Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук:
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и
сплавов. – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. —
Екатеринбург, 2009. — 49 с.: ил.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Попов Артемий Александрович
Актуальность работы. Задачу создания новых материалов, в том числе и сталей, с высокой конструктивной прочностью, сочетающейся с необходимой совокупностью технологических свойств, при изготовлении из них изделий (деформируемостью без нарушения сплошности, свариваемостью и др.), можно решить только при фундаментальном изучении влияния различных факторов на структуру, фазовый состав и свойства материалов. Использование таких материалов обеспечивает снижение металлоемкости машин и конструкций, улучшение эффективности и надежности их работы.
Характерно, что возможности повышения уровня эксплуатационных характеристик сталей путем применения традиционных композиций и видов термообработки близки к исчерпанию.
Работами последних десятилетий показано, что создание сталей с гетерофазной феррито-мартенситной структурой является перспективным направлением повышения конструктивной прочности, улучшения технологичности и обрабатываемости изделий различного назначения. Для разработки таких сталей с заданным уровнем свойств необходимы отыскание их композиций, режимов термической и пластической обработок, приводящих к формированию гетерофазной структуры с оптимальной морфологией и соотношением компонентов, создание моделей, описывающих пластическую деформацию и упрочнение многофазных материалов.
Данная диссертационная работа является обобщением научных и практических результатов исследований, выполненных автором в период с 1985 по 2009 год по проблемам формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, их деформационного упрочнения и пластичности, а также связи между структурой и комплексом механических характеристик.
Цели и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обобщение закономерностей формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, деформационного упрочнения и пластичности материалов с различающимися свойствами структурных составляющих и совершенствования на этой основе композиций и режимов термической обработки малоуглеродистых низколегированных сталей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
изучение закономерностей формирования структуры и фазовых превращений при ускоренном охлаждении малоуглеродистых низколегированных сталей из межкритического интервала температур (МКИ) и ступенчатой закалки;
установление особенностей деформационного упрочнения двухфазных феррито-мартенситных сталей (ДФМС) и их пластичности при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным операциям холодной объемной и листовой штамповки;
создание модели пластического течения и упрочнения ДФМС, учитывающей неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными составляющими в процессе нагружения;
исследование процессов, протекающих при закалочном и деформационном старении ДФМС, и их влияния на сопротивление данных материалов хрупкому, вязкому и усталостному разрушению;
формирование основных положений по созданию низколегированных гетерофазных сталей, содержащих в оптимальном соотношении феррит и мартенсит (бейнит), а также главных качеств ДФМС, делающих их перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
Научная новизна работы определяется следующей совокупностью результатов исследований.
Дано научное обоснование составов низколегированных сталей и режимов термической обработки, приводящим к образованию гетерофазной структуры с требуемым комплексом механических свойств, по которым они являются перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
Впервые для большой группы доэвтектоидных низколегированных сталей построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита и микроструктурные карты, показывающие влияние температуры нагрева в межкритический интервал (МКИ) и скорости последующего охлаждения на тип и количество отдельных структурных составляющих.
Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите, а также концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах в зависимости от температуры и длительности отпуска.
Предложена и экспериментально проверена модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.
Изучена и сопоставлена пластичность сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при схемах напряженного состояния, соответствующих реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.
На основе комплексного исследования деформационного старения ДФМС, его влияния на прочностные и пластические характеристики, способности сопротивляться хрупкому, вязкому и усталостному разрушению установлено, что наибольшая склонность к старению проявляется после деформации растяжением на 4-6%, а при дальнейшем увеличении степени деформации интенсивность его затухает.
Разработана методика тестирования механических свойств микрообъёмов, позволяющая с помощью специального программного комплекса проводить построение диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих и оценивать их вклад в пластическое течение гетерофазных сплавов.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются:
использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа), фазового и химического составов (растровой электронной микроскопии со спектрометром энергетической дисперсии), поведения примесных атомов внедрения и замещения (внутреннего трения, ядерной гамма-резонансная спектроскопии), прочностных, вязко-пластических характеристик, предела выносливости, а также пластичности сталей при растяжении и кручении с наложением гидростатического давления;
согласованностью экспериментальных результатов, полученных по различным методикам, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных и их воспроизводимостью.
Практическая значимость работы. Совокупность экспериментальных и теоретических положений, касающихся изменений структуры и механических свойств при деформации и термомеханической обработке, пластического течения и разрушения гетерофазных сплавов, состоящих из нескольких структурных составляющих с различными свойствами нашла своё отражение в учебнике “Физическое металловедение”, допущенной Министерством образования Российской Федерации, в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 651300 “Металлургия”.
Результаты комплексных исследований представлены к реализации на ряде предприятий. На производственном объединении “Турбомоторный завод” (использование ускоренного охлаждения из МКИ в качестве исходной обработки стали 10кп для холодной высадки крепежных деталей).
В условиях Ревдинского метизно-металлургического завода показано, что применение ускоренного охлаждения проволоки из МКИ приводит к повышению производительности отжигового отделения сталепроволочного цеха на 20%.
Внедрение результатов данной работы на Уральском электромеханическом заводе позволило повысить технологическую пластичность заготовок для листовой штамповки, а также прочность и жесткость готовых конструкционных элементов. В результате получен специальный эффект.
Основные выводы
Построение термокинетических диаграмм (ТКД) распада аустенита в сталях 10кп, 09Г2, 10С1, 05Г2С2, 10Г2Р, 05Г2Р, нагретых в межкритический интервал температур (МКИ), анализ устойчивости переохлажденного аустенита и температуры начала мартенситного превращения (Мн) показал, что вне зависимости от содержания углерода в стали, количество углерода в аустените после небольшого перегрева над Ас1 (DТ @ 40оС) достигает 0,41-0,46%, в результате чего устойчивость переохлажденного аустенита и Мн соответствуют уровню, характерному для сталей с таким общим содержанием углерода. Легирование сталей Mn (~1,6%), Si (1,18-1,84%) и B (0,003%) усиливает данный эффект, что способствует при ускоренном охлаждении из МКИ образованию низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита) и отсутствию перлита.
Подбором композиции сталей, температуры нагрева в МКИ и скорости последующего охлаждения удается регулировать не только структуру и фазовый состав сталей, но и содержание углерода и легирующих элементов в отдельных фазах, что расширяет спектр механических свойств сталей.
Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите. Установлено, что новый феррит при отпуске вплоть до 400оС имеет меньшую на 400 МПа твердость, чем исходный феррит, и содержание легирующих элементов, характерное для аустенита, сформировавшегося в МКИ.
Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств (σВ = 650-700 МПа, σ0,2 ≈ 350 МПа, δ ≈ 30 %, δр ≈ 15 %) исследованных ДФМС достигается при наличие 15-25% мартенсита, 20-35 % нового феррита и, соответственно, 40-65% исходного феррита при нагреве на оптимальную, для стали определенной композиции, температуру и ускоренном охлаждении.
Рациональным легированием марганцем, бором, кремнием даже при снижении до 0,05 % содержания углерода удается повысить на 30-40 % прочностные свойства. При этом уровень ударной вязкости и температура вязко-хрупкого перехода весьма низкие, что требует последующего низкотемпературного отпуска.
Разработан новый режим термообработки для формирования двухфазной феррито-мартенситной структуры, включающий низкотемператур-ную аустенитизацию (на ~ 10оС выше Ас3 ) и ступенчатую закалку в воду с оптимальной выдержкой при температуре Аr1 – (30-40оС). На примере сталей 20 и 09Г2 промышленных плавок показано, что структура и уровень механических свойств после термообработки по новому режиму близки к тем, которые формируются в этих сталях после ускоренного охлаждения из МКИ.
На основе микроструктурных исследований и данных внутреннего трения выявлены факторы и дано объяснение экстремальному изменению предела текучести ДФМС сталей от температуры отпуска. Низкотемпературный отпуск позволяет увеличить σ0,2 на 100-140 МПа, σ0,2/ σВ до 0,65-0,75, и, главное, повысить на 20-25 % уровень ударной вязкости при снижении Т50 на 40-50оС по сравнению с исходным состоянием после охлаждения из МКИ.
Предварительная пластическая деформация повышает склонность ДФМС к старению, но её влияние не монотонно. Максимальная склонность к старению создается при деформации растяжением на 4-6%, увеличение степени деформации до 10%, сопровождающееся образованием ячеистой дислокационной структуры, приводит к замедлению процесса старения.
Разработана модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая экспериментально установленное неравенство деформации феррита и мартенсита и её перераспределение между этими структурными составляющими в процессе нагружения. Получены количественные соотношения, позволяющие рассчитать напряжение течения в любой момент деформирования и величину истинной равномерной деформации в зависимости от таких структурных факторов, как объемная доля мартенсита, содержание углерода в стали, размер ферритного зерна. Справедливость предложенной модели проверена на ряде малоуглеродистых сталей, легированных марганцем, а также совместно марганцем и кремнием.
Экспериментально установлено, что при схемах напряженного состояния, соответствующих высадке, волочению, прессованию и прокатке, пластичность стали заданного состава с феррито-мартенситной структурой в 1,3-1,8 раза выше, чем в случае феррито-перлитной структуры.
Двухфазные феррито-мартенситные стали во всем изученном интервале изменения показателя напряженного состояния S/T (от -1,4 до -1) значительно превосходят стали того же химического состава с феррито-перлитной структурой по величине удельной работы при деформации до разрушения, интегрально учитывающей прочностные и пластические характеристики материала.
Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что низкоуглеродистые стали с феррито-мартенситной структурой, получаемые термообработкой по вновь разработанной схеме ступенчатой закалки, имеют высокий комплекс механических свойств: стали 20 (σВ = 669 МПа, σ0,2 = 400 МПа, δобщ = 22 %, δР = 14 %) и стали 09Г2С (σВ = 760 МПа, σ0,2 = 460 МПа, δобщ = 21%, δР = 12 %). Это позволяет рекомендовать ступенчатую закалку как окончательную термообработку при производстве горячедеформированной продукции из низкоуглеродистых сталей.
На основе предложенной методики оценки свойств микрообъемов с помощью вдавливания индентера построены диаграммы « напряжение σ – степень деформации сдвига Λ» стали 10 и присутствующих в ней феррита и перлита. Это позволило описать поведение в ходе пластической деформации каждой структурной составляющей и оценить её вклад в пластическое течение металла: до Λ ≈0,3 перлит слабо участвует в пластической деформации металла, полное выравнивание степеней деформации феррита и перлита обнаружено при Λ >1,4.
Основные положения, сформулированные в работе по созданию низкоуглеродистых феррито-мартенситных (бейнитных) сталей, как перспективного материала для изделий, изготавливаемых холодным деформированием или горячей деформацией, представлены к реализации на ряде предприятий машиностроителтного и металлургического комплексов, а также широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов по ряду специальностей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 печатные работы.
Основные публикации:
Монография
Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. и испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, 534 с.
Статьи по теме диссертации
Прочность и пластичность двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин., М.И. Гольдштейн, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // ФММ. Т. 56, вып. 1.1983.С.179-185.
Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.
Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.
Применение малоуглеродистых низколегированных феррито-мартенситных сталей для деталей крепежа в автотракторостроении / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении: тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции. Челябинск, 1984. С. 233-234.
Деформационное старение двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Термическая обработка, структура и свойства металлов: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск. 1985. С. 50-55.
Емельянов А.А., Швейкин В.П., Пышминцев И.Ю. Структура и конструктивная прочность феррито-мартенситной низколегированной стали / Молодые ученые и специалисты – техническому прогрессу в металлургии: Материалы н/т конференции. Донецк, 1985. С. 77-79.
Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Влияние скорости охлаждения из межкристаллического интервала температур на деформационное упрочнение и старение стали 05Г2С2 // МиТОМ. 1986. №11. С. 31-34.
Низколегированные феррито-мартенситные стали – резерв повышения качества металлопроката / Б.М. Бронфин, М.И. Гольдштейн, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин // Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Днепропетровск. 1985. С. 44. Для служебного пользования.
Устойчивость эпитаксиального феррита при отпуске малоуглеродистой низколегированной стали / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, М.И. Гольдштейн, В.П. Швейкин // ФММ. 1986. Т.62, вып. 2. С. 358-361.
Перераспределение атомов при деформационном старении двухфазной феррито-мартенситной стали / Б.М. Бронфин, В.В. Овчинников, В.П. Швейкин, Г.Г. Амигуд, А.А. Емельянов // ФММ. 1986. Т.61, вып. 2. С. 354-360.
...
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Попов Артемий Александрович
Актуальность работы. Задачу создания новых материалов, в том числе и сталей, с высокой конструктивной прочностью, сочетающейся с необходимой совокупностью технологических свойств, при изготовлении из них изделий (деформируемостью без нарушения сплошности, свариваемостью и др.), можно решить только при фундаментальном изучении влияния различных факторов на структуру, фазовый состав и свойства материалов. Использование таких материалов обеспечивает снижение металлоемкости машин и конструкций, улучшение эффективности и надежности их работы.
Характерно, что возможности повышения уровня эксплуатационных характеристик сталей путем применения традиционных композиций и видов термообработки близки к исчерпанию.
Работами последних десятилетий показано, что создание сталей с гетерофазной феррито-мартенситной структурой является перспективным направлением повышения конструктивной прочности, улучшения технологичности и обрабатываемости изделий различного назначения. Для разработки таких сталей с заданным уровнем свойств необходимы отыскание их композиций, режимов термической и пластической обработок, приводящих к формированию гетерофазной структуры с оптимальной морфологией и соотношением компонентов, создание моделей, описывающих пластическую деформацию и упрочнение многофазных материалов.
Данная диссертационная работа является обобщением научных и практических результатов исследований, выполненных автором в период с 1985 по 2009 год по проблемам формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, их деформационного упрочнения и пластичности, а также связи между структурой и комплексом механических характеристик.
Цели и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обобщение закономерностей формирования гетерофазной структуры в углеродистых низколегированных сталях, деформационного упрочнения и пластичности материалов с различающимися свойствами структурных составляющих и совершенствования на этой основе композиций и режимов термической обработки малоуглеродистых низколегированных сталей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
изучение закономерностей формирования структуры и фазовых превращений при ускоренном охлаждении малоуглеродистых низколегированных сталей из межкритического интервала температур (МКИ) и ступенчатой закалки;
установление особенностей деформационного упрочнения двухфазных феррито-мартенситных сталей (ДФМС) и их пластичности при различных схемах напряженного состояния, отвечающим, в том числе реальным операциям холодной объемной и листовой штамповки;
создание модели пластического течения и упрочнения ДФМС, учитывающей неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными составляющими в процессе нагружения;
исследование процессов, протекающих при закалочном и деформационном старении ДФМС, и их влияния на сопротивление данных материалов хрупкому, вязкому и усталостному разрушению;
формирование основных положений по созданию низколегированных гетерофазных сталей, содержащих в оптимальном соотношении феррит и мартенсит (бейнит), а также главных качеств ДФМС, делающих их перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
Научная новизна работы определяется следующей совокупностью результатов исследований.
Дано научное обоснование составов низколегированных сталей и режимов термической обработки, приводящим к образованию гетерофазной структуры с требуемым комплексом механических свойств, по которым они являются перспективным материалом для изделий, изготавливаемых холодным формоизменением или горячей деформацией.
Впервые для большой группы доэвтектоидных низколегированных сталей построены термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита и микроструктурные карты, показывающие влияние температуры нагрева в межкритический интервал (МКИ) и скорости последующего охлаждения на тип и количество отдельных структурных составляющих.
Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите, а также концентрационные и структурные изменения в исходном и эпитаксиальном ферритах в зависимости от температуры и длительности отпуска.
Предложена и экспериментально проверена модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая неравенство и перераспределение деформации между разнопрочностными структурными составляющими в процессе пластического течения.
Изучена и сопоставлена пластичность сталей с феррито-перлитной и феррито-мартенситной структурой при схемах напряженного состояния, соответствующих реальным способам изготовления деталей методами холодного формоизменения.
На основе комплексного исследования деформационного старения ДФМС, его влияния на прочностные и пластические характеристики, способности сопротивляться хрупкому, вязкому и усталостному разрушению установлено, что наибольшая склонность к старению проявляется после деформации растяжением на 4-6%, а при дальнейшем увеличении степени деформации интенсивность его затухает.
Разработана методика тестирования механических свойств микрообъёмов, позволяющая с помощью специального программного комплекса проводить построение диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих и оценивать их вклад в пластическое течение гетерофазных сплавов.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются:
использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа), фазового и химического составов (растровой электронной микроскопии со спектрометром энергетической дисперсии), поведения примесных атомов внедрения и замещения (внутреннего трения, ядерной гамма-резонансная спектроскопии), прочностных, вязко-пластических характеристик, предела выносливости, а также пластичности сталей при растяжении и кручении с наложением гидростатического давления;
согласованностью экспериментальных результатов, полученных по различным методикам, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных и их воспроизводимостью.
Практическая значимость работы. Совокупность экспериментальных и теоретических положений, касающихся изменений структуры и механических свойств при деформации и термомеханической обработке, пластического течения и разрушения гетерофазных сплавов, состоящих из нескольких структурных составляющих с различными свойствами нашла своё отражение в учебнике “Физическое металловедение”, допущенной Министерством образования Российской Федерации, в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 651300 “Металлургия”.
Результаты комплексных исследований представлены к реализации на ряде предприятий. На производственном объединении “Турбомоторный завод” (использование ускоренного охлаждения из МКИ в качестве исходной обработки стали 10кп для холодной высадки крепежных деталей).
В условиях Ревдинского метизно-металлургического завода показано, что применение ускоренного охлаждения проволоки из МКИ приводит к повышению производительности отжигового отделения сталепроволочного цеха на 20%.
Внедрение результатов данной работы на Уральском электромеханическом заводе позволило повысить технологическую пластичность заготовок для листовой штамповки, а также прочность и жесткость готовых конструкционных элементов. В результате получен специальный эффект.
Основные выводы
Построение термокинетических диаграмм (ТКД) распада аустенита в сталях 10кп, 09Г2, 10С1, 05Г2С2, 10Г2Р, 05Г2Р, нагретых в межкритический интервал температур (МКИ), анализ устойчивости переохлажденного аустенита и температуры начала мартенситного превращения (Мн) показал, что вне зависимости от содержания углерода в стали, количество углерода в аустените после небольшого перегрева над Ас1 (DТ @ 40оС) достигает 0,41-0,46%, в результате чего устойчивость переохлажденного аустенита и Мн соответствуют уровню, характерному для сталей с таким общим содержанием углерода. Легирование сталей Mn (~1,6%), Si (1,18-1,84%) и B (0,003%) усиливает данный эффект, что способствует при ускоренном охлаждении из МКИ образованию низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита) и отсутствию перлита.
Подбором композиции сталей, температуры нагрева в МКИ и скорости последующего охлаждения удается регулировать не только структуру и фазовый состав сталей, но и содержание углерода и легирующих элементов в отдельных фазах, что расширяет спектр механических свойств сталей.
Выявлены особенности морфологии структурных составляющих, формирующихся после нагрева малоуглеродистых сталей в МКИ и охлаждения с различными скоростями: мартенсита (бейнита), исходного феррита, существовавшего до нагрева, нового феррита, зарождающегося при распаде аустенита эпитаксиально на исходном феррите. Установлено, что новый феррит при отпуске вплоть до 400оС имеет меньшую на 400 МПа твердость, чем исходный феррит, и содержание легирующих элементов, характерное для аустенита, сформировавшегося в МКИ.
Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств (σВ = 650-700 МПа, σ0,2 ≈ 350 МПа, δ ≈ 30 %, δр ≈ 15 %) исследованных ДФМС достигается при наличие 15-25% мартенсита, 20-35 % нового феррита и, соответственно, 40-65% исходного феррита при нагреве на оптимальную, для стали определенной композиции, температуру и ускоренном охлаждении.
Рациональным легированием марганцем, бором, кремнием даже при снижении до 0,05 % содержания углерода удается повысить на 30-40 % прочностные свойства. При этом уровень ударной вязкости и температура вязко-хрупкого перехода весьма низкие, что требует последующего низкотемпературного отпуска.
Разработан новый режим термообработки для формирования двухфазной феррито-мартенситной структуры, включающий низкотемператур-ную аустенитизацию (на ~ 10оС выше Ас3 ) и ступенчатую закалку в воду с оптимальной выдержкой при температуре Аr1 – (30-40оС). На примере сталей 20 и 09Г2 промышленных плавок показано, что структура и уровень механических свойств после термообработки по новому режиму близки к тем, которые формируются в этих сталях после ускоренного охлаждения из МКИ.
На основе микроструктурных исследований и данных внутреннего трения выявлены факторы и дано объяснение экстремальному изменению предела текучести ДФМС сталей от температуры отпуска. Низкотемпературный отпуск позволяет увеличить σ0,2 на 100-140 МПа, σ0,2/ σВ до 0,65-0,75, и, главное, повысить на 20-25 % уровень ударной вязкости при снижении Т50 на 40-50оС по сравнению с исходным состоянием после охлаждения из МКИ.
Предварительная пластическая деформация повышает склонность ДФМС к старению, но её влияние не монотонно. Максимальная склонность к старению создается при деформации растяжением на 4-6%, увеличение степени деформации до 10%, сопровождающееся образованием ячеистой дислокационной структуры, приводит к замедлению процесса старения.
Разработана модель деформационного упрочнения ДФМС, учитывающая экспериментально установленное неравенство деформации феррита и мартенсита и её перераспределение между этими структурными составляющими в процессе нагружения. Получены количественные соотношения, позволяющие рассчитать напряжение течения в любой момент деформирования и величину истинной равномерной деформации в зависимости от таких структурных факторов, как объемная доля мартенсита, содержание углерода в стали, размер ферритного зерна. Справедливость предложенной модели проверена на ряде малоуглеродистых сталей, легированных марганцем, а также совместно марганцем и кремнием.
Экспериментально установлено, что при схемах напряженного состояния, соответствующих высадке, волочению, прессованию и прокатке, пластичность стали заданного состава с феррито-мартенситной структурой в 1,3-1,8 раза выше, чем в случае феррито-перлитной структуры.
Двухфазные феррито-мартенситные стали во всем изученном интервале изменения показателя напряженного состояния S/T (от -1,4 до -1) значительно превосходят стали того же химического состава с феррито-перлитной структурой по величине удельной работы при деформации до разрушения, интегрально учитывающей прочностные и пластические характеристики материала.
Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что низкоуглеродистые стали с феррито-мартенситной структурой, получаемые термообработкой по вновь разработанной схеме ступенчатой закалки, имеют высокий комплекс механических свойств: стали 20 (σВ = 669 МПа, σ0,2 = 400 МПа, δобщ = 22 %, δР = 14 %) и стали 09Г2С (σВ = 760 МПа, σ0,2 = 460 МПа, δобщ = 21%, δР = 12 %). Это позволяет рекомендовать ступенчатую закалку как окончательную термообработку при производстве горячедеформированной продукции из низкоуглеродистых сталей.
На основе предложенной методики оценки свойств микрообъемов с помощью вдавливания индентера построены диаграммы « напряжение σ – степень деформации сдвига Λ» стали 10 и присутствующих в ней феррита и перлита. Это позволило описать поведение в ходе пластической деформации каждой структурной составляющей и оценить её вклад в пластическое течение металла: до Λ ≈0,3 перлит слабо участвует в пластической деформации металла, полное выравнивание степеней деформации феррита и перлита обнаружено при Λ >1,4.
Основные положения, сформулированные в работе по созданию низкоуглеродистых феррито-мартенситных (бейнитных) сталей, как перспективного материала для изделий, изготавливаемых холодным деформированием или горячей деформацией, представлены к реализации на ряде предприятий машиностроителтного и металлургического комплексов, а также широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов по ряду специальностей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 печатные работы.
Основные публикации:
Монография
Грачёв С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А., Швейкин В.П. Физическое металловедение. Учебник для вузов. Екатеринбург. Изд. 2, доп. и испр. Изд-во УГТУ-УПИ, 2001, 534 с.
Статьи по теме диссертации
Прочность и пластичность двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин., М.И. Гольдштейн, А.З. Шифман, В.П. Швейкин // ФММ. Т. 56, вып. 1.1983.С.179-185.
Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Двухфазные феррито-мартенситные стали, упрочненные карбидами ванадия / Химия, технология и применение ванадиевых соединений: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания. Нижний Тагил, 1982. С. 106.
Бронфин Б.М., Емельянов А.А., Швейкин В.П. Субструктурное упрочнение двухфазных феррито-мартенситных сталей // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования. Киев: Наукова Думка. 1985. С. 133-135.
Применение малоуглеродистых низколегированных феррито-мартенситных сталей для деталей крепежа в автотракторостроении / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении: тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции. Челябинск, 1984. С. 233-234.
Деформационное старение двухфазных феррито-мартенситных сталей / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин, А.З. Шифман // Термическая обработка, структура и свойства металлов: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск. 1985. С. 50-55.
Емельянов А.А., Швейкин В.П., Пышминцев И.Ю. Структура и конструктивная прочность феррито-мартенситной низколегированной стали / Молодые ученые и специалисты – техническому прогрессу в металлургии: Материалы н/т конференции. Донецк, 1985. С. 77-79.
Бронфин Б.М., Гольдштейн М.И., Швейкин В.П. Влияние скорости охлаждения из межкристаллического интервала температур на деформационное упрочнение и старение стали 05Г2С2 // МиТОМ. 1986. №11. С. 31-34.
Низколегированные феррито-мартенситные стали – резерв повышения качества металлопроката / Б.М. Бронфин, М.И. Гольдштейн, А.А. Емельянов, В.П. Швейкин // Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Днепропетровск. 1985. С. 44. Для служебного пользования.
Устойчивость эпитаксиального феррита при отпуске малоуглеродистой низколегированной стали / Б.М. Бронфин, А.А. Емельянов, М.И. Гольдштейн, В.П. Швейкин // ФММ. 1986. Т.62, вып. 2. С. 358-361.
Перераспределение атомов при деформационном старении двухфазной феррито-мартенситной стали / Б.М. Бронфин, В.В. Овчинников, В.П. Швейкин, Г.Г. Амигуд, А.А. Емельянов // ФММ. 1986. Т.61, вып. 2. С. 354-360.
...