Структурно-фазовое состояние и дефектность низкоуглеродистой стали после комбинированной интенсивной пластической деформации

УДК 539.4.016:669.14.018.29

СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И ДЕФЕКТНОСТЬ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© Н.Д. Петрова, П.П. Петров, А.М. Иванов, А.А. Платонов

Ключевые слова: сталь; структура; фаза; дефект; интенсивная пластическая деформация; равноканальное угловое прессование; плотность дислокаций; параметр кристаллической решетки.

Исследовано влияние комбинированного воздействия методов интенсивной пластической деформации на структуру, фазовый состав и дефектность низкоуглеродистой стали.

Как известно, на свойства сталей влияют химический состав, структурно-фазовое состояние, дефектность и другие характеристики [1, 2]. Поскольку различные фазы и структуры имеют разные механические и физические характеристики, то изучение изменения структуры и фазового состава стали имеет важное значение. Тем более в результате интенсивного механического, теплового и другого типа воздействия структура, фазовый состав и дефектность могут изменяться, что будет влиять на физико-механические свойства сталей. В работе исследовано воздействие равноканального углового прессования (РКУП) и термической обработки (ТО), РКУП и электропластической прокатки (ЭПП) на структуру, фазовый состав и дефектность низкоуглеродистой стали. Исследуемый материал: низкоуглеродистая сталь ВСтЗсп.

РКУП и ТО. В результате воздействия РКУП и ТО получена микроструктура со средним размером зерна от 5 до 13 мкм (на отдельных участках менее микрона) при различных режимах обработки. После РКУП в стали ВСтЗсп формируется текстура и ферритные фазы становятся более вытянутой формы по направлению прессования. Также происходит однородное распределение карбидной составляющей по всему образцу. После РКУП и ТО формируется измельченная феррито-бейнитная структура [3]. Например, после двукратного повторения цикла закалки и РКУП (закалка в воде от 1153 К + РКУП при 673 К + закалка в воде от 1153 К + + РКУП по маршруту С при 673 К) формируется бей-нитная структура (рис. 1). Сформирована субзеренная микроструктура с преимущественно малоугловыми границами зерен (размер субзерен «500 нм). При прессовании по маршруту ВС в 2 цикла образуется мелкозе-ренная структура с большеугловыми границами зерен по сравнению со структурой, полученной при маршруте С в 2 цикла.

На дифрактограмме исходного образца-эталона выявлены линии, характерные для фаз: а-железа - Fe: 20 = 51,36; 57,06; 84,92; 111,52; 111,84; 145,36; карбида железа (цементита) - FeзC: 20 = 75,54; 85,09; а также оксида марганца (пиролюзита) - MnO2: 20 = 75,54; 97,18; 111,52.

В образцах, подвергнутых закалке и закалке + + РКУП в 1 цикл прессования содержится цементит ^є3^ и карбид легирующего элемента (MnзC). В сты-

ках и по границам зерен фиксируются частицы цементита глобулярной формы или в виде протяженных прослоек. А в образцах, обработанных по режимам: а) РКУП в 2 цикла; б) отжиг + закалка + РКУП (п = 2); в) закалка + отпуск + РКУП (п = 2) и г) закалка + РКУП (п = 1) + закалка + РКУП (С, п = 1), цементит не обнаружен. В закаленных образцах обнаружены соединения основных легирующих элементов, т. е. интерметаллических соединений в матрице ^є). После РКУП интерметаллическое соединение FeSi не обнаружено. Оксид марганца MnO2 в закаленных, упрочненных посредством РКУП и обработанных комбинированием этих процессов образцах отсутствует. В тех образцах, которые были подвергнуты комбинированию отжига с закалкой, закалки с отпуском до РКУП, а также циклическому воздействию закалки и РКУП, практически все соединения с легирующими элементами отсутствуют.

Рис. 1. Микроструктура стали ВСтЗсп: закалка в воде от 1153 К + РКУП в 1 цикл при 673 К + закалка в воде от 1153 К + + РКУП по маршруту С в 1 цикл при 673 К

После двух проходов РКУП по мере увеличения температуры ИПД наблюдается монотонное снижение относительной плотности дислокаций, которое обусловлено процессом зернограничной аннигиляции дислокаций, причем увеличение температуры РКУП на 100° приводит к уменьшению плотности дислокаций на

1980

один порядок, а также тем, что возможно ограничение работы источников дислокаций типа Франка-Рида по тем или иным причинам. После восьми проходов РКУП плотность дислокаций по сравнению с РКУП с двумя проходами, как и должно быть, возрастает. Но по мере увеличения температуры прессования при восьми проходах РКУП наблюдается обратная картина в изменении микроискажений и относительной плотности дислокаций по сравнению с РКУП в два прохода. Монотонное увеличение (є2)1/2 и р с повышением температуры ИПД, по-видимому, связано с тем, что на увеличение величины микроискажений влияет скорость измельчения зерна по мере повышения температуры, а на увеличение плотности дислокаций - изменение дислокационной субструктуры в краевых дислокациях (образование субзеренной структуры).

Обнаружено, что среднее значение параметра решетки упрочненных образцов примерно на 0,1 % меньше, чем у исходного крупнокристаллического образца. Значения микродеформаций для упрочненной ВСт3сп примерно в 7 раз больше, а среднее значение плотности дислокаций значительно выше, чем для крупнокристаллической.

В результате измельчения зерна и формирования субзеренной структуры, а также фазовых изменений происходит повышение прочностных характеристик. В результате РКУП и ТО средний размер зерна в ВСт3сп уменьшился в 3,3 раза, а предел прочности при температуре 213 К увеличился в 1,7 раза, предел текучести -в 3 раза.

РКУП и ЭПП. Обработка пластической прокаткой без тока и ЭПП заготовок размером 60x40x100 мм из стали ВСт3сп приводит к равномерному распределению перлита по всему объему образца и уменьшению размера зерна до =4-5 мкм. Также формируется текстура структуры вдоль направления проката. Параметры ЭПП: плотность тока ] = 120 А-мм-2, длительность импульса тока х = 120 мкс, частота следования импульсов тока F = 825 Гц. Закалка заготовок в воде осуществлялась от температуры 1153 К (время выдержки в печи 1 ч), а отжиг при температуре 673 К. РКУП в п = 2 прохода выполняли по маршруту С при температуре 673 К.

Структура стали, подвергнутой комбинированной обработке (закалка, РКУП и ЭПП), сопровождается образованием мелкодисперсного феррита, выделением цементита вдоль границ остаточного аустенита. Средний размер зерна ферритно-перлитных составляющих =1,7 мкм. Режим с использованием обработки по режиму «закалка + РКУП + отжиг + ЭПП» приводит к уменьшению количества остаточного аустенита и преобладанию феррито-перлитной структуры со средним размера зерна =1,6 мкм.

Получение таких видов структур приводит к росту микротвердости до 2,7 раза по сравнению с исходным состоянием. Значения ударной вязкости КСи ВСт3сп для проката с импульсным током и без него практически не отличаются и на 30 % ниже, чем для стали в состоянии поставки.

Повышенное значение плотности дислокаций в стали ВСт3сп, подвергнутой пластической прокатке без тока в состоянии поставки, обусловлено исходной

структурой материала и протеканием значительных пластических деформаций на поверхностном слое при прокатке.

Отжиг стали при температуре 673 К после закалки и РКУП значительно повышает ударную вязкость, и она становится выше, чем для исходного состояния. Предварительное упрочнение (закалка и РКУП) обеспечивает значительный рост ударной вязкости стали после ЭПП. Но вместе с тем дополнительный отжиг перед ЭПП способствует более высокому значению ударной вязкости, чем без него. Рост микротвердости стали на 10 % при комбинированной обработке с промежуточным отжигом по сравнению с комбинированным режимом без отжига связано с уменьшением среднего размера зерна. Отжиг приводит к перераспределению дислокаций и снижению остаточных напряжений, что при комбинированной обработке способствует возрастании ударной вязкости.

Снижение величины плотности дислокаций в режиме «закалка + РКУП + ЭПП» характеризует стесненность протекания пластической деформации при такой термомеханической обработке. Незначительное увеличение плотности дислокаций в режиме «закалка + + РКУП + отжиг + ЭПП» обусловлено сложными физико-химическими процессами, протекающими в дефектном строении материала.

Таким образом, повышение прочности сталей методами равноканального углового прессования и термической обработки определяется структурно-фазовыми изменениями в материале. На структурно -фазовое состояние и показатели прочности существенное влияние оказывают режимы термомеханической обработки. Комбинированная механическая обработка оказывает существенное влияние на упрочнение низкоуглеродистой стали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Деградация свойств металла труб при длительной эксплуатации магистральных трубопроводов // Сталь. 2003. № 2. С. 84-87.

2. Махутов Н.А., Пермяков В.Н., Кравцова Ю.А., Ботвина Л.Р. Оценка состояния материала продуктопровода после его длительной эксплуатации // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. № 2. С. 54-57.

3. Петров П.П., Платонов А.А., Петрова Н.Д., Иванов АМ. Исследование влияния интенсивной пластической деформации и термической обработки на дефектность стали // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. № 1. С. 71-74.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-01-98509 р_восток_а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Petrova N.D., Petrov P.P., Ivanov A.M., Platonov A.A. STRUCTURAL-PHASE STATE AND DEFECTIVE OF CARBON STEEL AFTER COMBINED SEVERE PLASTIC DEFORMATION

The influence of a combined effect of severe plastic deformation on the structure, phase composition and defectiveness of a mild steel is researched.

Key words: steel; structure; phase; defect; severe plastic deformation; equal channel angular pressing; dislocation density; crystalline lattice parameter.

1981