Образование и рост перлитных колоний

Поэтому полученные в работе результаты приобретают особенное значение в условиях повышения потребления более толстого листа.

Выводы. 1. Снижение температуры металла путем увеличения числа циклов деформации в черновой клети способствует повышению прочностных характеристик, пластичности и вязкости при низких температурах.

2. Результаты испытаний в 2-направлении показали, что фактическое значение относительного сужения в листах, изготовленных по предложенному режиму, значительно выше, чем по штатному, и почти в 2 раза превышает нормативное.

3. Разработан температурно-деформационный режим горячей деформации низкоуглеродистых микролегированных сталей, который отличается повышенным количеством циклов горячей деформации, что стабилизирует субструктуру аустенита и способствует измельчению ферритного зерна и повышению механических свойств: прочности на 50...70 МПа и стабилизации пластичности и вязкости в готовых листах.

4. Усовершенствованный режим производства листа из стали типа 10Г2ФБ рекомендован к промышленному использованию в условиях ОАО «ММК им. Ильича»; внесены соответствующие изменения в технологическую инструкцию ТИ 227-ПГЛ-15-2006; это способствовало уменьшению рассеивания значений показателей прочности и пластичности готовой продукции и увеличению выхода годной продукции, выработанной за предложенным режимом контролируемой прокатки.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Жербин М. М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование) / Жербин М. М.- К. : Будiвельник, 1974. - 160 с.

2. Экономические предпосылки применения стали повышенной прочности при реконструкции зданий первых массовых серий / В. И. Большаков, О. Ю. Щеглова, Д. А. Вязовая // Матерiалознавство та термiчна обробка матерiалiв. - 2003. - № 2 - 3. - С. 40-45.

3. Большаков В. И. Использование сталей повышенной прочности в новом высотном строительстве и реконструкции / В. И. Большаков, О. В. Разумова. - Д.: Пороги, - 2008. - 216 с.

4. Погоржельский В. И. Контролируемая прокатка / В. И. Погоржельский, Д. А. Литвиненко, Ю. А. Матросов, А. В. Иваницкий. - М. : Металлургия, 1979. - 183 с.

5. Обоснование выбора материала для строительных металлических конструкций / В. И. Большаков, Г. М. Воробьев, Д. В. Лаухин [и др.] // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2008. - Вып. 45, ч. 3. - С. 116 - 122.

6. Лаухин Д. В. Особенности упрочнения низкоуглеродистых сталей, микролегированных ниобием и ванадием: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.01 / Лаухин Дмитрий Вячеславович. - Днепропетровск, 2002. - 151 с.

УДК 669.15-194.53:669.112.227.322:548

ОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ ПЕРЛИТНЫХ КОЛОНИЙ

В. И. Большаков д. т. н., проф., В. И. Куксенко, Г. Д. Сухомлин д. т. н., А. В. Бекетов к. т. н., Д. В. Лаухин, к. т. н., доц., Т. В. Семёнов, магистр

Ключевые слова: перлитные колонии, ветвление пластин перлита, перлитный распад.

Введение. Перлит является одной из основных структурных составляющих подавляющего большинства сталей, чугунов и некоторых сплавов, поэтому изучению его строения и свойств уделяется много внимания [1 - 5]. Несмотря на это, некоторые вопросы, касающиеся формирования структуры перлита, до настоящего времени остаются дискуссионными. Например, как зарождается колония перлита? Какая фаза является ведущей при её росте? Каковы кристаллографические параметры фаз в колонии? По какому механизму происходит увеличение количество пластин цементитного каркаса? Как можно управлять структурой и свойствами сталей, содержащих перлит? Постоянный интерес к этим вопросам объясняется тем, что перлитную компоненту содержит свыше 90 % металлопродукции.

Основные положения. В сталях с содержанием углерода до 1,7 % при умеренных скоростях охлаждения может иметь место эвтектоидная реакция; углеродистая сталь с 0,8 %

углерода является эвтектоидной, аустенитная фаза в такой стали при медленном охлаждении ниже температуры 727 °С распадается на две дочерние: а-фазу - феррит и 9-фазу - цементит. Перлитный (или диффузионный) распад аустенита имеет кооперативный характер: рост пластин феррита вызывает рост пластин цементита, соответственно пластины 9-фазы (цементита) инициируют и поддерживают рост пластин а-фазы. В результате образуется специфическая структура перлита, состоящая из чередующихся пластин феррита и цементита с соотношением их толщин около 8:1.

Существует несколько моделей роста колонии перлита: «бок о бок», когда новая пластина зарождается на поверхности предыдущей и таким образом колония растет в поперечном направлении [1; 2]; первичное прорастание стержней цементита вдоль дислокаций в аустените с последующим преобразованием стержней в пластины [3]; поэтапное развитие колонии по схеме: активное ветвление ^ рост пластин ^ превращение в ленты ^ превращение в стержни [4] и другие. Элементарной единицей перлита считается колония. В научной литературе существует несколько определений относительно понятия элементарной колонии:

- система параллельных чередующихся пластин феррита и цементита [1 - 5];

- система двух кристаллов - а- и 9- фаз, прорастающих друг в друге [4; 5];

- несколько систем пластин цементита в одной ферритной матрице [6];

- сложная колония, состоящая из нескольких субколоний с отличающимися направлениями цементитных пластин [7].

Многообразие определений связано с тем, что в реальных перлитных колониях строение как цементитной, так и ферритной компонент оказывается более сложным, чем в теоретических моделях (см. рис. 1). Существуют значительные отличия в строении продуктов распада аустенита: в зависимости от кинетики процесса роста одна и та же колония может принимать несколько морфологических видов [4], которые с позиций развития деформации ведут себя как разные композиционные материалы [8]. Протекание деформационных процессов усложняется тем, что упрочняющая фаза - цементит - имеет определенные кристаллографические ориентационные связи с ферритом [4], соответственно пластины феррита и цементита имеют различные габитусные плоскости, по-разному ориентированы относительно плоскостей и направлений скольжения дислокаций [8].

Свойства перлитных сталей зависят от ряда факторов, главным из которых является характер распределения упрочняющей 9-фазы - цементита. Если химический состав стали отличается от эвтектоидного, то в структуре появляются избыточные фазы: цементит в заэвтектоидных сталях и феррит - в доэвтектоидных. При ускоренном охлаждении перлитные колонии растут быстрее, межпластиночные расстояния уменьшаются, цементитные пластины становятся тоньше, количество углерода (цементита) в единице объема снижается - образуется перлитоподобная структура - квазиэвтектоид. Его свойства могут существенно отличаться от эвтектоидного, типичного перлита, поскольку меняется соотношение толщин ферритных 1ф и цементитных 1;ц пластин 1ф/ 1;ц (рис. 1). Прочностные свойства доэвтектоидной стали снижаются тем сильнее, чем меньше в ней доля перлитной (квазиэвтектоидной) составляющей. С другой стороны, в квазиэвтектоиде межпластиночные расстояния меньше, а удельная поверхность межфазных границ феррит-цементит больше, поэтому сопротивление движению дислокаций увеличивается, прочность возрастает. В то же время уменьшение толщины цементитных пластин и увеличение количества дефектов (отверстий, щелей) в них снижает вероятность образования больших скоплений дислокаций у препятствий, поэтому пластичность квазиэвтектоида повышается [5; 6].

Рис. 1. Теоретическая схема строения колонии перлита (по Мейлу): ф - феррит; ц - цементит; S0 - межпластиночное расстояние; Iц - толщина пластин феррита и цементита соответственно

Следует учитывать, что изменение химического состава стали в пределах марочного, а также случайные или целенаправленные изменения технологических параметров производства могут оказывать влияние на структуру и свойства изделий из перлитных и феррито-перлитных сталей. Поэтому понимание механизмов происходящих при этом структурных изменений

позволит более осознанно управлять структурой и свойствами продукции.

В соответствии с этим, целью работы явилась разработка на основе металлофизического подхода схемы зарождения и роста колоний в перлитсодержащих материалах.

Образование зародыша колонии. Зарождение перлитной колонии ранее практически не рассматривалось, поскольку световые микроскопы имеют недостаточное разрешение, чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную модель, а электронная микроскопия является слишком локальным методом, с ограниченными возможностями обнаружения искомого элемента структуры.

Многочисленные экспериментальные наблюдения показывают, что зарождение колонии происходит обычно на неметаллических включениях и других инородных примесях. Однако, число колоний обычно значительно превышает число включений, поэтому можно предположить, что зарождение колоний возможно также на других высокоэнергетических дефектах структуры - узлах и тройных стыках границ зёрен аустенита.

Такое предположение базируется на том, что как стыки, так и узлы, являются поставщиками углерода, атомы которого гораздо подвижнее атомов железа, поэтому существует большая вероятность флуктуационного образования скопления атомов требуемой концентрации. Зародыш цементита в перлите может быть в несколько раз меньше ферритного, поэтому в первый момент образуется не ферритная, а карбидная частица, которая расположена, как правило, в точке (узле) пересечения четырёх тройных стыков аустенитных границ или на любом участке тройного стыка. Как только образуется плоский или сферический зародыш цементита, вокруг него возникает зона с пониженной концентрацией углерода в аустените, что даёт толчок для возникновения зародыша а-фазы (рис. 2 а), из которой вытесняются атомы углерода (изображены чёрными точками) в близлежащий аустенит, создавая условия для роста цементитного слоя (рис. 2 б - г). Таким образом, выполняется первое требование перлитной реакции - кооперативное сосуществование а и 9 фаз.

а б в г

Рис. 2. Предлагаемая схема образования плоского зародыша перлитной колонии

Это означает, что в процессе роста наиболее активным базовым элементом колонии является граница раздела ферит - цементит, и именно она является «ведущим» звеном, которое перемещается в сопровождении двух слоёв а и 0 фаз, создавая конструкцию колонии перлита. В трёхмерном, пространственном варианте схема развития зародыша изображена на рисунке 3 а -г.

в г д е

Рис. 3. Этапы образования двухфазного спирального зародыша колонии: зародыш цементита; б - зарождение феррита на цементитной подложке;

в - изгиб пластин, вызванный нестабильностью фронта превращения; - охват цементитом ферритного слоя; д, е - начало первого витка спирали

б

а

в

а

г

На этом этапе фронт роста имеет значительнную кривизну, поэтому направление роста отличается нестабильностью, легко отклоняется в сторону наиболее благоприянтую для продвижения. Поэтому переход от плоского зародыша к объёмному, по нашему мнению, осуществляется наслаиванием двухслойного элемента (а + 0) на собственную «подложку» с образованием первого витка спирального зародыша (рис. 3 д, е) колонии перлита.

На рисунке 4 а показана предлагаемая схема образования цементитной составляющей зародыша, а на рисунке 4 б - вид осевого сечения спирального участка . Дальнейшее его развитие происходит в виде спаренной феррито-цементитной спирали путём многократного повторения последующих витков, что обеспечивает рост колонии в направлении оси Z, а уже образовавшиеся витки продолжают разрастание в направлениях Хм Г (рис. 4 в).

&

а б в

Рис. 4. Развитие спирального участка колонии перлита: а - цементитный каркас; б -осевое сечение спирали; в - боковой рост колонии путём перемещения фронта превращения

В осевом сечении спиральные участки выглядят как обычные пластинчатые колонии (см. рис. 3 б), поэтому доказать, что данная колония содержит спиральную компоненту, не представляется возможным. В благоприятных случаях, когда сечение проходит почти параллельно плоскости пластин, спиральная колония может выявиться чётко. Такой случай приведен на рисунке 5, где можно видеть две спиральные колонии(5 а и 5 б), расположенные на небольшом расстоянии друг от друга; это подтверждает, что такие случаи повсеместны.

Рис. 5. Спиральный рост колоний перлита в эвтектоидной стали. Световой металлографический

микроскоп Неофот-2: а - общий вид; б - фрагмент 1; в - фрагмент 2.

Такой механизм роста на ранней стадии образования колонии перлита обеспечивает пространственное (трехмерное) ее распространение, при этом не требуется зарождение пластин

б

а

в

по механизму «бок о бок», как это предлагается в модели Мейла [1]. Кроме того, спиральный рост объясняет бикристалльное строение колонии, в то время как зарождение «бок о бок» допускает независимую ориентацию новых пластин.

Образование дефектов. Перед фронтом роста колонии в аустените существуют обеднённые по углероду зоны, которые обычно возникают вокруг отдельных дислокаций или субзёренных малоугловых границ (рис. 6 а). Это приводит к тому, что растущая система пластин, встречая на своём пути такую зону, вынуждена приостановить рост одной из цементитных пластин таким образом, что в ней образуется углубление (рис. 6 б).

Диффузионные потоки углерода (показаны стрелками на рис. 6 а и б) перераспределяются таким образом, что появляются потоки вдоль оси X, которые поддерживают ширину щели постоянной и близкой к действующему межпластиночному расстоянию в колонии (рис. 6 в). В результате щель заполняется ферритной фазой наравне с другими участками фронта превращения.

3 д

Рис. 6. Схема образования дефектов: а, б, в - стадии образования устойчивой щели; г, д - ветвление пластин

Такие щели редко залечиваются в процессе дальнейшего роста колонии, так как они способствуют сокращению поверхности межфазных границ и снижению избыточной поверхностной энергии. На рисунке 7 а показана извлечённая с поверхности глубоко протравленного шлифа (сталь У8) цементитная пластина, которая содержит щель постоянной ширины. На снимке тонкой фольги из стали 36Г2С (рис. 7 б) видны широкие ленты со щелями (отмечены малыми стрелками) и узкие ленты в виде небольших ромбов и параллелограммов. Показательно, что в пределах колонии кромки всех цементитных фрагментов параллельны направлению роста (отмечено большой стрелкой). Дифракционные картины показывают, что колония является бикристаллом: цементит ветвится в ферритной матрице, габитусы его пластин представлены обычно плоскостя роста неизменно выступает [010]ц.

Ветвление пластин. Если на фронте превращения существует нестабильность условий, например, необходимость увеличения числа пластин в колонии, то по мере продвижения фронта превращения края щели могут отклоняться от основного габитуса и наращиваться в направлении оси X, (рис. 6 в, г). В итоге на таком участке создаётся дополнительная пластина в направлении оси У (сравните: 6 а, - 5 пластин, а 6 д - 6 пластин). Это приводит к такому же результату, как и зарождение «бок о бок», но в полном согласии с постулатами перлитной реакции.

Рис. 7. Щели и ленты цементита в перлите: а - пластина цементита, содержащая стабильную щелъ, реплика с извлечением; б - ленточный цементит в перлитной колонии, тонкая фолъга

Образование лент и стержней. Участки фронта превращения, содержащие одну или несколько щелей, перемещаются быстрее других, чем способствуют ускорению распада аустенита. В ряде случаев, например, при ускоренном охлаждении, щели инициируют появление таких же дефектов в соседних пластинах, поэтому с течением времени пластины расщепляются на узкие ленты, находящиеся друг от друга на таких же расстояниях, как и пластины. По мере дальнейшего роста ленты переходят в стержни гексагонального сечения. Массовое преобразование пластин в ленты, а лент в стержни термодинамически оправдано с точки зрения снижения общей межфазной поверхности в колонии [4, 10].

Развитие колонии перлита. Проведенный анализ позволяет предположить, что перлитные колонии в процессе роста проходят несколько стадий, которым присущи свои морфологические виды цементитной составляющей. В общем виде это можно представить следующим образом (рис. 8).

Направление ГП1П1 роста IV1 ц

колонии перлита.

На первой стадии образуется двухфазный спиралевидный зародыш, дающий начало пластинам феррита и цементита и их возможности прорастать во всех направлениях (рис. 8 а). На второй стадии пластины увеличиваются в размерах, одновременно приобретая дефекты в цементитной фазе в виде узких щелей, ширина которых поддерживается постоянной и равной действующему межпластиночному расстоянию. При этом же пластины разветвляются путём разрастания краёв щелей (рис. 8 б). Третья стадия - активное формирование лент из пластин вследствие увеличения количества щелей (рис. 8 в). Этот процесс идёт активно, так как увеличение количества щелей способствует ускорению процесса распада аустенита [9]. Четвёртая, завершающая стадия - переход узких лент в стержневидную форму, что существенно снижает свободную энергию системы (рис. 8 г). При этом фронт роста становится почти плоским и состоящим из ячеек. В центре каждой ячейки находится стержень цементита,

к которому со всех сторон из аустенита устремляются потоки углерода, как это происходит при ячеистом распаде в некоторых пересыщенных растворах.

Важно отметить, что все стадии реализуются в условиях диффузионного перераспределения компонентов твёрдого раствора, поэтому для его прохождения требуется время и пространство. По ряду причин некоторые морфологические формы цементитного каркаса могут отсутствовать, например, стержни или ленты, в тех случаях, если колонии растут в мелком аустенитном зерне, при малом переохлаждении, при низкой температуре и т. д. От этих же факторов зависит и количественное соотношение различных видов морфологии цементита и, следовательно, физические свойства перлитосодержащих сталей.

Выводы. 1. На основе анализа литературы и металлофизического подхода разработаны схемы зарождения и предложен механизм роста перлитных колоний в широко распростанённых перлитсодержащих материалах.

2. Показано, что колонии перлита в процессе роста претерпевают несколько морфологических переходов: спиралевидный двухфазный зародыш ^ разрастание пластин и дефектов - устойчивых щелей в них ^ переход пластинчатого цементита в ленточный ^ преобразование лент в стержни.

3. Развитие представлений о механизмах структурообразования при эвтектоидном распаде аустенита позволит более осознанно управлять структурой и свойствами сталей, содержащих перлитную компоненту.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Мейл Р. Ф., Хагель У. К. Аустенитно-перлитное превращение / В кн. «Успехи физики метал лов». Пер. с англ. М. : Металлургиздат, - 1960, - С. 86 - 156.

2. Zener C. Kinetica of decomposition of austenite // Trans. AIME, - 1946, v. 167, - Р. 405-417.

3. Бунин К. П., Бунина Ю. К., Мазур В. И. // О зарождении и строении перлита. /МиТОМ, - 1971, № 10, - С. 6 - 7.

4. Cyхомлин Г. Д. Кристаллогеометрические особенности перлита доэвтектоидной стали // ФММ, - 1976. - Т. 42, вып. 5, - С. 965 - 970.

5. Puls M. P., Kirkaldy J. S. The pearlite reaction // Met. Trans., - 1972, v. 3, - Р. 2777 - 2792.

6. Hultgren A., Öhlin H. Nucleation and growth of pearlite. // Jernkont. Ann. -1960. -v. 144, -P. 356 - 391.

7. Бернштейн М. Л., Владимирская Т. Н., Займовский В. А. и др. Влияние высокотемпературной термомеханической изотермической обработки на структуру и механические свойства стали // Изв. АН СССР. - Металлы. 1979. № 2, - С. 130 - 139.

8. Гриднев В. Н., Гаврилюк В. Г., Мешков Ю. Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. К. : Наукова думка, 1974. - 231 с.

9. Sundquist B. E. The edgewise growth of pearlite // Acta Met. - 1968, v. 16, - Р. 1413-1427.

10.Кривошеева А. А., Сухомлин Г. Д., Цыба В. Н. О стержневидном цементите в перлитных структурах // Металлофизика. - 1984. - Т. 6, № 3. - С. 99 - 100.

УДК 519.21

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ЗАДАЧА МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ С КАЧЕСТВЕННО НЕОДНОРОДНЫМИ КРИТЕРИЯМИ

В. И. Большаков, д. т. н., проф., Ю. И. Дубров, д. т. н., проф., А. Б. Загородний к. т. н., доц.

Ключевые слова: многокритериальная задача, металловедение, модель, неоднородные критерии.

Хорошо известно, что наука - бионика способна помочь находить инженерам новые технические решения путем имитации процессов функционирования живых организмов. Здесь мы сталкиваемся с относительными морфизмами, поскольку при этом изучаются различные физические и метрические отношения. Общим для всех этих случаев является то, что у изоморфных объектов часто наблюдается образование различных статических и динамических структур, которые необходимы для их выживания в постоянно изменяющейся среде [1]. В этом плане, на наш взгляд, особый интерес представляет перенесение способа выбора