структурних сташв для литих та гарячедеформованих конструкцшних сталей в умовах окремо охолодження та на^вання, а також вплив цих особли-востей на спротив сталей ударному руйнуванню.
AH^i3 останшх дослщжень i публжацш. Формування в сталях дисперсних та однорщ-них мшроструктур залишаеться важливою невиршеною проблемою металознавства протягом тривалого часу. На тепершнш час запропоновано декшька пiдходiв до li виршення [3-5], як передбачають використання достатньо складних технологш попередньо! обробки сталей, у зв'я-зку з чим вони не отримали промислового застосування. Обнaдiйливi перспективи виршення вказано! проблеми пов'язаш з застосуванням певних умов на^вання та охолодження сталей [1, 2, 6], що забезпечують утворення кpистaлiв нових фаз у вшх потенцшних центрах !хнього зародження. Одшею з важливих переваг такого тдходу, який й було застосовано у поточнш роботу е можливють його широкого застосування за ддачих промислових умов до широкого кола юнуючих сталей.
Мета роботи. Визначити особливосп структурних сташв та спротиву ударному руйну-ванню, що формуються за оптимальних, рашше встановлених, умов на^вання та охолодження в гаряче деформованих та литих легованих конструкцшних сталях.
Виклад основного матерiалу. Дослщження проводили з використанням заго^вок удар-них зразюв зi сталей 35ХМЛ, Е36 та 30ХГСА pозмipaми 15x15x55 мм. Попередня обробка вах заго^вок полягала у вiдпaлi при ТВ = 1100°С, 40 хв. з охолодженням у печг Мшроструктури дослiджених сталей до та тсля вiдпaлу показано на рис. 1. Подальша обробка виконувалась за двома режимами вщповщно до схем, наведених на рис. 2. Температури та тривалосп вказаних iзотеpмiчних витримок е об'ектами «know how» i були встановлеш зпдно з результатами pобiт [1, 2] задля отримання найбшьш сприятливих мшроструктур в дослiджених сталях. Охолодження заго^вок здiйснювaлось повiльнiше, нiж на повггр^ для наближення його умов до промислових показниюв. Свгглини мiкpостpуктуp пiсля теpмiчноl обробки за piзними режимами наведено на рис. 3, 4 та 5.
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2017р. Сер^я: Техшчш науки Вип. 34
ISSN 2225-6733
г д е
Рис. 1 - Мiкроструктури дослщжених зразкiв сталей Е36 (а, б), 35ХМЛ (в, г) та 30ХГСА (д, е) до (а, в, д) та шсля (б, г, е) високотемпературного вщпалу (див. текст); х100
1000оС
4...7хв/м ^->
Час
й
а
&
а с
4а повггр1 (уповшьнено)
А.
1170ОС
4...7хв/м <->
На повггр1 (упов1льнено)
Час
б
а
Рис. 2 - Схеми випробуваних в робо^ режимiв термiчноl обробки для формування сприятливих мжроструктур в дослщжених сталях: а - при охолодженц б - при на-^ванш
Рис. 3 - Мiкроструктури дослщжених сталей пiсля термiчноl обробки за режимом, наведеним на рис. 2, а: а - сталь Е36; б - сталь 35ХМЛ; в - сталь 30ХГСА; *200
Сер^я: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Рис. 4 - Мкроструктури дослщжених сталей пiсля термiчноl обробки за режимом, наведеним на рис. 2, б: а - сталь Е36; б - сталь 35ХМЛ; х200
Як можна бачити з рис. 1, мкроструктури як гаряче деформовано!' (Е36), так i лито!' (35ХМЛ) сталей, до та тсля високотемпературно!' аустенiтiзацГí за вщомим режимом вiдпалу зберiгають сво!' характерт особливостi, до яких належать, перш за все, вкрай неоднорщний просторовий розподш структурних складових (фериту та колонш перлiтоподiбних структур). У
випадку сталi Е36 такий розподiл мае вигляд «смуг», в той час як в сталi 35ХМЛ спостеркаються великi дiлянки, що складаються iз значно!' кiлькостi ферито-вих зерен в оточенн «мережi» перлiтових колонш. Мкроструктура сталi 30ХГСА включае до себе ве-ликi за розмiром (№ 5-6 за ASTM G) колот! перлгго-подiбних структур з безперервною, значною завтов-шки, феритовою мережею.
Рис.3 засвщчуе суттевий вплив iзотермiчноl витримки пiд час охолодження на структурний стан сталей Е36 та 35ХМЛ, але практичну вщсуттсть такого впливу у випадку сталi 30ХГСА. Як можна бачити, у всх випадках структури являють собою фе-рито-перлiтовi сумшь При цьому в сталях Е36 та 35ХМЛ спостеркаються практично щентичш мкро-структури, в яких розмiри феритових зерен та колонiй перлiтоподiбних структур, вiдповiдно, практично спiвпадають i становлять № 9-10 за ASTM G. Характерною особливiстю цих структур е виключно однорiдний просторовий розподш структурних складових, на вщмшу вщ поча-ткових структурних сташв (див рис. 1). Особливо слщ пiдкреслити '!хню iдентичнiсть за практично у^ма ознаками, яка досягаеться тсля проведено!' термiчноl обробки, незважаючи на вкрай суттевi вiдмiнностi цих сталей за хiмiчним складом, методом виготовлення заготшок до-слiджених зразюв (лиття та гаряча прокатка), початковими структурами (чарункова, смугаста) та характером просторових розподшш хiмiчних елементiв внаслщок дендритово'! лкващ! ^зо-тропний мезо-неоднорщний, анiзотропний мiкро-неоднорiдний).
В якостi важливо'! додатково'! особливостi отриманих мiкроструктур слщ вказати також на те, що в iнтер'ерi феритових зерен тдвищеного розмiру спостерiгаються додатковi межi, ям подiляють такi зерна на декшька частин, розмiри яких вiдповiдають розмiрам найдрiбнiших зерен в мiкроструктурi. Вказан внутрiшньо-фазовi межi значно гiрше, у порiвняннi iз звичай-ними внутршньо- та мш-фазовими поверхнями роздiлу кристалiв, виявляються в процесi зви-чайного металографiчного аналiзу, у зв'язку з чим вони не завжди спостеркаються за малих збшьшень в умовах дрiбного феритового зерна. Таким чином, розмiр «металографiчного» зерна, що вимiрюють з застосуванням стандартних методiв оцiнювання за iснуючими шкалами, може перевищувати його фактичнi значення. Отриман данi пiдтверджуються результатами фрактографiчного аналiзу, якi показали, що в умовах руйнування вказаних сталей сколюванням процес мае виключно внутршньо-зерений характер, а середнш розмiр його фасеток е меншим за середнiй розмiр «металографiчного» зерна.
Рис. 5 - Мкроструктура сталi 35ХМЛ пiсля оптимiзованоl термiчноl обробки; х200
Сер1я: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Виходячи з наведених вище даних, можна зробити висновок про практично повну реге-неращю структурних станiв, що утворюються у легованих конструкцшних сталях на час заве-ршення гарячо! пластично! деформаци або кристатзаци в процесi подальшого («регенеруючо-го») охолодження за розробленим режимом, що включае до себе вщповщну «регенеруючу» iзо-термiчну витримку. Вочевидь, повшстю протилежного висновку слщ дiйти на пiдставi порiвня-льного аналiзу свiтлин для сталi 30ХГСА тсля вiдпалу (див. рис. 1, е) та розроблено! термiчно! обробки (див рис. 3, в): характер мшроструктури сталi залишаеться однаковим тсля обох вка-заних режимiв термiчно! обробки. Аналогiчнi результати були отримат також в процесi вщпо-вщних дослiджень сталi 10ХСНД.
Результати ударних випробувань дослщжених сталей пiсля вщпалу та «регенеруючого» охолодження наведено в таблищ. Можна бачити суттеве тдвищення спротив ударному руйну-ванню у порiвняннi з вiдпаленим станом для сталей Е36 та 35ХМЛ, особливо для останньо! -бшьш шж в 3 рази.
Таблиця
Значення роботи ударного руйнування (Дж) зразюв з круглим надрiзом вiд дослщжених сталей
тсля висотемпературного вiдпалу та термiчно! обробки за режимом, наведеним на рис. 2, а
Рiзновид термiчно! обробки Марка сталi
Е36 30ХМЛ 30ХГСА
Вщпал 178 38 56
«Регенеруюче» охолодження 351 130 67
Мшроструктури сталей Е36 та 35ХМЛ у попередньо вщпаленому стан пiсля термiчно! обробки за режимом, вказаним на рис. 2, б, показано на рис. 4. Як можна бачити, тсля тако! обробки досягаеться формування високо однорщних мшроструктур практично рiвноважно! морфологи без жодних ознак попередшх, вкрай неоднорщних структурних станiв (див. рис. 1). Закономiрним, вочевидь, е збшьшений розмiр колонiй перлiтоподiбних структур внаслщок зро-стання аустенiтового зерна в процес завершально! високотемпературно! аустентзаци.
Аналiз отриманих результатiв призводить до висновюв про можливiсть практично повно! регенерацil початкових структур литих та гарячекатаних легованих конструкцшних сталей шляхом усунення структурних та хiмiчних неоднорщностей в процесi iзотермiчноl витримки за оп-тимальних умов при на^ванш, а також про збереження отриманих позитивних змiн структурних сташв в процесi подальшо! високотемпературно! аустентзаци. Враховуючи аналогiчний вплив на структуру дослщжених сталей вказаних вище iзотермiчних витримок при охолодженi та нагрь ваннi, останнiй процес, вочевидь, також можна визначити як «регенеруюче» на^вання.
Додатковi дослiдження показали, що шляхом оптимiзацi! розглянутих варiантiв термiчно! обробки дослщжених сталей е можливим отримання розмiру феритового зерна та колонш пер-лiтоподiбних структур на рiвнi №12 за ASTM G (див. рис. 5).
Отримат в робоп результати стосовно сталей Е36 та 35ХМЛ можна пояснити розвитком загального мехашзму [1, 2] штенсивно! дифузи карбону та легуючих елементiв по межах зерен та дислокацшних субмежах аустешту з подальшим зародженням у вщповщних центрах i зростан-ням кристатв фериту або колонiй перлiтоподiбних структур. В той же час, у випадку стат 30ХГСА, виходячи з вщсутносп характерних мiкроструктур, подiбнi процеси, вочевидь, розвитку не отримують, що можна пов'язати з утворенням сегрегацiй сiлiцiю по межах зерен аустешту.
Висновки
1. Базуючись на результатах рашше виконаного теоретичного аналiзу, дослiджено вплив iзо-термiчних витримок за оптимальних умов пщ час на^вання та охолодження литих та гаря-чедеформованих легованих конструкцiйних сталей на !х структурний стан та спротив ударному руйнуванню.
2. Пщтверджено формування вкрай неоднорiдних мшроструктур в промислових низьколего-ваних сталях Е36, 35ХМЛ та 30ХГСА в сташ постачання, а також тсля загальноприйнятого високотемпературного вiдпалу.
3. Встановлено формування високодисперсних, однорщних, практично щентичних мшростру-ктур в сталях Е36 та 35ХМЛ, вщповщно, у гарячекатаному та литому станах, тсля оптима-
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
льних умов охолодження за розробленим режимом.
4. Показано вщсутнють помггних змш мiкроструктури стат 30ХГСА пiсля bcíx дослiджених варианта термiчноl обробки.
5. Встановлено значне тдвищення спротиву ударному руйнуванню, не менше нiж вдвiчi, сталей Е36 i 35ХМЛ та практична незмшнють ще! характеристики сталi 30ХГСА тсля опти-мальних умов охолодження за розробленим режимом.
6. Встановлено формування високо однорщних мiкроструктур iз збшьшеним розмiром зерна в сталях Е36 i 35ХМЛ тсля термiчноl обробки, що включае до себе iзотермiчну витримку за оптимальних умов тд час нагрiвання для високотемпературно! аустентзацп.
Перелiк використаних джерел:
1. Some features of the heterogeneous diffusive nucleation and their use to form new type microstructures and eliminate chemical nonuniformities in bulk industrial product made of alloy structural steels : scientific work / I.F.Tkachenko, K.I. Tkachenko, V.I. Miroshnichenko. - Свщоцтво № 68323 вщ 25.10.2016.
2. Вплив рiвноважноl дислокацшно! субструктури на морфолопю структурних складових при гетерогенних фазових перетвореннях у полшристатчних металевих сплавах / 1.Ф.Ткаченко [та ш.] // Вiсник Приазовського державного техшчного унiверситету : Зб. наук. праць / ДВНЗ «ПДТУ». - Mарiуполь. - 2016. - Вип. 33. - С. 50-57.
3. Howe A.A. Ultrafine grained steels: industrial prospects / A.A. Howe // Material Science and Technology Series. - 2000. -№ 16. - P. 1264-1266.
4. Furuhara T. Grain boundary engineering for superplasticity in steels / T. Furuhara, T. Maki // Journal of Material Science. - 2005. - № 40. - P. 919-926.
5. Superplasticity of ultrafine grained low-alloy steels / S. Fernandez [et al.] // Memoria de Trabajos de Difusion Cientifica y Tecnica. - 2012. - № 10. - P. 45-56.
6. Ткаченко И.Ф. Об особенностях образования аустенита при нагреве легированных сталей / И.Ф. Ткаченко, К.И. Ткаченко // Вюник Приазовського державного техшчного ушверсите-ту : Зб. наук. праць / ПДТУ. - Mарiуполь. - 2002. - Вип. 12. - С. 25-27.
References:
1. Tkachenko I.F., Тkachenko K.I., Miroshnichenko V.I. Scientific work «Some features of the heterogeneous diffusive nucleation and their use to form new type microstructures and eliminate chemical nonuniformities in bulk industrial product made of alloy structural steels». Certificate about registration no. 68903, 2016. (Eng.)
2. Tkachenko I.F., Tkachenko F.K., Tkachenko K.I., Miroshnichenko V.I. Vpliv rivnovazhno! dislo-katsiino! substrukturi na morfologiiu strukturnikh skladovikh pri geterogennikh fazovikh peret-vorenniakh u polikristalichnikh metalevikh splavakh [Influence of the equilibrium dislocation substructure on the structure component morphology during the heterogeneous phase transformations in polycrystalline metallic alloys]. Visnik Priazovs kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu -Reporter of Priazovskiy State Technical University, 2016, no. 33, pp. 50-57. (Ukr.)
3. Howe A.A. Ultrafine grained steels: industrial prospects. Material Science and Technology Series, 2000, no. 16, pp. 1264-1266. (Eng.)
4. Furuhara T., Maki T. Grain boundary engineering for superplasticity in steels. Journal of Material Science, 2005, no. 40, pp. 919-926. (Eng.)
5. Fernandez S., Quintana M., García J., Verdeja L., González R., Verdeja J. Superplasticity of ultrafine grained low-alloy steels. Memoria de Trabajos de Difusion Cientifica y Tecnica, 2012, no. 10, pp. 45-56. (Eng.)
6. Tkachenko I.F., Тkachenko K.I. Ob osobennostiakh obrazovaniia austenita pri nagreve legiro-vannykh stalei [Some features of the austenite formation at alloy steel heating]. Visnik Priazovs 'kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu - Reporter of Priazovskiy State Technical University, 2002, no. 12, pp. 25-27. (Rus.)
Рецензент: Л.С. Малшов
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 11.04.2017
