Формирование реечного мартенсита и механических свойств низкоуглеродистых сталей, легированных сильными карбидообразующими элементами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Березин Семен Константинович

• Березин Семен Константинович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Березин Семен Константинович

Введение

Глава 1. Современное состояние в области низкоуглеродистых

мартенситных сталей

1.1. Стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита

1.2. Формирование структуры и свойств низкоуглеродистых сталей

1.3. Постановка задачи исследования

Глава 2. Методики экспериментов и исследований

2.1. Методики приготовления опытных образцов

2.2. Оптическая микроскопия

2.3. Электронно-микроскопические исследования

2.4. Дилатометрические исследования

2.5. Магнитометрические исследования

2.6. Методика дифференциальной сканирующей калориметрии

2.7. Методика рентгеноструктурного анализа

2.8. Методика испытаний одноосным растяжением

2.9. Методика определения ударной вязкости

2.10. Методика определения твердости

2.11. Методика определения статической трещиностойкости

2.12. Методика определения микротвердости

2.13. Методика просвечивающей электронной микроскопии

2.14. Методика построения и математического описания результатов

испытаний на растяжение

Глава 3. Структурно фазовые превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях при нагреве

3.1. Формирование структуры в процессе аустенизации

3.2. Образование аустенита при нагреве в межкритическом интервале

температур

Выводы по главе

Глава 4. Формирование структуры при охлаждении низкоуглеродистых

мартенситных сталей

4.1. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей после закалки из межфазной области

4.2. Роль распределения зерен по размерам при образовании

низкоуглеродистого мартенсита

Выводы по главе

Глава 5. Прочность и трещиностойкость низкоуглеродистых

мартенситных сталей

5.1. Роль включений и структуры мартенсита

5.2. Описание кривых «напряжение - деформация»

Выводы по главе

Глава 6. Лабораторные и эксплуатационные испытания низкоуглеродистых мартенситных сталей, склонных к структурной наследственности, после закалки из межкритического интервала температур

6.1. Проведение эксплуатационных испытаний на предприятии

ООО «Алант»

6.2. Исследование свариваемости и прочности сварных соединений стали 15Х2Г2НМФБ, закаленной из межкритического интервала, на предприятии

ООО «Ломоносовские заводы»

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование реечного мартенсита и механических свойств низкоуглеродистых сталей, легированных сильными карбидообразующими элементами»

Введение

В современном машиностроении стоят задачи повышения конструкционной прочности, технологичности и экологической безопасности. В зависимости от потребностей производства применяют стали с перлитной, ферритной мартенситной, аустенитной или многофазной структурой. Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) содержат от 0,04 до 0,27 % C, имеют реечную структуру, которая является основной не только для низкоуглеродистых, но и для закаленных среднеуглеродистых сталей, содержащих 0,3-0,5 % С. Преимущество НМС перед среднеуглеродистыми отпущенными сталями состоит в том, что они обеспечивают примерно вдвое более высокую вязкость при сопоставимой прочности, экологически безопасную термообработку и хорошую свариваемость.

Актуальность работы обусловлена созданием моделей формирования структуры и схемы экологически безопасной термической обработки высокопрочных свариваемых сталей 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ со структурой низкоуглеродистого мартенсита.

Мартенситное превращение в низкоуглеродистых сталях и структурную наследственность исследовали: Курдюмов Г. В., Энтин Р. И., Клейнер Л. М., Штремель М. А., Филиппов Г. А., Садовский В. Д., Липчин Н. Н., Дьяченко С. С., Зельдович В. И., Нишияма Ц., Краус Г. (Krauss G.), Зинер К. (Zener C.), Финк (Fink W.), Мардер А. Р. (Marder A. R.), Зенкер Р. (Zenker R.) и др.

Широкое внедрение низкоуглеродистых мартенситных сталей невозможно без создания моделей формирования структуры и поведения материала при нагружении. Работа направлена на изучение и прогнозирование свойств НМС с содержанием углерода от 0,15 до 0,27 %. Применение новых низкоуглеродистых мартенситных сталей позволит улучшить характеристики конструкционной прочности без существенных затрат и перестройки производства.

Тематика диссертации соответствует приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О стратегии научно -технологического развития Российской Федерации»,

направление «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта»; Перечню критических технологий РФ.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Федеральная целевая программа «Научные и научно -педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Шифр заявки № 2012-1.2.1-12-000-2011-001. Соглашение на предоставление гранта от 13 сентября 2012 г. № 14.B37.21.1068, что подтверждает актуальность темы исследования.

Степень разработанности темы представляемой работы. Впервые получение структуры низкоуглеродистого мартенсита было предложено проф. Р. И. Энтиным на конференции в США в 1960 г. Дальнейшее развитие направление получило в работах проф. Л. М. Клейнера с сотрудниками. Низкоуглеродистые мартенситные стали обладают рядом преимуществ по сочетанию технологических и механических характеристик по сравнению с другими конструкционными свариваемыми сталями. Высокие механические свойства данных сталей могут быть получены после закалки с деформационного нагрева на воздухе. Созданию и исследованию НМС посвящен ряд работ, выполненных сотрудниками ОАО «Пермский научно -исследовательский технологический институт» и кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» Пермского национального исследовательского политехнического университета. Однако степень разработанности, рассматриваемой темы представляется недостаточной, необходимо дальнейшее ее развитие. Диссертация является продолжением ряда исследований, проводимых в ФГБОУ ВО ПНИПУ на кафедре «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов».

Объект исследования: низкоуглеродистые мартенситные стали, легированные сильными карбидообразующими элементами.

Предмет исследования: модели и закономерности формирования структуры и свойств НМС, дополнительно легированных ниобием и ванадием.

Цель работы: определение закономерностей формирования структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ после нагрева и охлаждения из аустенитной и межфазной областей.

Задачи исследования:

1. Определить механизм образования аустенита в НМС 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ в интервале скоростей от 10 до 40 °/мин, после нагрева в аустенитную и верхнюю часть межфазной областей.

2. Найти закономерности распада аустенита в низкоуглеродистых мартенситных сталях, легированных сильными карбидообразующими элементами после охлаждения из аустенитной и межфазной областей.

3. Установить связь между реечно -пластинчатой структурой и механическими свойствами НМС 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ.

4. Создать технологическую схему термической обработки деталей из НМС, дополнительно легированных ниобием и ванадием, включающую закалку из межкритического интервала температур (МКИ).

Научная новизна работы:

1. На основании теплового эффекта и литературных данных показано, что а-у-переход в НМС, легированных сильными карбидообразующими элементами, может осуществляться в две стадии: первая стадия - сдвиговое превращение; вторая стадия - диффузионное. В сталях 15Х2Г2НМФБ, 27Х2Г2НМФБ возможно и одновременное протекание сдвигового и диффузионного переходов в интервале температур 730-785 °С. Нагрев в МКИ способствует формированию аустенитной структуры с меньшим средним размером зерна, но повышенной разнозернистостью.

2. Установлено, что после закалки из МКИ на воздухе НМС, легированных сильными карбидообразующими элементами, в структуре присутствуют две а-фазы: первая - сохранившая свою морфологию после нагрева в МКИ (родительская), вторая - образованная по мартенситному механизму в процессе

охлаждения (свежая). Основной вклад в прочность дает свежая фаза, содержание которой примерно 95 %. Устойчивость аустенита НМС 15Х2Г2НМФБ в температурных интервалах бейнитного превращения в пять раз выше, чем у стали 27Х2Г2НМФБ.

3. Предложены и экспериментально проверены для сталей с 0,15 и 0,27 % С модель, связывающая вязкость разрушения НМС с морфологией и объемной долей пластинчатой составляющей, и модель образования мартенсита при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях, учитывающая распределение зерен аустенита по размеру.

4. Установлены зависимости, связывающие истинные напряжения и деформации сталей 07Х3ГНМ, 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ, закаленных из МКИ. На стадии равномерной деформации хорошее согласие с экспериментом показало уравнение Дж. Холомона, а на стадии сосредоточенной деформации -линейная зависимость. Энергоемкость разрушения немонотонно зависела от содержания углерода, с максимумом примерно в 0,15 %.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы

состоит в том, что разработаны экологически безопасные схемы термической обработки НМС 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ, включающие закалку из МКИ с охлаждением на воздухе. Получено сочетание высоких механических и технологических свойств, подтвержденное испытаниями на промышленных предприятиях.

Высокая сопротивляемость деформации при циклическом температурном воздействии и способность образовывать паяные соединения доказаны испытаниями на предприятии ООО «Алант», г. Пермь.

На предприятии ООО «Ломоносовские заводы» определены технологические и прочностные характеристики сварных соединений. По сочетанию свариваемости и прочности сталь марки 15Х2Г2НМФБ превосходила применяемые в настоящее время зарубежные и российские аналоги.

Положения, выносимые на защиту:

1. В интервале скоростей от 10 до 40 °С/мин образование высокотемпературной фазы при нагреве в аустенитную и межфазную область идет в два этапа, по сдвиговому и диффузионному механизмам, эти этапы могут иметь различные температурные интервалы или проходить одновременно.

2. В НМС, легированных ниобием и ванадием, получение «родительской» и свежей а-фазы с морфологией мартенсита возможно после закалки из верхнего интервала межфазной области.

3. Одним из факторов, определяющим температурные интервалы мартенситного превращения, является распределение зерен аустенита по размерам.

4. Термообработка НМС 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ, включающая закалку из МКИ, обеспечивала благоприятное соотношение пластинчатой и реечной составляющих структуры и лучшие механические свойства по сравнению с полной закалкой.

5. Для интерпретации вклада морфологии мартенсита в разрушение предложена модель, исходящая из предположения, что основным фактором, определяющим разрушение, является доля пластинчатой составляющей и соотношение размеров пластинок.

6. В НМС 15Х2Г2НМФБ и 27Х2Г2НМФБ, закаленных из МКИ, связь между истинными деформациями и напряжениями может быть представлена на этапе равномерной деформации с помощью уравнения Дж. Холомона, а на этапе сосредоточенной - линейной зависимостью.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов подтверждается применением современного исследовательского оборудования, статистической обработкой результатов испытаний, хорошей согласованностью с данными литературных источников.

Результаты исследований

Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- 3-я Международная научно-практическая конференция «Инновационные

технологии в материаловедении и машиностроении», ИТММ-2016, конференция, международный уровень, 3-7 октября 2016 г., ПНИПУ;

- «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности», конференция, международный уровень, с 26.01 по 26.01.2016 г., ПНИПУ;

- «Фундаментальные и прикладные исследования в области материаловедения и машиностроения - 2015», конференция, всероссийский уровень, 25-27 ноября 2015 г., ПНИПУ;

- 3-я Международная научно-практическая конференция «Техника и технология современных производств МК-24-417 - 2017», международный уровень, 16 июня - 20 июля 2017 г., Приволжский дом знаний г. Пенза

- XXIV Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Магнитогорск, 19-23 марта 2018 г.

Личный вклад автора состоит в постановке целей и задач работы, разработке методологии исследования, интерпретации результатов и формулировке совместно с научным руководителем всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы. Основные эксперименты автор диссертации выполнил самостоятельно или в творческих коллективах, что отражено в списке опубликованных автором статей. Автор был инициатором или ответственным исполнителем выполненных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы; изложена на 170 страницах с приложениями, включает 46 рисунков, 21 таблицу и три приложения. Список литературы содержит 200 источников.

Автор выражает благодарность канд. техн. наук, профессору Иванову А. С., д-ру физ.-мат. наук, профессору Спиваку Л. В., канд. техн. наук Гребенькову С. К. и сотрудникам кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» Пермского национального исследовательского политехнического университета за помощь и поддержку, оказанные при выполнении работы.

Глава 1. Современное состояние в области низкоуглеродистых

мартенситных сталей

1.1. Стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита

На возможность создания низкоуглеродистых мартенситных сталей впервые указал профессор Энтин Р. И. на конгрессе в США (Пенсильвания, октябрь, 1960 г.). В 70-80 гг. под научным руководством профессора Л. М. Клейнера были разработаны и внедрены первые низкоуглеродистые мартенситные стали, имеющие уникальные механические и физические свойства и очень хорошее отношение «цена/качество». НМС сразу же нашли применение в изделиях новой техники. Стали, содержащие углерод в количестве примерно до 0,1 %, часто называют малоуглеродистыми, но мы будем придерживаться терминологии создателей первых НМС [1]. Проблема, ограничивающая широкое применение НМС, состоит в недостаточном уровне исследования закономерностей структурообразования, роли легирования и термического воздействия в формировании физико-механических свойств. Даже небольшое отклонение состава может привести к выделению крайне нежелательного верхнего бейнита Достаточно надежно установлено лишь соотношение «хром/углерод», которое должно быть больше или равно 35 мас., или 8 ат., % [2].

При содержании 0,25-0,30 % С и выше возможно присутствие в структуре высокотемпературной и низкотемпературной пластинчатой составляющих мартенсита. Появление пластинчатой составляющей приводит к резкому ухудшению вязкости. Плохо изучена высокотемпературная морфологическая форма, не содержащая ни реек, ни пластин, обычно называемая «бесструктурной» пластинчатой, хотя по форме она напоминает эллипсоид (глобула).

Для измельчения зеренной структуры сталей принято использовать интенсивную пластическую деформацию. Иные возможности открывает применение НМС со структурой пакетного мартенсита. До недавнего времени полагали, что только пакетный мартенсит может быть фрагментирован при закалке [3]. В последние годы профессором Клейнером Л. М. с сотрудниками была обнаружена возможность фрагментирования высокотемпературной пластинчатой

мартенситной фазы термоциклированием. Границы реек упрочняют сталь многократно сильней, чем границы пакетов, что было доказано для стали, содержащей 0,02 % С и 18 % №, поэтому характерным элементом структуры являются рейки [4].

Электронно-микроскопическими исследованиями выявлена иерархия в структуре мартенсита, которая включает в себя: разориентированные менее чем на 3° рейки, пакеты и слои. Параллельные рейки наблюдают при прохождении секущей плоскости через пакет. Характерная ширина реек составляет 200-300 нм, что в 7 или 9 раз [5] (по данным Андреева Ю. Г. и Штремеля М. А. - в три раза) больше их толщины [6]. Наиболее сильное влияние размеры характерных элементов структуры оказывают на вязкость [4, 7, 8].

Традиционные конструкционные стали с содержанием углерода 0,200,40 % обладают рядом недостатков при реализации конструкционной прочности и пониженной технологичностью при изготовлении термоупрочненных деталей. При содержании менее 0,2 % углерода дислокации в закаленной стали полностью не закреплены, что дает преимущество в технологических и механических свойствах перед сталями с 0,2-0,4 % С и облегчает релаксацию напряжений [9].

В структуре низкоуглеродистого мартенсита при малом содержании легирующих элементов реализуется преимущественно два механизма упрочнения - дислокационный и зернограничный. Это обеспечивает рост конструкционной прочности при сохранении лучшей технологичности по сравнению со среднеуглеродистыми сталями. Изделия из НМС могут быть получены в результате совмещения горячего формообразования с закалкой на воздухе. Низкое содержание углерода дает возможность сваривать НМС всеми видами сварки независимо от состояния (закаленное или отожженное) [ 10]. Структура низкоуглеродистого мартенсита позволяет деформировать стали в закаленном состоянии, проводить химикотермическую обработку обеспечивает низкую склонность к образованию холодных и горячих трещин при сварке [ 11, 12]. Термическая обработка не требует применения жидких охлаждающих сред

благодаря высокой прокаливаемости стали, что также делает технологический процесс экологически безопасным [2].

Для повышения прочности стали обычно применяют увеличение содержания углерода. Рост содержания углерода увеличивает объёмные изменения при фазовых превращениях, что неизбежно приводит к росту температуры вязко -хрупкого перехода, уменьшению характеристик вязкости, деформациям, короблению, образованию трещин [9]. В интервалах температур 500-300 °С в сталях, содержащих до 5 % и более легирующих элементов, 0,15 % углерода. В широких интервалах варьирования скоростей охлаждения наблюдают бейнитное превращение, которое повышает температуру вязко -хрупкого перехода Ткр. [13].

Перераспределение углерода в процессе бейнитного превращения вызывает образование высокоуглеродистой мартенситной а-фазы и остаточного аустенита [14]. В результате бейнитные стали типа 14Х2ГНР, 12Х2НМФА, 14ХСНД, 14ХГН2МДАФБ при закалке больших сечений имеют неоднородные свойства, что проявляется в ухудшении хладостойкости, вязкости, свариваемости и др. [ 10].

Все перечисленные недостатки могут быть исключены за счет получения структуры низкоуглеродистого мартенсита. Современные свариваемые НМС обеспечивают высокую вязкость и прочность выше 1000 МПа, при выборе легирующих элементов стремились получить структуру пакетного мартенсита при относительно малых скоростях охлаждения [25].

В низколегированных сталях возможно два механизма превращения: диффузионный (нормальный) с образованием феррита и сдвиговой с образованием бейнита или мартенсита.

Продолжительность инкубационного периода зависит от состава стали и определяется энергией активации самодиффузии железа Q. При содержании углерода 0,04 % Q = 26 ккал/гатом, рост содержания хрома до 7 % и никеля до 2 % увеличивает Q до 40 ккал/г атом, в результате инкубационный период возрастает с 1 до 720 с [16].

В работах [15-23] показано, что, исходя из закономерностей диффузии, бейнитное превращение может быть подавлено при содержании углерода 0,04-0,12

%. Температура мартенситного превращения НМС примерно на 100 °С выше, чем у среднеуглеродистых. Высокая температура Мн минимизирует возможность образования бейнита и способствует релаксации напряжений [ 10].

Следует отметить, что известные соотношения для свариваемых сталей между углеродом и легирующими элементами, полученные для сталей с преимущественно ферритной структурой, для сталей со структурой пакетного мартенсита не выполняются [2].

За счет деформации, например, кручения под давлением [25], размер характерного элемента структуры сталей может быть уменьшен до величины порядка 100 нм. Измельчение до наноуровня характерных элементов структуры (ширины реек) требует больших энергетических затрат и может неблагоприятно сказаться на показателях вязкости [26].

Ширина реек низкоуглеродистого мартенсита имеет субмикронные размеры и измельчение ее до наноуровня возможно у НМС с выраженной структурной наследственностью, это возможно осуществить без применения высокоэнергетических методов, за счет циклической обработки, включающей перекристаллизацию [27, 28]. Таким образом, у НМС имеется уникальная возможность получения наноструктуры без применения высокоэнергетических методов обработки.

Современное положение в области разработки конструкционных сталей характеризуют работы, направленные на повышение механических свойств за счет динамической рекристаллизации в процессе деформации в узких температурных интервалах, «теплой» прокатки, trip - эффекта в бейнитно-аустенитных и мартенситно-аустенитных сталях, управления характеристиками карбидной фазы и др. [29].

Динамическая рекристаллизация в стали с 0,04 % C, 1,5 % Mn, 1 % Сг, 0,25 % Mo и 0,079 % V (по массе) в процессе деформации в бейнитной области превращения аустенита обеспечивала ав = 880 МПа, ао,2 - до 800 МПа при уровне пластичности 5 = 12 % и ударной вязкости KCV-40 = 0,250 Дж/мм2 [30].

Измельчение зерна феррито -перлитной стали с 0,15 % С, 0,3 % Сг, 1,5 % Mn, 0,3 % Si, 0,044 % V, 0,048 % Nb и 0,016% Ti от 11 мкм до 0,7 мкм в процессе теплой прокатки позволило повысить аВ с 474 МПа до 510 МПа и KCV с 0,176 до 0,285 Дж/мм2 [29]. Установлено, что для морфологии изотермического мартенсита (0,2 % С + 1,5 % Mn + 2 % Сг) характерны пакеты в форме многогранников с мало отличающимися размерами сторон. В этой же стали после непрерывного охлаждения пакеты имели вытянутую форму, изменение размеров и формы пакетов способствовало повышению нанотвердости от 5,4 ГПа до 6,9 ГПа [31].

Высокие показатели механических свойств обеспечивают современные twip- и trip - стали [31], но trip и twip являются высоколегированными стаями.

Как показано при исследовании особовысококачественной стали 09Г2СА - А критическая температура хрупкости может быть понижена регулированием размеров и формы карбидов [32]. Структура стали содержала равноосные зерна феррита размером 35 мкм, а размер карбидов изменялся в 3-5 раз. В зависимости от степени холодной деформации получены высокие для феррито-перлитных сталей свойства: аВ = 880 МПа при 5 = 12,4 % [33].

Лучшие образцы мало - и среднеуглеродистых сталей (представленные в России) производят фирмы OVAKO и SSAB. Для материалов, полученных направленной прокаткой, в листе типа Hardox HiTuf ( Fe + 0, 2% С + 0, 6% Si + 1,6 % Mn + 0,7 % Cr + 2 % Ni + 0,7 % Mo + 0,005 % B) гарантирована в состоянии поставки прочность примерно 850 МПа [1], Domex 960 (Fe + 0,18 % C + 0,3 % Si + 2,1 % Mn + 0,5 % CEV + 0,34 % CET) обеспечивает ав до 1250 МПа при 5 не менее 8 % [34]; ограниченно свариваемые стали фирмы OVAKO типа 19MnVS6 после улучшения имеют предел прочности до 700 МПа при относительном удлинении 20 % и относительном сужении 65 % [35].

Итак, известные низколегированные низкоуглеродистые стали реализуют либо повышенную вязкость и хладостойкость (особовысококачественные стали), либо, при прочности на уровне 1250 МПа, относительное удлинение 8 %, либо, после высокого отпуска, предел прочности 700 МПа и относительное удлинение 20 %. Традиционными способами свариваются только стали с относительно низкой

прочностью. Необходимо отметить, что углерод оказывает как положительное (рост прочности, реализация структурной наследственности и др.), так и отрицательное влияние (понижение характеристик надежности) на качество сплава. Во многих случаях приемлемое содержание углерода составляет примерно 0,15 %, что обеспечивает требуемое сочетание конструкционной прочности и технологичности.

В низкоуглеродистые стали для повышения вязкости и прочности эффективно вводить небольшое количество марганца, до 2 %, ванадия - до 0,1, и ниобия - до сотых долей процента. Это объясняется тем, что марганец расширяет температурный интервал выделения ванадийсодержащих карбидов и карбонитридов. Уменьшение размеров карбонитридов обусловлено снижением скорости диффузии углерода. Аналогично на скорость диффузии влияет и хром [36].

Наибольшей хладостойкостью обладают стали со сферической формой карбидов, получить такую форму карбидов можно при температуре отпуска примерно 450 °С [32, 37], но такой подход не обеспечивает другие показатели конструкционной прочности, а в случае последующей закалки карбидное конструирование во многом теряет значение. Вместе с тем отметим, что в случае применения НМС со структурной наследственностью возможна закалка из МКИ с сохранением формы карбидной фазы.

Одно из преимуществ НМС с выраженной структурной наследственностью состоит в закалке из МКИ [27]. Вместе с тем закалка сталей типа 07Х3ГНМ из нижней части МКИ не способствовала повышению свойств, рисунок 1.1. Рост температуры закалки в межкритическом температурном интервале приводит к монотонному понижению динамической трещиностойкости, улучшение прочности происходит только при закалке из верхнего интервала МКИ.

Рисунок 1.1 - Влияние температуры закалки на механические свойства стали 07Х3ГНМ (окончательная термообработка: отпуск 550 °С, 2 ч, воздух)

НМС 07Х3ГНМ в закаленном из МКИ состоянии имела двухфазную ферритно-мартенситную структуру [10, 38, 39]. Количество мартенсита возрастало с повышением температуры закалки. Ферритно-мартенситная (ФМ) структура обеспечивала рост вязкости, но показатели прочности были на невысоком уровне.

1.2. Формирование структуры и свойств низкоуглеродистых сталей

Одним из перспективных направлений улучшения свойств низкоуглеродистых сталей является создание неоднородной структуры с существенно отличающимися по свойствам фазами [40-44].

Особенность НМС - большая склонность к проявлению структурной наследственности, т.к. исходная структура перед аустенитизацией -кристаллографически упорядоченная мартенситная, сохраняющая свою

морфологию до начала аустенитизации и выше. Поэтому получение мелкозернистой структуры путем однократной фазовой перекристаллизации затруднительно. Вместе с тем особый вид структурной наследственности в НМС позволяет сохранить морфологию а-фазы при нагреве в МКИ. Сохранение морфологии мартенсита принципиальным образом отличает НМС от двухфазных ферритно-мартенситных сталей. ФМ-структуру обычно получают закалкой из МКИ. ФМ отличает повышенная ударная вязкость, пониженная склонность к отпускной хрупкости в сочетании с относительно небольшим снижением твердости и прочности [45]. Понижение прочности может быть компенсировано иной зависимостью от температуры отпуска [46-48].

Термическая обработка из МКИ может быть осуществлена двумя способами: первый - аустенитизация с последующей выдержкой в межкритическом интервале, второй - нагрев в МКИ и последующее охлаждение. Первый способ не приводит к повышению механических свойств [48], так как по границам зерен аустенита выделяется феррит. В случае закалки из межкритического интервала первостепенное значение имеет исходная структура [47-51], предпочтительными обычно являются кристаллографически упорядоченные структуры мартенсита и нижнего бейнита.

Образование зародышей новой фазы происходит кристаллографически ориентированно в соответствии с принципом структурного и размерного соответствия Данкова - Конобиевского. В сплавах на основе железа известное соотношение Бейна описывает ориентационную связь у- и а -решеток: (001)у || (001)«; [100]у || [110]а, это соотношение может реализоваться как при прямом, так и при обратном превращении [52]. В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов, а также температурных условий протекания а^у-превращений могут реализоваться и другие ориентационные соотношения: Курдюмова - Закса, Нишиямы, Гренингера и Трояна [53, 54]. Можно полагать, что зарождение новой фазы при нагреве и охлаждении идет по мартенситному механизму, который может сменяться диффузионным ростом. Мартенситный механизм обеспечивает взаимную кристаллографическую ориентировку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Березин Семен Константинович, 2019 год

- - - -

X о

и ор

iwer Brie 60М I 1 ; fe Ж ja -

О.

Таблица 3 Характеристики свариваемых сталей

обозначение свариваемость Место измерения твёрдости, НУ Используемые электроды при сварке(проволока)

МШ зтв ОМ

НМС хорошая 340 355 330 Power Bridge 60М Св-08ГСМТ Св-10Х19Н11М4Ф

HARDOX 450 HARDOX 400 хорошая 355 377 375 Power Bridge 60М

АК-35 хорошая 293 - 300 Св-08ГСМТ

DOMEX удовлетворительная 195 190 210 Св-08ГСМТ

Таким образом, по сочетанию механических свойств, свариваемости и технологичности НМС имеют преимущества перед другими свариваемыми стаями.

Вывод. В связи с выявленными преимуществами НМС системы легирования Х2Г2НМФБ изготовить опытную партию листовой стали и провести испытания в качестве корпусной стали судов.

От ПНИПУ

Научный руководитель д.т.н., проф. Шацов А.А

ООО "Ломоносовские заводы"

(роспись)

Исполнители: Инженер

Ведущий инженер к.т.н

Березин С.К

Гребеньков С.К.