Влияние термической обработки на морфологию мартенсита и эволюцию дефектной структуры литой среднелегированной конструкционной стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Климашин, Сергей Иванович

• Климашин, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Климашин, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

1.1. Кристаллическая структура фаз на основе железа

1.2. Структура мартенситных конструкционных сталей после закалки

1.3. Морфология а-фазы в конструкционных закаленных сталей

1.4. Влияние режимов закалки на структуру а-фазы

1.5. Морфология остаточного аустенита в конструкционных закаленных сталей

1.6. Внутренняя структура кристаллов мартенсита закаленной стали

1.7. Процессы, протекающие при отпуске стали

1.8. Влияние дендритной ликвации на структуру стали

1.9. Проблема внутренних полей напряжений в литых сталях 31 ^ 1.10. Постановка задачи

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материал исследования

2.2. Приборы и методы структурных исследований

2.3. Приготовление образцов для исследования

2.4. Методика количественной обработки результатов исследования

3. СТРУКТУРА ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

3.1. Зеренная структура закаленной стали

3.2. Морфология а-матрицы

3.3. Морфология у-фазы

3.4. Мартенсит «самоотпуска»

3.5. Дислокационная структура и фрагменты в закаленной стали

3.6. Влияние скорости закалки на количественные характеристики у -> а превращения

3.7. Физическая концепция закономерности у -> а превращения в литой стали ЗОХНЗМФА при разной скорости охлаждения

3.8. Дислокационная структура после у -> а превращения

3.9. Выводы к гл.З

4. ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА ПАРАМЕТРЫ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ СТАЛИ ЗОХНЗМФА

4.1. Процессы при отпуске

4.2. Первичная, вторичная и третичная фрагментация. Сопоставление субструктурных превращений при отпуске и деформации

4.3. Параметры первичной, вторичной и третичной фрагментации и влияние на них продолжительности отпуска

4.4. Кинетика изменения размера фрагментов в зависимости от продолжительности отпуска

4.5. Изменение параметров дислокационной субструктуры при увеличении продолжительности отпуска стали

4.6. Изменение ориентировки мартенситных кристаллов в процессе отпуска

4.7. Функции распределения размера фрагментов при отпуске

4.8. Влияние температуры отпуска на параметры дислокационной структуры и процессы фрагментации

4.9. Выводы к гл.

5. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭВОЛЮЦИЮ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛИ ЗОХНЗМФА

5.1. Источники полей напряжений

5.2. Кривизна-кручение кристаллической решетки а-фазы и дальнодейст-вующие поля напряжений

5.3. Внутренние поля напряжений в литой стали ЗОХНЗМФА после закалки

5.4. Влияние температуры отпуска на амплитуду внутренних напряжений

5.5. Влияние продолжительности отпуска на амплитуду внутренних напряжений

5.6. Влияние дислокационной структуры на внутренние поля напряжений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние термической обработки на морфологию мартенсита и эволюцию дефектной структуры литой среднелегированной конструкционной стали»

Несмотря на гигантское ускорение развития науки и техники в XX веке, человечество и в XXI веке продолжает жить в эпоху, когда основным конструкционным материалом являются стали - сплавы на основе железа. «Железный» век в истории человечества уже продолжается третье тысячелетие. И хотя синтетические, полимерные и композиционные материалы нашли широкое распространение, альтернативы для сталей при изготовлении деталей машин и конструкций, тем не менее, нет. Это обусловлено высокими физико-механическими характеристиками сталей.

Материаловедение сталей интенсивно начало развиваться с XIX века и во все ускоряющемся темпе продолжает развиваться. К середине XX века усилиями школы академика Г.В. Курдюмова начало развиваться физическое материаловедение стали. Во многом большую роль сыграло применение рентгеноструктурного метода исследования и метода просвечивающей электронной микроскопии. Именно применение этих методов позволило исследовать тонкую структуру сталей и классифицировать ее. Необходимо отметить особую роль в исследовании пакетного и пластинчатого мартенсита в сталях с различной концентрацией углерода Свердловской и Московской школ. Большой вклад в изучение сталей внесли российские ученые В.Г. Курдюмов, JI.M. Утевский, В.М. Счастливцев, A.M. Глезер, В.И. Изотов, М.Е. Блантер, В.В. Рыбин, Л.И. Тушинский, A.A. Батаев и др., украинские ученые: В.Н. Гриднев, М.В. Белоус, Ю.Я. Мешков, В.Г. Гаврилюк, ученые дальнего зарубежья: В. Питч, Бейн, Дж. Томас, А.Р. Мардер, Ц. Нишияма, Г. Краус, Бадиша и др. Интенсивные успехи физического материаловедения сталей создали основы науки о их прочности, которые продолжают интенсивно развиваться в настоящее время. В то же время ряд важных вопросов в физическом материаловедении сталей не получил надлежащего развития. В этой связи необходимо отметить явно недостаточное внимание к дислокационной структуре сталей и ее эволюции в ходе термической обработки. Особенно это касается количественных параметров дислокационного ансамбля. Недостаточное внимание уделено процессам фрагментации. Внутренние поля напряжений изучались в основном методом рентгеноструктурного анализа, исследованию локальных полей напряжений уделялось мало внимания.

Недостаточное внимание было уделено морфологии и классификации мартенсита различных температурных интервалов. Большую роль здесь сыграли работы Ю.Ф. Иванова и Э.В. Козлова. Тем не менее, эту работу необходимо было продолжить.

Необходимо подчеркнуть, что до настоящей работы все исследования в основном проводились на катаных и кованых сталях. Значительное внимание уделялось сварным соединениям. Литые стали исследованы гораздо меньше. Дело в том, что исследование литых сталей осложняется наличием дендритной структуры, которая обязана характеру кристаллизации и связана с кинетикой затвердевания слитка. Дендритная структура, как правило, неоднородна, т.е. концентрация легирующих элементов между дендритными осями и межосными пространствами неодинакова. Влияние ликвации в основном осталось за пределами внимания исследователей. Первые попытки в исследовании тонкой структуры дендритных осей и межосных пространств были выполнены Э.В. Козловым с сотр. Однако эту работу сейчас необходимо было продолжить.

Все выше перечисленные проблемы легли в основу при планировании настоящей работы. Основным методом для поставленных задач было решено выбрать количественную дифракционную электронную микроскопию на тонких фольгах.

Диссертация состоит из пяти глав, введения и выводов. Первая глава - обзорная, вторая посвящена методике эксперимента и характеристике исследуемого сплава. В третьей главе рассмотрена структура закаленной стали: морфология, дефектная структура и влияние скорости закалки на количественные характеристики у -» а превращения. В этой же главе дана физическая концепция закономерности у -» а превращения при разной скорости охлаждения. Четвертая глава посвящена влиянию параметров отпуска на дефектную структуру литой стали ЗОХНЗМФА. Особое внимание уделено количественному изучению процессов фрагментации и проведено сопоставление субструктурных превращений при отпуске и деформации. Пятая глава посвящена влиянию термической обработки на эволюцию внутренних полей напряжений в стали ЗОХНЗМФА. Каждая глава заканчивается выводами. В заключительной части диссертации приведены основные выводы.

Актуальность работы. Механические свойства определяются структурой стали. Основными параметрами, влияющими на механические свойства, являются структура твердого раствора, карбидные выделения, дислокационная структура, типы и расположение различного рода границ в стали. Хотя механические свойства литых сталей много исследованы, тем не менее, структурные основы прочности этих сталей изучены мало. В связи с этим актуальным являются изучение структуры и измерение объемных долей морфологических составляющих матрицы литых сталей, измерение количественных параметров тонкой структуры и сопоставление их с катаными сталями. Это исследование должно проводиться в связи с видоизменениями структуры в процессе термической обработки.

Научная новизна. Впервые методами электронной микроскопии и рентгено-структурного анализа экспериментально исследованы на количественном уровне дислокационная, фрагментированная и мартенситная структуры конструкционной стали ЗОХНЗМФА в литом состоянии. Благодаря этому определены качественные и количественные параметры структуры, среди которых основное внимание уделено скалярной плотности дислокаций, внутренним полям напряжений, их источникам, кривизне-кручению кристаллической решетки. Впервые определены физические основы прочности конструкционной стали ЗОХНЗМФА в литом состоянии. Показано, что литейные дендритные неоднородности структуры после закалки и различных режимов отпуска оказывают слабое влияние на структуру стали. Основное влияние оказывают средние параметры структуры.

Практическая значимость. Параметры структуры, измеренные в настоящей работе, позволяют как трактовать механические свойства, так и путем планомерного изменения параметров термической обработки видоизменять их в нужном направлении. Методы, примененные для исследования структуры и свойств литой стали ЗОХНЗМФА, могут быть применены для исследования других сталей. Методика измерения внутренних полей напряжений, впервые примененная к литой стали ЗОХНЗМФА, показала свою успешность и может быть рекомендована к использованию на других литых сталях.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:

1. Амплитуда бейновской деформации и формирование высокой скалярной и избыточной плотности дислокаций в закаленном и отпущенном мартенсите.

2. Роль дислокационной структуры и её поляризации в формировании внутренних полей напряжений.

3. Количественные закономерности фрагментации структуры литой стали при отпуске. Разделение всех фрагментов на первичные, вторичные и третичные. Различие процессов фрагментации в пакетном и пластинчатом мартенсите.

4. Конфигурация и объемная доля остаточного аустенита в различных морфологических составляющих мартенсита.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Климашин, Сергей Иванович

выводы

1. Установлено, что основной составляющей в структуре литой стали ЗОХНЗМФА после закалки является а-фаза с ОЦК кристаллической решеткой. Морфология а-фазы представляет смесь пакетного (или реечного) мартенсита, пластинчатого высокотемпературного и низкотемпературного мартенсита и пакетного нижнего бейнита. Основной объем а-фазы (>80%) занимает пакетный мартенсит, который представляет смесь «самоотпущенного» и безкарбидного мартенсита.

2. Остаточный аустенит присутствует только в мартенситной составляющей ос-фазы. В пакетном мартенсите он располагается в виде прослоек на границах мартенситных реек. В пластинчатом мартенсите - в виде прослоек на границах пластин и «островков» и «игл» внутри. Объемная доля остаточного ау-стенита - ~7 %. Его большая часть (-5 %) находится в пакетной составляющей мартенсита, наименьшая часть (-0.5 %) - в пластинчатом высокотемпературном мартенсите. В пластинчатом низкотемпературном мартенсите объемная доля остаточного аустенита составляет ~1 %.

3. Закалка литой стали приводит к большой бейновской деформации, достигающей величины 8 = 0.13-0.20. Релаксация упругих бейновских напряжений приводит к генерации дислокаций, достигающих высокой скалярной плотности величиной -1.5-1015 м~2. При этом самого высокого значения

15 2

-1.6-10 м") она достигает в пакетном мартенсите, самого низкого

15 2

-1.4-10 м") - в пакетном бейните.

4. Закалка литой стали приводит к высокой избыточной плотности дислокаций

15 2

-0.6-10 м"), вызывающей высокие внутренние поля напряжений, релаксация которых приводит к формированию первично фрагментированной субструктуры уже в процессе закалки. Установлено, что первичная фрагментация возникает только в пакетном мартенсите и только в мелких пакетах.

5. Определено влияние скорости закалки на качественное различие в тонкой структуре стали и объемные доли различных морфологических составляющих а-фазы и остаточного аустенита. Установлено, что при повышенной скорости закалки у а превращение проходит в более низкотемпературной области. При высокой скорости закалки бейнитное превращение отсутствует, и у —» а-превращение происходит исключительно в мартенситной температурной области.

6. Скорость охлаждения оказывает существенное влияние на морфологию мартенситной структуры стали: при повышенной скорости закалки в структуре стали образуются длинные, широкие, прямые пластины высокотемпературного мартенсита, делящие объем материала на участки, внутри которых при несколько более низких температурах образуется пакетный мартенсит и пластинчатый низкотемпературный мартенсит. При этом мартенситные пакеты короткие, не широкие. При пониженной скорости закалки напротив - прямые длинные пластины высокотемпературного мартенсита практически отсутствуют, а мартенситные пакеты реек - длинные и широкие. Высокотемпературный мартенсит при пониженной скорости закалки представлен только бесструктурными областями.

7. Классифицированы процессы фрагментации при отпуске литой стали ЗОХНЗМФА, т.е. фактически вскрыта природа возврата при отпуске стали. А именно: установлено, что отпуск стали приводит к типичным субструктурным превращениям «нефрагментированная субструктура -» фрагментиро-ванная субструктура», «сетчатая субструктура -» ячеистая субструктура» и, наконец, «анизотропные фрагменты -» изотропные фрагменты». Именно такая последовательность субструктурных превращений наблюдается при пластической деформации как ГЦК металлов и сплавов, так и ОЦК сталей

8. Показано, что развитие фрагментированной субструктуры идет в направлении: первичные фрагменты -» вторичные фрагменты -» третичные фрагменты. Первичные и вторичные фрагменты - анизотропные дислокационные, третичные фрагменты - изотропные без дислокационные. Первичные фрагменты содержат внутри себя сетчатую дислокационную субструктуру, вторичные - ячеистую. Управляющим параметром субструктурных превращений при отпуске литой стали является скалярная плотность дислокаций.

9. Количественно показано, что интенсивность протекания процесса фрагментации при отпуске самая высокая в пакетном мартенсите, самая низкая - в пластинчатом высокотемпературном мартенсите.

10. Установлено, что фрагментация в пакетном и пластинчатом мартенсите реализуется по-разному. В пакетном мартенсите - это следующие процессы: 1) образование поперечных границ, затем 2) новых продольных границ, параллельных первичным границам реек, 3) перестройка дислокационной структуры внутри фрагментов, 4) поглощение дислокаций бывшими границами реек, переползание этих границ, их искривление и изменение угла ра-зориентировок, 5) вытеснение дислокаций из тела фрагментов на границы и субграницы и измельчение и разрушение структуры пакетов. В пластинчатом мартенсите: 1) образование квазиламельной структуры из-за образования продольных субграниц, 2) образование поперечных субграниц,

3) перестройка дислокационной субструктуры внутри фрагментов,

4) искривление первичных границ пластин.

11. В работе установлено, что основными источниками внутренних полей напряжений уже после закалки исследуемой стали являются: 1) скалярная плотность дислокаций; 2) поляризация дислокационной структуры и избыточная плотность дислокаций; 3) сохранившаяся частично упругая несовместность деформации. Количественно показано, что внутренние напряжения в пакетном мартенсите имеют наибольшее значение, а в пластинчатом высокотемпературном - наименьшие. При этом границы мартенситных реек менее напряжены, чем сами рейки, а границы мартенситных пластин более напряжены, чем сами пластины.

12. Отпуск стали приводит к снижению внутренних напряжений, причем действие температуры отпуска менее выражено, чем действие продолжительности отпуска. Количественно показано, что отпуск приводит вначале к взаимному экранированию локальных источников напряжений и образованной в материале дислокационной структуры, а затем к спаданию напряжений от локальных источников и дислокационной структуры. Установлено, что остаточные напряжения после длительного (-100 часов) отпуска имеют величину -300 МПа, что составляет ~1/Зст0.2- Таким образом, длительный отпуск привел к упрочнению стали.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Климашин, Сергей Иванович, 2006 год

1. Штейнберг С.С. Избранные статьи. -М.: Машгиз, 1950. - 255с.

2. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. -М.: Наука, 1977.-236с.

3. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: ГИФ-МЛ, 1959.-Т.1.-756с.

4. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1978. - 647с.

5. Йех Я. Термическая обработка стали. Справочник. М.: Металлургия, 1979. -264с.

6. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: ГИФ-МЛ, 1962. -Т.2. -982с.

7. Григорович В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа. -М.: Наука, 1970.-292с.

8. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник / Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахпггадта. -М.: Металлургия, 1983. Т.2. - 386с.

9. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. -М.: Металлургия, 1973. 584с.

10. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. -Киев: Техника, 1975. 304с.

11. Томас Дж. Фазовые превращения и микроструктура сплавов с высокой прочностью и вязкостью разрушения. Возможности и ограничения их использования при разработке сплавов// Проблемы разработки конструкционных сплавов. -М.: Металлургия, 1980.- С. 176-203.

12. Kurdjumow G., Sachs G. Über den Mechanismus der Stahlhaltung // Z. Physik. -1930. V.64. - S.325-329.

13. Nishiyama Z. X-ray investigation of the mechanisms of the transformation from face-centered lattige to bodu-centered cubic // Sei. Repts. Tohoku Imp. Univ. -1936. V.26, №1. - P.77-83.

14. Greninger A.B., Trojano A.R. The mechanisms of martensite formation // Trans. Met. Soc. AIME. 1949. - V.185, №3. - P.590-597.

15. Счастливцев B.M., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. -М.: Металлургия, 1994. 288с.

16. Петров Ю.Н. Дефекты и бездиффузионное превращение в стали. Киев: Нау-кова думка, 1978. - 262с.Й

17. Георгиева И .Я., Максимова О.П. О взаимосвязи между кинетикой и структурой при мартенситных превращениях // ФММ. 1971. - Т.32, вып.2. - С.364-369.

18. Krauss G., Marder A.R. The morphology of martensite in iron alloys // Met. Trans. -1971. V.2, №9. - P.2343-2357.

19. Изотов В.И., Хандаров П.А. Классификация мартенситных структур в сплавах железа // ФММ. 1972. - Т.34, №2. - С.332-338.

20. Zenker R. Latten martensit in Eisen-Chrom-Kohlenstoff legierungen // Neue Hutte.- 1974. V.19, №5. - S.290-294.

21. Umemoto M., Yoshitake E., Tamura J. The morphology of martensite in Fe-C, Fe-Ni-C, Fe-Cr-C alloys // J. Mater. Science. 1983. - V.18, №10. - P.2893-2904.

22. Иванов Ю.Ф., Конева H.A., Козлов Э.В. Структурно-концентрационные диаграммы мартенситных превращений в сплавах железа и сталях // МиТОМ. -1989. №2. - С.2-4.

23. Иванов Ю.Ф. Электронно-микроскопические исследования структуры и фазового состава цементованного слоя стали 20Х2Н4М // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - №.6. - С.55-56.

24. Law N.C., Howell P.R., Edmonds D.V. Structure of lath martensite and occurrence of retained austenite in as-quenched Fe-V-C low-alloy steels // Met. Science. 1979.- V.13, №9. P.507-515.

25. Бернштейн M.JI., Спектор Я.И., Дягтерев B.H. Влияние температуры аустени-зации и горячей деформации на структуру и механические свойства стали 40ХН2МА // ФММ. 1982. - Т.53, №1. - С.68-75.

26. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Морфология мартенситной фазы в низко и сред-неуглеродистых сталях // Термическая обработка и физика металлов. - 1990. -№15. - С.27-34.

27. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Электронно-микроскопический анализ мартенситной фазы стали 38ХНЗМФА // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. - №8. -С.38-41.

28. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Многоступенчатая схема мартенситного превращения низко- и среднеуглеродистых малолегированных сталей // Материаловедение. 2000. - №11. - С.33-37.

29. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Объемная и поверхностная закалка конструкционной стали морфологический анализ структуры // Изв. вузов. Физика. - 2002.- №3. С. 5-23.30