Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с температуры горячей деформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Романов, Илья Дмитриевич

• Романов, Илья Дмитриевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Романов, Илья Дмитриевич

Оглавление

Введение

1. Современные низколегированные стали и формирование структуры и свойств в процессе пластической деформации

1.1. Легированные низко- и среднеуглеродистые стали

1.2. Низкоуглеродистые мартенситные стали. Преимущества и недостатки

1.3. Металлургическое качество стали

1.4. Структурные факторы, влияющие на механические свойства

1.4.1. Структура и свойства мартенсита

1.4.2. Границы зерен в сталях

1.5. Влияние границ зерен на процесс деформации и модель неоднородного твердого тела, содержащего равномерно расположенные дефекты

1.6. Особенности структуры мартенсита, образованного из горячедеформированного аустенита

1.7. Особенности применения ВТМО при производстве упрочненных заготовок низко и среднеуглеродистых сталей

1.8. Постановка задачи

2. Материалы и методики

2.1. Материалы исследования

2.2. Методики исследований

2.2.1. Горячая деформация низкоуглеродистой мартенситной стали

2.2.2. Анализ химического состава

2.2.3. Макроструктурный анализ

2.2.4. Металлографический анализ

2.2.5. Определение закона распределения элементов структуры

2.2.6. Методика определения степени разнозернистости (Я)

2.2.7. Рентгеноструктурный анализ

2.2.8. Выявление структуры методами электронной микроскопии

2.2.9. Испытания на ограниченную долговечность

2.2.10. Испытания на растяжение

2.2.11. Испытания на ударную вязкость

2.2.12. Статическая трещиностойкость

2.2.13. Дюрометрические исследования

Выводы по главе 2

3. Металлургическое качество НМС

3.1. Характеристика отпускоустойчивых НМС опытно-промышленных плавок

3.2 Результаты исследований макроструктуры НМС

3.3. Механические свойства проката НМС

Выводы по главе 3

4. Структура и свойства низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с деформационного нагрева

4.1 Влияние температуры нагрева под ковку на структуру и характеристики механических свойств

4.2 Влияние степени деформации на структуру и характеристики механических свойств

4.3. Структура и механические свойства кованой стали охлажденной в различных средах

4.4. Влияние температуры отпуска на характеристики механических свойств

4.5. Влияние степени деформации на макроструктуру

Выводы по главе 4

5. Прочность и трещиностойкость горячедеформированной стали со структурой низкоуглеродистого мартенсита

Выводы по главе 5

6. Оценка работоспособности деталей из НМС и практическая реализация исследований

6.1. Работоспособность и причины разрушения деталей из НМС

6.2. Проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с деформационного нагрева

Выводы

Список использованных источников

130

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с температуры горячей деформации»

Введение

Основной задачей металловедения в машиностроении является повышение конструкционной прочности и технологичности материалов. Конструкционная прочность зависит от химического состава и структуры материала. Получение требуемой структуры материала обеспечивает работоспособность изделий в условиях сложнонапряженного состояния, динамических и циклических нагрузок. Современные стали работают в узком диапазоне условий, в результате чего существует множество марок для конкретных условий. Современные среднелегированные стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,40% обладают рядом недостатков, устранение которых обеспечивается усложнением технологических процессов обработки. Ограниченная прокаливаемость таких сталей затрудняет получение требуемой структуры в крупногабаритных деталях при закалке с температур конца горячей деформации вследствие образования продуктов промежуточного и диффузионного превращений, а так же невозможно избежать разнозернистости.

В конце двадцатого века был создан новый класс низкоуглеродистых мартенситных сталей [1], основное преимущество которых - высокая устойчивость переохлажденного аустенита и образование после закалки (в т.ч. на спокойном воздухе) структуры низкоуглеродистого реечного мартенсита. В настоящей работе использовано это преимущество для реализации совмещенного технологического процесса горячего формообразования и закалки охлаждением на воздухе. Работа посвящена исследованию формирования структуры отпускоустойчивой низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА в результате закалки с температур конца горячей деформации. В работе показано, что низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает комплекс характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости необходимый для реализации конструкционной прочности в различных условиях нагружения.

Актуальность работы

Работа направлена на изучение макро, микро и реечной структуры НМС, полученных из непрерывнолитой заготовки, определение показателей прочности, надежности, долговечности и эксплуатационные характеристики деталей. Возможность устранения дефектов макроструктуры и формирование особой микроструктуры при температурно-деформационном воздействии позволяет повысить конструкционную прочность изделий, сократить технологический процесс термоупрочнения, за счет проведения закалки непосредственно с температуры конца горячей деформации. Температурно-деформационное воздействие улучшает металлургическое качество и повышает дисперсность характерных элементов структуры заготовок.

Высокая конструкционная прочность и стабильность свойств стали позволяет улучшить существующие и создать новые машины и конструкции.

Полученные результаты стали составной частью работ, выполненных по программам: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" 2012 - 2013 очередь 1.2.1 мероприятие XVI, лот 1. контракт 14.В37.21.1068; НИР на выполнение исследований в НИЧ ПНИПУ по заказ - наряду № 1.20.11 на 20122014 гг. в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданиям Министерства образования и науки РФ; грант РФФИ 09-08-99001-р_офи, 20082010 гг.

Цель работы; Создание совмещенного процесса горячей деформации и закалки для повышения технологичности и работоспособности деталей винтовых забойных двигателей из стали со структурой низкоуглеродистого реечного мартенсита.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Исследовать исходную макроструктуру проката из НМС, полученного из непрерывнолитой заготовки.

2. Изучить формирование структуры НМС в результате температурно-деформационного воздействия.

3. Изучить влияние скорости охлаждения после горячей деформации на структуру и комплекс характеристик механических свойств.

4. Исследовать связь размеров структурных элементов и характеристик механических свойств НМС с реечной структурой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что последеформационное охлаждение НМС с различными скоростями позволяет управлять комплексом механических свойств. Так после закалки в воде с температуры конца горячей деформации формируется структура пакетного мартенсита со средним размером зерен 39 мкм, предел прочности которой составляет более 1400 МПа, ударная вязкость KCV более 70 Дж/см2, а после медленного охлаждения с печью (УОХл=0,015°С/с) формируется мартенситная структура со средним размером зерна 17 мкм, при этом значения ударной вязкости увеличиваются почти в два раза и достигают значений более 120 Дж/см2.

2. Установлено, что структура реечного мартенсита низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА обеспечивает вдвое более высокие показатели ограниченной долговечности при испытаниях в условиях повторяющихся ударных нагрузок по сравнению со структурой сорбита отпуска сталей 40ХН2МА и 38ХНЗМФА при равной прочности.

3. Экспериментально доказано, что в процессе деформационно-термического воздействия непрерывно уменьшаются размеры структурных элементов и одновременно увеличивается ударная вязкость, но при достижении ударной вязкости KCV=120 Дж/см её дальнейший рост замедляется.

4. Обнаружено, что разнозернистость с коэффициентом R до 4, полученная после закалки с деформационного нагрева, слабо влияет на характеристики механических свойств, благодаря реечной структуре низкоуглеродистого мартенсита.

Практическая значимость

1. Разработан режим упрочнения НМС, включающий деформацию со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на

воздухе и отпуск при 250°С с последующим охлаждением на воздухе. Предложенный режим позволяет сократить технологический процесс за счет исключения дополнительной закалки и гарантирует получение комплекса свойств: а0,2 > 1050 МПа, ав > 1350 МПа, 5 > 15 %, \|/ > 60 %, КСУ > 75 Дж/см2. 2. На основании исследования металлургического качества, характеристик механических свойств и работоспособности деталей из НМС, полученных с применением непрерывной разливки, установлено, что для изготовления ответственных деталей винтовых забойных двигателей металлургическое качество заготовок должно соответствовать категории «высококачественная». Достигнутые значения показателей прочности, надежности и долговечности позволят существенно повысить ресурс работы винтовых забойных двигателей. На защиту выносятся следующие основные положения и результаты

1. НМС 15Х2Г2НМФБА позволяет проводить закалку с температур конца горячей деформации охлаждением на воздухе, в результате которой в поковке формируется структура реечного мартенсита.

2. Применение горячей деформации НМС радиальной ковкой позволяет получать металлургические заготовки высокого качества при степени деформации не менее 70%, наибольшее значение ударной вязкости получены при степени деформации 79% и выше. В интервале степеней деформации от 60% до 87% диспергируется зерно с 45 до 22 мкм и размер пакета с 9 до 7 мкм.

3. Формирование структуры реечного мартенсита в широком интервале степеней деформации и скоростей охлаждения заготовок с температур конца горячей деформации позволяет получить повышенный комплекс характеристик прочности, пластичности и вязкости.

4. Уменьшение размеров зерен с ростом степени деформации ведет к уменьшению расстояния между непроницаемыми для дислокаций границами, что приводит к замедлению роста значений характеристик пластичности и ударной вязкости даже при уменьшении размеров реек.

5. Параметры технологического процесса упрочнения НМС, разработанные на основании исследования влияния горячей деформации на макро-, микро, реечную

структуру и характеристики механических свойств: горячая деформация со степенью не менее 60 % в интервале температур 1150°-850°С, охлаждение на воздухе, отпуск при 250°С, охлаждение на воздухе.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях:

"Современные металлические материалы и технологии" (СММТ'11), г. Санкт-Петербург, 22-24 июня 2011 г; "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 26 - 28 октября 2011 г.; "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов": материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов, Магнитогорск, 06 -10 февраля 2012 г; Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2012, Москва, МИСиС, 2012. Публикации

По материалам исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список работ, отражающих основное содержание диссертации, представлен в автореферате.

1. Современные низколегированные стали и формирование структуры и свойств в процессе пластической деформации Литературный обзор

1.1. Легированные низко- и среднеуглеродистые стали

В различных отраслях машиностроения используется множество марок низко-

и среднеуглеродистых легированных сталей. Большое количество марок сталей обусловлено тем, что их составы рассчитаны на работу в узких интервалах условий. Рассмотрим стали с содержанием углерода 0,10-0,45%, с легированием в пределах 6,5 % элементами обеспечивающие необходимую устойчивость аустенита для технически возможной закалки.

В строительстве стальных конструкций и судостроении используют стали с содержанием углерода 0,10-0,25%. Стали ферритно-перлитного класса 12Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД после закалки имеют предел прочности 900 МПа, а стали бейнитного класса 12ГН2МФАЮ, 14ГСМФР до 1500 МПа. Однако такой прокат неприменим к использованию в высокопрочном состоянии в металлических конструкциях из-за низкого сопротивления хрупким разрушениям. Сопротивление хрупким разрушениям закаленного проката повышается при отпуске. Изменение основных механических свойств сложнолегированной стали 12ГН2МФАЮ при отпуске приведено на рис. 1.1 [2]

Рисунок 1.1 Зависимость механических свойств от температуры отпуска

стали 12ГН2МФАЮ

и

Благоприятное изменение механических свойств при отпуске связано с формированием более равновесной микроструктуры проката. В процессе превращения при высоких температурах образуются относительно равновесные кристаллиты. Основные стадии процесса включают: а) полигонизацию а-фазы с перераспределением дислокаций, расположенных неравномерно; б) перераспределение углерода с выделением карбидов по субграницам и границам а-фазы; в) образование мелких рекристаллизованных зерен а-фазы и превращения в карбидной фазе.

Авторы [3] полагают, что основное влияние на поведение термически упрочненной строительной стали оказывает один из двух следующих механизмов упрочнения:

• дислокационный механизм (закаленные, а так же низкоотпущенные стали);

• зернограничный, субструктурный механизм (термически улучшенные стали).

Увеличение предела текучести строительных сталей с повышением плотности дислокаций (при снижении температуры отпуска в процессе термического упрочнения), приводит к снижению сопротивления материала хрупкому разрушению. Но если повышать прочность проката за счет зернограничного и особенно субзернограничного механизма упрочнения, то сопротивление хрупкому разрушению возрастает. [3]

Азотсодержащие стали производятся в промышленных масштабах как обычными методами (с применением азотированных ферросплавов), так и специальными способами, позволяющими получить сплавы со сверхравновесным содержанием азота [4], [5]. Азот в этих сталях может быть использован в качестве заменителя дорогостоящих легирующих элементов (никель, молибден и т.д.). Как и углерод, азот образует с железом твердый раствор внедрения и способствует стабилизации аустенита. Различное поведение углерода и азота в твердых растворах сплавов на основе железа определяет разное их влияние на свойства сталей [6], [7]:

- атомный и ионный радиусы азота меньше радиусов углерода, следовательно, азот, внедряясь в решетку железа создает меньшие напряжения;

- ковалентная часть межатомной связи уменьшается, поскольку азот, в отличие от углерода уменьшает d-электронный заряд на железе;

- энергия взаимодействия азота с дислокациями выше энергии взаимодействия дислокаций с углеродом;

- в присутствии азота происходит снижение энергии дефектов упаковки [8].

Азот в низколегированные стали вводят чаще всего совместно с ванадием, поскольку нитриды и карбонитриды ванадия способствуют упрочнению стали, а так же задерживают рост зерна при высокотемпературной обработке. В качестве сталей, применяемых для изготовления газопроводных труб большого диаметра, используют азотистые стали 17Г2САФ, 14Г2САФ с пределом прочности до 540 -570 МПа и с гарантированными вязкими свойствами при минусовых температурах. Сталь марки 18ХГ2САФ для изготовления штрипсов обеспечивает прочность 590 МПа. Низколегированная сталь марки 14Г2САФ с содержанием 0,08—0,12% V и 0,015—0,03% N2, обеспечивает на листовом прокате толщиной 10—15,5 мм предел прочности не менее 570 МПа, при высоком значении ударной вязкости (50 Дж/см ) при минусовых температурах (—40 или —60° С). Сталь с ванадием и азотом марки 15Г2АФ обладает высокой хладостойкостью при значительной прочности, что позволило рекомендовать ее для изготовления труб больших диаметров для магистральных газопроводов, работающих в условиях севера. Экономия металла достигает 14—15%.

Недостатками азотистых низколегированных сталей является невысокая прочность до 600 МПа и сложная технология насыщения сталей азотом.

ТРИП-стали обычно производят с применением деформации и термической обработки обеспечивающей получение микроструктуры состоящей из феррита, бейнита и остаточного аустенита. Авторами [9], предложена новая идея получения многофазных сталей со значительным количеством остаточного аустенита с применением только термической обработки (так называемой "quenching and partitioning"). Q&P процесс состоит из первичной закалки с

охлаждением до температур находящихся в интервале между М„ и Мк для получения смешанной структуры мартенсита и остаточного аустенита и последующей выдержке при этой температуре или выше для выделения углерода из пересыщенного мартенсита и насыщения этим углеродом аустенита. Такой способ получения ТРИП-эффекта исследовали на экономнолегированной низкоуглеродистой стали с химическим составом С=0,19%; Мп=1,61%; 81=0,35%; А1=1,10%; Р=0,09% [9]. Результаты исследований доказали эффективность метода С2&Р для получения в структуре стали остаточного аустенита. Показано, что эволюция микроструктуры во время изотермической стадии обработки не зависит от температуры первичной закалки, хотя аустенит после закалки с разных температур немного отличается, но это существенно не влияет на конечную микроструктуру.

При известных достоинствах ТРИП-сталей к их недостаткам следует отнести следующие факторы:

1. Действие эксплуатационных нагрузок провоцирует мартенситное превращение метастабильного аустенита, что приведет к изменению размеров деталей, поскольку мартенситное превращение происходит с увеличением объема.

2. Узкие интервалы температур и условий эксплуатации. Влияние пониженных температур так же может спровоцировать мартенситное превращение метастабильного аустенита.

3. Низкие пределы текучести и упругости. Значение этих характеристик определяется свойствами аустенита, поскольку интенсивное превращение аустенита в мартенсит начинается лишь после начала пластической деформации.

4. Невозможность сварки традиционными методами. Термическое влияние сварки сильно изменяет структуру трип-сталей, что определяет

необходимость особых условий сварки и термической обработки после сварки.

Конструкционные стали с содержанием углерода 0,25-0,45% применяются для изготовления деталей машин и должны обладать высокой конструкционной

прочностью: высокими пределами прочности и текучести (0"в, От), пластичностью (8, у), сопротивлением хрупкому разрушению (КСи, КСУ), низким порогом хладноломкости (Т50), сопротивлением усталости (0.1). Они должны обеспечивать при термоупрочнении необходимую прокаливаемость, малую склонность к обезуглероживанию поверхности, минимальную деформацию и склонность к трещинообразованию.

Стали для высоконагруженных и ответственных деталей легируют хромом, марганцем, молибденом, вольфрамом, никелем, ванадием, титаном, ниобием в различном сочетании.

Для изготовления ответственных деталей, эксплуатируемых при воздействии циклических или ударных нагрузок, обычно применяют улучшаемые стали, содержащие 0,3-0,4 % С и не более 6 % легирующих элементов. Они должны иметь высокий предел текучести, низкую чувствительность к концентрации напряжений, достаточную вязкость, пластичность. Важными характеристиками таких сталей являются критическая температура хрупкости и предел выносливости.

Требуемый комплекс характеристик механических свойств сталей обеспечивается термообработкой, при наличии сквозной прокаливаемости, мелкозернистой структуры и недопущении отпускной хрупкости. Для изготовления деталей с большими габаритами и массой применяют высоколегированные стали с повышенными характеристиками механических свойств. Механические свойства улучшаемых сталей существенно зависят от температуры отпуска. Так сталь 40Х после закалки с 860 °С в масле и отпуска при 500 °С имеет предел прочности 980 МПа и ударную вязкость КСи 59 Дж/см2,

сталь ЗОХГСА после закалки с 880 °С в масле и отпуска при 540 °С имеет предел прочности 1080 МПа и ударную вязкость KCU 49 Дж/см , сталь 40ХН2МА после закалки с 850 °С в масле и отпуска при 620 °С имеет предел прочности 1080 МПа и ударную вязкость KCU 78 Дж/см [10].

Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) марок ЗОХГСА, 35ХГСА отличаются сочетанием хороших механических и технологических свойств при низкой стоимости. Имеют прокаливаемость от 25 до 40 мм. Широко применяются в автомобилестроении.

К числу наиболее прочных улучшаемых сталей относятся хромо-никельмолибденовые стали 40ХН2МА, 38XH3MA, 38ХНЭМФА. Введение никеля способствует снижению порога хладноломкости и повышению прокаливаемости стали. Легирование молибденом (вольфрамом) обеспечивает повышение механических свойств стали, стойкости ее к проявлению обратимой отпускной хрупкости. Используют такие стали для изготовления особо ответственных крупных деталей: валов и роторов турбин, компрессоров, редукторов и т.д.[11]

К недостаткам конструкционных улучшаемых сталей, ограничивающих их применение, относят:

1. Невысокая конструкционная прочность (сочетание характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости).

2. Низкая устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие, малая прокаливаемость.

3. Ускоренное охлаждение при закалке среднеуглеродистых сталей приводит к короблению деталей, образованию закалочных трещин.

4. В подавляющем большинстве технологий отсутствует возможность, в процессе производства термоупрочненного проката, проведения закалки непосредственно после горячей обработки давлением (с температур конца горячей деформации).

5. Экологическая безопасность производства снижается при использовании и утилизации жидких охлаждающих сред [4].

1.2. Низкоуглеродистые мартенситные стали. Преимущества и недостатки

Низкоуглеродистые мартенситные стали 07ХЗГНМЮА, 08Х2Г2Ф и

12Х2Г2НМФТ широко применяются в машиностроении. Преимущества этих сталей выявляются как на стадии проектирования изделий, так и при непосредственном их изготовлении. Особенности НМС:

1. Низкоуглеродистый аустенит обладает высокой устойчивостью при непрерывном охлаждении, благодаря определенному сочетанию легирующих элементов [12].

2. Бейнитное превращение отсутствует.

3. Остаточные напряжения минимальны, благодаря низкому содержанию углерода, медленному охлаждению и высокой температуре начала мартенситного превращения.

4. Структура закаленных НМС - реечный мартенсит.

5. Дислокации обладают подвижностью, из-за отсутствия в реечном мартенсите двойниковых границ.

6. Релаксационная способность высока как в свежезакаленном, так и в отпущенном состояниях.

НМС обладают высокой пластичностью и вязкостью в свежезакаленном и отпущенном состоянии при прочности ов= 1000-1200 МПа. [13] Технологические особенности деформационно-термической обработки:

1. НМС обладают высокой прокаливаемостью при охлаждении на воздухе. Исключается обязательное применение жидких закалочных сред, что в свою очередь приводит к исключению всех проблем при закалке в жидких средах, в том числе деформации и коробления изделий и утилизации отработавших закалочных жидкостей.

2. НМС позволяют совмещать горячее формообразование с закалкой на воздухе и в штампах без использования жидких сред. Так же исключается закалка, правка, транспортировка в термический цех [14];

3. Обезуглероживание НМС практически не влияет на свойства, что исключает дополнительные припуски и защиту от него;

4. НМС обладают хорошей свариваемостью в термоупрочненном и нетермоупрочненном состояниях. Исключается подогрев под сварку, так же исключается ограничение времени между сваркой и отпуском. Зона термического влияния не оказывает существенного влияния на свойства деталей, т.к. возможна закалка при медленном охлаждении [15].

Конструкторские особенности:

1. Благоприятное сочетание характеристик прочности и вязкости обеспечивается даже при температурах до -50 °С. Существует возможность эксплуатации конструкций при знакопеременных нагрузках и при пониженных температурах [16];

2. Хорошая деформируемость в холодном состоянии, в том числе термоупрочненном, обеспечивает применение НМС для сложных конструкций, получаемых с использованием холодной деформации [16].

Экологические особенности

- Закаливаемость на воздухе позволяет осуществить закалку НМС без применения жидких охлаждающих сред (техническая вода, масла, синтетические среды), которые являются источниками испарения вредных для здоровья человека веществ. В результате этого устраняется необходимость утилизации жидких охлаждающих сред и необходимость очистки деталей после закалки [13].

К недостаткам низкоуглеродистых мартенситных сталей можно отнести:

1. В интервале температур отпуска 400-550°С возможно заметное уменьшение характеристик вязкости, что по аналогии с традиционными конструкционными сталями называют отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость НМС обусловлена выделением карбидов по границам элементов структуры и проявляется тем сильнее, чем выше содержание углерода.

2. В термоупрочненном состоянии, при св=1300-1400 МПа, НМС обладает

Л

ударной вязкостью КСУ=80-90 Дж/см . Однако для создания принципиально

новых конструкций (например, винтовых забойных двигателей) необходимы

повышенные значения КСУ >100 Дж/см .

1.3. Металлургическое качество стали

Характеристики механических свойств и эксплуатационные характеристики

материалов зависят не только от химического состава, термической обработки, микроструктурного состояния. Во многом эксплуатационные характеристики зависят от металлургического качества, а именно от макроструктуры, степени загрязненности материала неметаллическими включениями, содержания примесей. Металлургическое качество стали формируется на стадии выплавки и в процессе последующей горячей деформации.

Оценка качества макроструктуры стали регламентирована ГОСТом 10243-75. Согласно стандарта [17] выделяют следующие основные дефекты макроструктуры: центральная пористость, точечная неоднородность, общая пятнистая ликвация, краевая пятнистая ликвация, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины, послойная кристаллизация, светлая полоска (контур). Оценка макроструктуры основана на различной травимости бездефектного металла и его участков с дефектами (неоднородность, пористость, шлаковые включения и др.); контроль по излому проводят как дополнительный или взамен, если это допускается нормативно-технической документацией. Методику контроля макроструктуры во многих случаях увязывают с видом металлопродукции и технологией производства. Так, при разливке металла сверху надо контролировать заготовки от первого и последнего слитков, вакуумный индукционный металл контролируют в подприбыльной части каждого слитка, металл переплавных процессов (ЭШП, ВДП и др.) — на пробах от заготовок из верхней и нижней частей одного или двух слитков от партии-плавки.

Неметаллические включения - это химические соединения, образовавшиеся в стали процессе выплавки и разливки. Они существенно влияют на качество и эксплуатационные характеристики. По классификации, предложенной А. А.

Байковым, неметаллические включения можно разделить на эндогенные и экзогенные. К эндогенным следует относить соединения, образовавшиеся в стали, в результате химических реакций в процессе ее выплавки. К экзогенным включениям следует относить частицы, которые попадают в жидкую сталь из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки и т.п. Размеры, количество и распределение неметаллических включений в стали должны соответствовать стандарту [18]. Загрязненность стали неметаллическими включениями определяют путем сравнения с эталонными шкалами или подсчетом числа и объемной доли включений в деформированном и литом металле.

Примеси в стали, по классификации Н.Т. Гудцова, разделяют на постоянные (обыкновенные), случайные и скрытые (вредные). Постоянные примеси, такие как марганец и кремний, попадают практически во все серийные стали в качестве технологических добавок. Вредными примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы водород, азот и кислород. Серу, фосфор и азот в последнее время иногда применяют в качестве легирующих элементов для получения ряда специальных свойств сталей. [19]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Романов, Илья Дмитриевич, 2013 год

Список использованных источников

1. Энтин Р.И., Клейнер Л.М., Коган Л.И., Пиликина Л.Д. Низкоуглеродистые мартенситные стали // Известия АН СССР. Металлы. - 1979. - №3. - С. 114-120

2. Одесский П.Д. Предотвращение хрупких разрушений металлических строительных конструкций / Одесский П.Д., Ведяков И.И., Горпинченко В.М. - М.: «СП Интермет Инжиниринг», 1988. -220 с.

3. Тылкин М.А. Структура и свойства строительной стали / М. А. Тылкин,

B. И. Большаков, П. Д. Одесский .— Москва : Металлургия, 1983 .— 287 с.

4. Катада Э., Ванишцу Н., Бабак X. Стали с повышенным содержанием азота, разработанные в национальном институте материаловедения // Металловедение и термическая обработка металлов.- 2005. - № 11 - С. 14-16.

5. Шпайдель М. О. Новые азотосодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью//Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. — № 11 - С. 9-13.

6. Гаврилюк В. Г., Надутов В. М., Гладун О. В. Распределение азота в аустените Ие—1Ч//Физика металлов и металловедение. — 1990. — № 3. —

C. 128-134.

7. Козлов Э. В., Теплякова Л. А., Конева Н. А. и др. Роль твердорастворного упрочнения и взаимодействий в дислокационном ансамбле в формировании напряжения течения азотсодержащей аустенитной стали // Изв. вузов. Физика. — 1996. — № 3. — С. 33—56.

8. Горынин И. В., Малышевский В. А., Калинин Г. Ю., Мушникова С. Ю., Банных О. А., Блинов В. М., Костина М. В. Коррозионно-стойкие высокопрочные азотистые стали // Вопросы материаловедения. — 2009. -№ 3. - С. 7-16.

9. Santofimia, M.J., Zhao, L., Sietsma, J. Microstructural évolution of a low-carbon steel during application of quenching and partitioning beat treatments after partial austenitization. // Metallurgical and Materials Transactions -vol. 40. - issue 1. - 2009. - P. 46 - 57

Ю.ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. - Москва : Изд-во стандартов, 2004 .

П.Пинчук JI.C. Материаловедение и конструкционные материалы / Пинчук JI.C., Струк В.А., Мышкин Н.К., Свириденок А.И. - Минск. Изд-во «Вышэйшая школа», 1989. -461 с.

12.Коган Л.И., Клейнер Л.М., Энтин Р.И. Особенности превращений аустенита в малоуглеродистых легированных сталях // Физика металлов и металловедение. - 1976. - Т. 41. -№ 1. - С. 118-124

13.Клейнер Л.М., Шацов А.А. Новые конструкционные материалы: низкоуглеродистые мартенситные и порошковые стали. Прикладное металловедение - Пермь : Перм. гос. техн. ун-та, - 2004.-142 с.

14.Клейнер Л.М., Энтин Р.И., Коган Л.И. Низкоуглеродистая свариваемая мартенсиная сталь 07ХЗГНМЮ // Черная металлургия. - 1987. - № 10. -С. 145-159.

15.Клейнер Л.М., Поспелов Н.Г. Новая низкоуглеродистая высокопрочная сталь 07ХЗГНМ для ответственных сварных конструкций // Сварочное производство. - 1979. - № 6. - С. 29-31.

16.Энтин Р.И., Коган Л.И., Одесский П.Д., Клейнер Л.М., Толмачева Н.В. Прочностные свойства низкоуглеродистой мартенситной стали 07ХЗГНМ // Известия АН СССР. Металлы. - 1982. - № 4. - С. 86-90.

17.ГОСТ 10243-75 Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры. -ИПК Издательство стандартов. - г. Москва. — 1985.

18.ГОСТ 1778-70 Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. — ИПК Издательство стандартов. — г. Москва. -1971.

19.Гольдштейн, М. И. Специальные стали : учеб. для вузов /М. И. Гольдштейн, С. Д. Грачев, Ю. Т. Векслер. — 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Изд-во МИСиС, 1999.-408 с

20.Курдюмов Г.В., Утевский JI.M., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: "Наука", 1977. - 236 с

21.Ряпосов И.В., Клейнер Л.М., Шацов A.A., Носкова Е.А. Формирование зеренной и реечной структуры в низкоуглеродистых мартенситных сталях термоциклированием. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2008. - № 9 - С. 33-39.

22.Саррак В. И., Шубин В. Н., Энтин Р. И. Неоднородное распределение внутренних напряжений и склонность стали к хрупкому разрушению // Физика металлов и металловедение. - 1970. - т. 29. -№ 1, с. 143—149.

23.Спектор Я.И., Энтин Р.И.— «Сталь», 1963, № 1, с. 87—88.

24.3убко А. М., Медведев Э. А., Ильина В. А.— «Бюл. ин-та «Черметинформация». - 1971. -№18. — С. 51—52.

25.Спектор Я. И., Саррак В. И., Энтин Р. И. Склонность к хрупкому разрушению и тонкая структура стали // Физика металлов и металловедение. - 1964. - т. 18. -№ 6. - С. 915—920.

26.Соколков Е. Н., Садовский В. Д.— В кн.: Проблемы металловедения. М., Машгиз, 1956, с. 49—119.

27.Бернштейн М.Л. Структура деформированных сплавов. — Издательство «Металлургия». - 1977. - С. 432.

28.Гуляев А.П Металловедение : учебник для вузов / А. П. Гуляев, А. А. Гуляев .— 7-е изд., перераб. и доп .— Москва : Альянс, 2012 .— 643 с

29.Металловедение и термическая обработка стали. Справ. Изд. - 3-е изд., перераб и доп. В 3-х т. Т. 2: Основы термической обработки / М. Л. Берштейн [и др.] .— 1983 .— 368 с.

ЗО.Орлов, А.Н. Границы зерен в металлах / А.Н. Орлов, В.Н. Перевезенцев, В.В. Рыбин. - М.: Металлургия. - 1980. - 357 с.

31.Орлов, А.Н. Границы зерен в металлах / А.Н. Орлов, В.Н. Перевезенцев, В.В. Рыбин. - М.: Металлургия. — 1980. - 357 с.

32.Чувильдеев В. Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М. : Физматлит, 2004 .— 303 с.

ЗЗ.Чувильдеев В.Н., Нохрин A.B., Пирожникова О.Э., Копылов В.И. Изменение диффузионных свойств неравновесных границ зерен при отжиге микрокристаллических металлов, полученных методами интенсивного пластического деформирования // Материаловедение. -2013.-№ 4.-С. 3-12.

34.Чувильдеев В.Н., Нохрин A.B., Пирожникова О.Э., Лопатин Ю.Г., Копылов В.И., Сахаров Н.В., Пискунов A.B. изменение диффузионных свойств неравновесных границ зерен при отжиге микрокристаллических металлов, полученных методами интенсивного пластического деформирования. Часть 2. Ускорение зернограничной диффузии при миграции границ зерен // Материаловедение. - 2013. - 5. -С. 3-9.

35. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. - М.: Металлургия. - 1984. - 280 с.

36.Vitek V. - J. Mech. Phys. Soc., 1976, v. 24, № 56 p. 263-275

37. Weiss V., Chait R., Sessler J.G., Proceedings of the 1st International Conf. on Fracture, Sendai, vol. 2, 1965, p. 1307.

38.Вейс, Шеффер Б Феллинг, Труды амер. о-ва инженеров-механиков, серия Д. - 1966. -№3, с. 153.

39. Полухин П.И. Физические основы пластической деформации : учебное пособие для вузов / Полухин П. И., Горелик С. С., Воронцов В. К.— Москва : Металлургия, 1982 .— 584 с.

40.Бернштейн М.Л., Штремель М.А. О "наследственном" влиянии наклепа на свойства стали // Физика металлов и металловедение. - Т. 155. - №. 1. - 1963. - С.82-90

41.Бернштейн M.JI. Термомеханическая обработка стали / М. JI. Бернштейн, В. А. Займовский, Л. М. Капуткина ; Под ред. М. Л. Бернштейна .— Москва : Металлургия, 1983 .— 480 с.

42.Волосевич П.Ю., Петров Ю.Н. Механические свойства никелевых сталей с различной величиной аустенитного зерна.- Металлофизика, Киев: Наукова думка. - 1974. - №56. - С. 39-42.

43.Вознесенский В.В., Добриков A.A., Изотов В.И., Козлов А.П. Влияние величины исходного аустенитного зерна на структуру и предел текучести закаленной на мартенсит стали // Физикаметаллов и металловедение. - 1975. - т. 40. -№ 1. С. 92-101.

44.Browning А. - Scr. Met. - 1973.-v. 7.-№ ll.-p. 1139—1142.

45.Андреева В.В., Бернштейн М.Л., Займовский В.А. и др. - Сталь. — 1975. -№ 8.-С. 740-743.

46.Клейнер Л.М Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса : учебное пособие / Л. М. Клейнер, А. А. Шацов ; Пермский государственный технический университет .— Пермь : Изд-во ПГТУ, 2008 .— 302 с.

47.Козлов Э.В., Попова H.A., Кабанина О.В., Климашин С.И., Громов В.Е. Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали. -Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. — 177 с.

48.Штремель М.А., Андреев Ю.Г., Козлов Д.А. Строение и прочность пакетного мартенсита // МиТОМ. 1999. - № 4. - С. 10-15.

49.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы организации эксперимента в химической технологии. - М.: Высшая школа. - 1985. - 319 с.

50.Лемешко Б. Ю. О выборе числа интервалов в критериях согласия типа хи-квадрат / Б. Ю. Лемешко, Е. В. Чимитова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. — № 1.

51.Безниско Е.И., Карпасюк Е.К., Шабанова Г.А., Щепеткин A.A. Экспериментальные основания модели процессов перемагничивания

поликристаллов с учетом взаимодействия зерен // Естественные науки. -2005. -№4.-С . 119-123

52.Чаэрова М.Н. Закономерности формирования зерна аустенита и их применение для повышения структурной однородности и качества пружинной проволоки. Автореф. дис. канд. техн. наук. - Н. Новгород, 2008. -24 с.

53.Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ : учебное пособие для вузов / Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев JL Н..— 3-е изд., перераб. и доп .— Москва : Изд-во МИСИС, 1994 .— 328 с.

54.Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. Изд-во Физ.-мат. лит. 1961. —684 с.

55.Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. — Москва : Металлургия, 1973 .— 583 с.

56.Клейнер Л.М., Коган Л.И., Энтин Р.И. Свойства низкоуглеродистого легированного мартенсита// Физика металлов и металловедение. — 1972. - т. 33. -№. 4. - С. 824-830.

57.Клейнер, Л М. Низкоуглеродистые мартенситные стали : Учеб. пособие для студ. спец. 1107 / Л.М.Клейнер ; Перм. гос. техн. ун-т. — Пермь : Изд-во ПГТУ, 1993 .— 71 с.

58.Борисов И.А. Влияние углерода, хрома и никеля на а<-»у-превращение и свойства Cr-Ni-Mo-V-сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - № 3. - С. 7-9.

59.Патент РФ N 1790622, С 22 С 38/50. Сталь/ Л.М.Клейнер, И.В Толчина, Л.Д. Пиликина и др. 1993, Б.И №3.

60.Клейнер Л.М., Каменских А.П., Симонов Ю.Н. и др. Особенности у—и* превращения в стали 12Х2Г2НМФТ // Физика металлов и металловедение. - 2002. - т. 93.-№1.-С. 90-93.

61.Богачев И.Н., Чарушникова Г.А., Овчинников В.В., Литвинов B.C. Исследование расслоения в стали Г8 в интервале необратимой отпускной хрупкости // Физика металлов и металловедение. - 1975. — т. 39.-№6.-С. 1269-1274.

62.Овчинников В.В., Литвинов B.C., Чарушникова Г.А. Мессбауэровское исследование природы необратимой отпускной хрупкости железомарганцевых сплавов // Физика металлов и металловедение. — 1978.-т. 47.-№5.-С. 1099-1102.

63.В. И. Большаков, Г. М. Воробьев, И. А. Тютерев, Ю. И. Хоменко. Изменение микроструктуры стали 10Г2ФБ при скоростном нагреве и охлаждении в процессе сварки. В кн. Термомеханическая обработка металлических материалов. Бернштейновские чтения. М. 24-27 октября 2004 г. 88 с.

64.Литвинов B.C., Каракшиев В.Д., Хазыев М.С. Мессбауэровское исследование мартенсита марганцевых и никелевых сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1977. - № 6. — С. 14-17.

65.Ермаков Б.С., Колчин Г.Г. Влияние химического состава на формирование структуры и свойства термически обработанных конструкционных сталей. - Л.: ЛДНТП. — 1989. - 28 с.

66.Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И. Принципы легирования, фазовые превращения, структура и свойства хладостойких свариваемых судостроительных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007. - № 1. — С. 9-15.

67.Латышкова Ц.П., Островский Г.А., Сарак В.И., Филиппов Г.А., Шепеляковский К.З. Об остаточных внутренних микронапряжениях в закаленной на мартенсит мелкозернистой стали // Физика металлов и металловедение. - 1975. - т. 40. - №3. - С. 599-604.

68.C.B. Александров, К. Хулка, A.M. Степашин, Ю.Д. Морозов. Влияние марганца и ниобия на свойства низколегированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 11. — С. 17-21.

69.3олотов А. М., Рыбин М. Ю., Орлов В. В. Возможности ускоренного охлаждения горячекатаного толстого листа // Металлообработка. -2005.-№2.-С. 23-25.

70.Е.И. Хлусова, A.A. Круглова, В.В. Орлов. Влияние химического состава, термической и деформационной обработок на размер аустенитного зерна в низкоуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007. - № 12. - С. 3 - 8.

71.Утевский JI.M., Гликман Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа, - М.: Металлургия, 1987. - 222 с.

72,Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. Брайента K.JL, Бенерджи С.К., - М.: Металлургия, 1988. - 552 с.

73.Николаева A.B., Николаев Ю.А., Шур Д.М., Чернобаева A.A. Прогнозирование склонности Cr - Ni - Mo стали к отпускной хрупкости // Физика металлов и металловедение. - 1993. - т. 476. - №5. - С. 163170.

74.Совместное влияние фосфора и кремния на зернограничную хрупкость стали 15Х2НМФА / В.В. Медведев [и др.] // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов: тез.докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Ижевск, 1984. - С. 39^13.

75.Установщиков Ю.И. Возможности устранения интеркристаллитного охрупчивания в сталях, содержащих фосфор // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985. - № 10. - С. 2 - 8.

76.Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Справ.издание/ Банных O.A., Булберг П.К., Алисова С.П. и др. М. Металлургия, 1986. - 440 с.

77.Клейнер JIM, Ларинин Д.М., Спивак Л.В., Шацов A.A. Фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях // Физика металлов и металловедение. - 2009. - Т. 108. -№.2. - С. 161168

78.Клейнер Л.М., Гребеньков С.К., Закирова М.Г., Толчина И.В. Технологические свойства сталей мартенситного класса // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - № 11. -С. 26-29

79.Клейнер Л.М., Шацов A.A., Ларинин Д.М. Низкоуглеродистые мартенситные стали. Легирование и свойства// Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - № 11- С. 29-34

80.Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов Т. 1-2. - Москва, изд. Металлургия. - 1968 г. - 1172 с.

81.Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация. - М.: МИСИС, 1997.-527 с.

82.Андреев Ю.Г., Заркова Е.И., Штремель М.А. Границы и субграницы в пакетном мартенсите. I. Границы между кристаллами в пакете // Физика металлов и металловедение. - 1990. - Т. 69. - № 3. - С 161-167.

83.Андреев Ю.Г., Девченко Л.Н., Шелехов Е.В., Штремель М.А. Упаковка кристаллов мартенсита в псевдомонокристалле // ДАН СССР. - 1977. -Т. 237. - Вып. 3. - С. 574-576.

84.Изотов В.И. Морфология и кристаллогеометрия реечного мартенсита // Физика металлов и металловедение. - 1972. - Т. 34. -№.1. - С. 123-132.

85.Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - Изд-во «Металлургия», 1970. - 3-е изд. - 376 с.

86.Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. М., «Металлургия», 1973. -224 с.

87.Бодяко М. Н., Астапчик С. А., Ярошевич Г. Б. Мартенситностареющие стали, Академия наук Белорусской ССР, Физико-технический институт; Под ред. К. В. Горева .— Минск : Наука и техника, 1976 .— 246 с.

88.Клейнер JI. М., Шацов А. А., Ларинин Д. М. Конструкционная прочность низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФБ //Металловедение и термическая обработка металлов.—2010.— № П.—С. 34-38.

89.Родионов Д.П., Счастливцев В.М. Стальные монокристаллы. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.-273 с.

90.Grenge R.A. The rapid heat treatment of steel. // Metallurgical Trans., -1971.-V. 2. - № l.-P. 65-78

91.Ряпосов И.В., Клейнер Л.М., Шацов A.A. Объемное наноструктурирование низкоуглеродистых мартенситных сталей термическим воздействие // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. - № 9. - С. 9-14.

92.J. Burke, V. Weiss Ultrafine-Grain Metals, пер. Романеев В.В., Григорьян A.A., ред Гордиенко Л.К. М. Металлургия, 1973.- 384 с.

93.Клейнер Л.М., Шацов A.A., Ларинин Д.М., Закирова М.Г., Ряпосов И.В., Закревская П.А., Гребеньков С.К. Закономерности структурообразования, фазовых переходов и диффузии в низкоуглеродистом мартенсите с блочной и блочно-реечной субструктурой //Региональный конкурс РФФИ-Урал, Сборник статей. 4.1. ПНЦ УрО РАН, 2010. - С. 238-241

94.Клейнер Л.М., Шацов A.A., Ларинин Д.М., Закирова М.Г. Структура низкоуглеродистого мартенсита и конструкционная прочность сталей // Перспективные материалы. - 2011. -№1 - С. 59-67.

95.Разрушение т. 3: в 7 т. : пер. с англ. / Под ред. Г. Либовица .— М. : Мир, 1973. - Т. 3: Инженерные основы и воздействие внешней среды / Дж. Ирвин [и др.] .— 1976 .— 797 с.

96.Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов / Л. С. Мороз .— Ленинград : Машиностроение, 1984 .— 224 с

97.Финкель В. М. Физические основы торможения разрушения /.— Москва : Металлургия, 1977 .— 359 с.

98.Грабский М.В. Структура границ зерен в металлах, пер. Мехеда Г.Н., под. ред. Бернштейна М.Л., Москва, изд-во Металлургия, 1972.- 160 с.

99.Вязкость разрушения высокопрочных материалов, ред. Гордон Л.М., Лыкова В.А 1972г. - 298с.

100. Wakasa К., Wayman С.М. The crystallography and morphology of lath martensite // Proc. Int. Conf. Martensite Transformations, ICOMAT-79, Cambrige, Mass, 1979. - V.l. - P.34-39.

101. Брофин Б.М., Гольдштейн C.H., Голуб Е.И. Модель деформационного упрочнения и пластичность феррито-перлитных сталей // Физика металлов и металловедение. - 1985. - Т. 160. -№.5. -С. 1010-1017.

102. Югай С. С., Клейнер Л. М., Шацов А. А., Митрохович Н. Н. Структурная наследственность в низкоуглеродистых мартенситных сталях // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004. -№ 12.-С. 24-29.

103. Перспективные материалы Структура и методы исследования. Под ред. Д.Л. Мерсона. ТГУ, МИСиС, 2006. - 536 с.